梯度折射率聚合物微球透镜的研究
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摘要
本工作研究一类具有梯度折射率(Gradient refractive index，GRIN)分布的高分子聚合物微球透镜。它是一种新型光学器件，主要依靠介质特殊的非均匀折射率分布实现各种光学功能，具有几何形状简单、体积小、光路短、重量轻、易于批量生产等特点，在微小光学、集成光学、光通讯中具有广泛的的应用前景。本工作对此种透镜的光学性能进行理论分析，选择两种适当聚合物单体利用悬浮扩散共聚的方法加工制备此类微球透镜，测量所得透镜的折射率分布曲线和其它光学参数，并对此种梯度折射率微球透镜的成像特性进行了评价。本论文对上述工作进行了总结和阐述。
第一章 简要介绍梯度折射率光学器件、微小光学及高分子梯度折射率材料的发展和现状，以及本工作的研究内容和意义。
第二章 介绍了一般球梯度折射率光学器件的光线理论，并以Maxwell鱼眼微球透镜模型为例研究球梯度微透镜在成像及光耦合方面的性能，显示此类透镜的应用前景。
第三章 介绍应用悬浮扩散共聚法制备高分子GRIN透镜的机理，高分子材料的筛选、应用悬浮扩散共聚法制备GRIN微球透镜的工艺过程及对各种反应条件的控制。
第四章 介绍对所制备的此种介质球透镜的透过率、不圆度等重要光学参数的测量。重点阐述利用剪切干涉技术测量微球透镜的折射率分布曲线的方法和测量结果。
第五章 从测量所得折射率分布曲线出发，根据梯度介质球内光线传输的理论模型，用四阶runger-kutta方法进行光线追迹，计算了此种梯度球的纵横向球差等光学特性，给出所制作梯度折射率微球透镜成像性能的评价。
第六章 对本课题研究所取得的成绩、存在的问题和下一步要做的工作做一简要总结和展望。
This work studies a kind of polymer gradient reflective index (GRIN) micro-sphere-lens. It is
a new-type optics element, and its optical function is mainly achieved by the inhomogeneous reflective index distribution of the medium. It has such advantages ?simple geometric shape, small volume, short optical path, lightness in weight, easiness in producing by wholesale, etc. It has great potentialities in such fields as micro-optics, integrated optics and optics communication. We have completed the earlier stage research on theory analysis, fabricated the GRIN sphere lenses using two kind of monomer selected by suspension diffusion copolymerization method, measured their refractive index distribution curve and other optical parameters of them, and evaluated imaging quality on the basis of their distribution curve. This paper mainly elaborates these results in details.
Chapter 1. Simply introduce the background knowledge of gradient index optics, micro-optics and polymer gradient index material. Besides, elaborate the contents and significance of the research.
Chapter 2. An analysis is made on general optical character of spherical GRIN material and make an example of Maxwell fisheye lens model to elaborate the efficiency of imaging and coupling of the GRIN lens.
Chapter 3. Elaborate the theoretics of making polymer GRIN micro-lens by means of suspension-diffusion-copolymerization, include monomer selection, the process of suspension diffusion copolymerization and the condition control of the chemosynthesis process.
Chapter 4. Introduce the measurement of the common optics parameter of the medium lens, for example, light passing index, no-sphericity and so on, emphasize on the way and result of using shearing interferometric technique to measure the refractive index distribution curve of the micro-lens.
Chapter 5. Based on the measured refractive index distribution curve, according as the theoretical model of light transmission in the GRIN medium, using quadrivalent Runger-Kutta method to carry out the light tracking, by this means the mainly imaging character index of the
micro-lens such as foci, longitudinal and transverse spherical aberrations aberration etc is calculated.
i.
Chapter 6. A conclusion is made on the achievements in the finished work, the problems needing to be improved and the work must to do in the next step.
第一章 简要介绍梯度折射率光学器件、微小光学及高分子梯度折射率材料的发展和现状，以及本工作的研究内容和意义。
第二章 介绍了一般球梯度折射率光学器件的光线理论，并以Maxwell鱼眼微球透镜模型为例研究球梯度微透镜在成像及光耦合方面的性能，显示此类透镜的应用前景。
第三章 介绍应用悬浮扩散共聚法制备高分子GRIN透镜的机理，高分子材料的筛选、应用悬浮扩散共聚法制备GRIN微球透镜的工艺过程及对各种反应条件的控制。
第四章 介绍对所制备的此种介质球透镜的透过率、不圆度等重要光学参数的测量。重点阐述利用剪切干涉技术测量微球透镜的折射率分布曲线的方法和测量结果。
第五章 从测量所得折射率分布曲线出发，根据梯度介质球内光线传输的理论模型，用四阶runger-kutta方法进行光线追迹，计算了此种梯度球的纵横向球差等光学特性，给出所制作梯度折射率微球透镜成像性能的评价。
第六章 对本课题研究所取得的成绩、存在的问题和下一步要做的工作做一简要总结和展望。
This work studies a kind of polymer gradient reflective index (GRIN) micro-sphere-lens. It is
a new-type optics element, and its optical function is mainly achieved by the inhomogeneous reflective index distribution of the medium. It has such advantages ?simple geometric shape, small volume, short optical path, lightness in weight, easiness in producing by wholesale, etc. It has great potentialities in such fields as micro-optics, integrated optics and optics communication. We have completed the earlier stage research on theory analysis, fabricated the GRIN sphere lenses using two kind of monomer selected by suspension diffusion copolymerization method, measured their refractive index distribution curve and other optical parameters of them, and evaluated imaging quality on the basis of their distribution curve. This paper mainly elaborates these results in details.
Chapter 1. Simply introduce the background knowledge of gradient index optics, micro-optics and polymer gradient index material. Besides, elaborate the contents and significance of the research.
Chapter 2. An analysis is made on general optical character of spherical GRIN material and make an example of Maxwell fisheye lens model to elaborate the efficiency of imaging and coupling of the GRIN lens.
Chapter 3. Elaborate the theoretics of making polymer GRIN micro-lens by means of suspension-diffusion-copolymerization, include monomer selection, the process of suspension diffusion copolymerization and the condition control of the chemosynthesis process.
Chapter 4. Introduce the measurement of the common optics parameter of the medium lens, for example, light passing index, no-sphericity and so on, emphasize on the way and result of using shearing interferometric technique to measure the refractive index distribution curve of the micro-lens.
Chapter 5. Based on the measured refractive index distribution curve, according as the theoretical model of light transmission in the GRIN medium, using quadrivalent Runger-Kutta method to carry out the light tracking, by this means the mainly imaging character index of the
micro-lens such as foci, longitudinal and transverse spherical aberrations aberration etc is calculated.
i.
Chapter 6. A conclusion is made on the achievements in the finished work, the problems needing to be improved and the work must to do in the next step.
引文
1. J. C. Maxwell. Tile Scientific Papers of James Clerk Maxwell. W. D. Niven, Ed. Dover, New York, 1965
2. R. W. Wood. Physical Optics. Macmillan, New York, 1905
3. R. K. Luneberg. Mathematical Theory of Optics. U. California Press, Berkely, 1966
4. A. L. Mikaeliyan, Dokl. Akad. Nauk SSSR, 81, 569(1951)
5. D. W. Berreman, Bell Syst.Tech. J. 1964,43:1469
6. T. Uchida, M. Furukawa, I. Kitano, K. Koizumi, and H. Matsumura, IEEE J. Quantum Electron, QE-6,606(1970)
7. A. D. Person, W. G. Frech, and E. G. Rawson, Appl. Phys. Lett. 1969,15:76
8. D. T. Moore, and J. M. Stagaman, Appl. Opt., 1982,21:999
9. W. H. Southwell, J. Opt. Soc. Am., 1982,72:908
10．乔亚天．梯度折射率光学与通信(一)．西安邮电学院学报，1996，4(3)：6
11．刘德森 微小光学研究现状，1994，23(6)：321-328
12．刘德森，高应俊，变折射率介质的物理基础，国防工业山版让，1991．10
13．易佑民，张璞扬，光学技术，1995(4)：38-42
14．Kawazu M. Appl. Opt., 1980, 19: 1105
15．Nicia. A. Appl. Opt., 1981, 18: 3136
16．易佑民，章国顺，量子电子学，1995，12(2)：154-159
17．章国顺，易佑民．量子电子学，1996，13(4)：346．
18．易佑民等，安徽大学学报(自然科学版)，1994(4)：47-51
19．章国顺，易佑民，光学技术，1996(3)：23-26
20．夏茹，章于川，易佑民等，安大学报(自然科学版)2001，25(1)：73-78
21．易佑民，董亮伟，夏茹等，安大学报(自然科学版)2002，26(3)：23-28
22．易佑民，章于川，夏茹等，光子学报，2003，32(4)：425-428
23．Lightwave China, Feb/Mar 2003: 43-45
24．王克逸，第四届光子学学术会议论文集：101
25．乔亚天，梯度折射率光学，科学出版社，1991．9
26．葛炳恒，高分子梯度折射率材料的研究，博士学位论文
27．浙江大学分离工程教研组．化工过程中的传递现象．浙江大学，1982
28．Y Koike, Y. Sumi and Y. Ohtsuka. Spherical gradient-index sphere lens. Appl. Opt., 1986,25:3356-3363
29．田军，潘光明，徐锦芬．功能高分子学报．1995，8(4)：504
30．戴俊燕，刘德山．含氟聚酰亚胺的研究进展．功能高分子学报．1999，9(12)：337
31．荒井昭治等．三氟乙醇及其甲基丙烯酸酯．有机氟工业．2001，2：42
32．葛炳炳，周馨武．氟化高分子材料的光学特性及其应用．光学技术，1991，2：9
33．徐炽焕．作为光学材料的含氟聚酰亚胺，化工新型材料．1998，2：10
34．阿福尼娜，涅韦日娜，安德烈耶娃等．新型光学透明含氟聚合物．化工生产与技术．1997，3：58
35．储九荣，温序铭，徐传骧．氘化、氟化对塑料光纤损耗性能的影响．西安交通大学学报．2001，35(12)：1215
36．王睦铿．含氟聚酰亚胺的制备及应用，有机氟工业．1994，2：15
37．于建明．高分子分子设计在塑料光纤研制中应用．天津纺织工学院学报．1994，13(4)：24
38．张帆，张其锦．梯度折射率塑料光纤的研究进展．高分子通报．2000，1：33
39．黄汉生译．含氟丙烯酸酯聚合物的特性与应用．有机氟工业．1998，4：30
40．孟繁尘，杜援军．离子交换树脂珠体悬浮聚合技术探讨．辽宁化工．1999，28(6)：319
41．贺继东，王娟，李思东．N-苯基马来酰亚胺与苯乙烯共聚合的研究．功能高分子学报，1999，12(3)：19
42．C. E. 席尔奈希特主编．高分子方法．科学出版社
43．夏笃讳编泽．离子交换树脂．化学工业出版社，1983
44．潘祖仁等．高分子化学丛书—悬浮聚合．化学工业出版社，1997
45．刘龙孝，翁志学，黄志明等．高阻隔材料—偏氯乙烯悬浮共聚树脂．高分子通报．1996，2
46．Peraval Interphako Interference Microscope 使用说明书．
47．张宏绪，杨梦燕 光纤与电缆及其应用技术 1986(2)：11-14
48．大越孝敬，罔本胜就 通信光纤，人民邮电出版社，1989．8
49．林成森，数值计算方法，科学出版社，1999．3
2. R. W. Wood. Physical Optics. Macmillan, New York, 1905
3. R. K. Luneberg. Mathematical Theory of Optics. U. California Press, Berkely, 1966
4. A. L. Mikaeliyan, Dokl. Akad. Nauk SSSR, 81, 569(1951)
5. D. W. Berreman, Bell Syst.Tech. J. 1964,43:1469
6. T. Uchida, M. Furukawa, I. Kitano, K. Koizumi, and H. Matsumura, IEEE J. Quantum Electron, QE-6,606(1970)
7. A. D. Person, W. G. Frech, and E. G. Rawson, Appl. Phys. Lett. 1969,15:76
8. D. T. Moore, and J. M. Stagaman, Appl. Opt., 1982,21:999
9. W. H. Southwell, J. Opt. Soc. Am., 1982,72:908
10．乔亚天．梯度折射率光学与通信(一)．西安邮电学院学报，1996，4(3)：6
11．刘德森 微小光学研究现状，1994，23(6)：321-328
12．刘德森，高应俊，变折射率介质的物理基础，国防工业山版让，1991．10
13．易佑民，张璞扬，光学技术，1995(4)：38-42
14．Kawazu M. Appl. Opt., 1980, 19: 1105
15．Nicia. A. Appl. Opt., 1981, 18: 3136
16．易佑民，章国顺，量子电子学，1995，12(2)：154-159
17．章国顺，易佑民．量子电子学，1996，13(4)：346．
18．易佑民等，安徽大学学报(自然科学版)，1994(4)：47-51
19．章国顺，易佑民，光学技术，1996(3)：23-26
20．夏茹，章于川，易佑民等，安大学报(自然科学版)2001，25(1)：73-78
21．易佑民，董亮伟，夏茹等，安大学报(自然科学版)2002，26(3)：23-28
22．易佑民，章于川，夏茹等，光子学报，2003，32(4)：425-428
23．Lightwave China, Feb/Mar 2003: 43-45
24．王克逸，第四届光子学学术会议论文集：101
25．乔亚天，梯度折射率光学，科学出版社，1991．9
26．葛炳恒，高分子梯度折射率材料的研究，博士学位论文
27．浙江大学分离工程教研组．化工过程中的传递现象．浙江大学，1982
28．Y Koike, Y. Sumi and Y. Ohtsuka. Spherical gradient-index sphere lens. Appl. Opt., 1986,25:3356-3363
29．田军，潘光明，徐锦芬．功能高分子学报．1995，8(4)：504
30．戴俊燕，刘德山．含氟聚酰亚胺的研究进展．功能高分子学报．1999，9(12)：337
31．荒井昭治等．三氟乙醇及其甲基丙烯酸酯．有机氟工业．2001，2：42
32．葛炳炳，周馨武．氟化高分子材料的光学特性及其应用．光学技术，1991，2：9
33．徐炽焕．作为光学材料的含氟聚酰亚胺，化工新型材料．1998，2：10
34．阿福尼娜，涅韦日娜，安德烈耶娃等．新型光学透明含氟聚合物．化工生产与技术．1997，3：58
35．储九荣，温序铭，徐传骧．氘化、氟化对塑料光纤损耗性能的影响．西安交通大学学报．2001，35(12)：1215
36．王睦铿．含氟聚酰亚胺的制备及应用，有机氟工业．1994，2：15
37．于建明．高分子分子设计在塑料光纤研制中应用．天津纺织工学院学报．1994，13(4)：24
38．张帆，张其锦．梯度折射率塑料光纤的研究进展．高分子通报．2000，1：33
39．黄汉生译．含氟丙烯酸酯聚合物的特性与应用．有机氟工业．1998，4：30
40．孟繁尘，杜援军．离子交换树脂珠体悬浮聚合技术探讨．辽宁化工．1999，28(6)：319
41．贺继东，王娟，李思东．N-苯基马来酰亚胺与苯乙烯共聚合的研究．功能高分子学报，1999，12(3)：19
42．C. E. 席尔奈希特主编．高分子方法．科学出版社
43．夏笃讳编泽．离子交换树脂．化学工业出版社，1983
44．潘祖仁等．高分子化学丛书—悬浮聚合．化学工业出版社，1997
45．刘龙孝，翁志学，黄志明等．高阻隔材料—偏氯乙烯悬浮共聚树脂．高分子通报．1996，2
46．Peraval Interphako Interference Microscope 使用说明书．
47．张宏绪，杨梦燕 光纤与电缆及其应用技术 1986(2)：11-14
48．大越孝敬，罔本胜就 通信光纤，人民邮电出版社，1989．8
49．林成森，数值计算方法，科学出版社，1999．3