Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Градиенттік индекс (GRIN) оптикасы – материалдың сыну индексі градиентінен туындайтын оптикалық эффекттерді зерттейтін оптика саласы. Мұндай біртіндеп өзгеру, жалпақ беттері бар немесе дәстүрлі шар тәрізді линзаларға тән аберрациялары жоқ линзалар жасау үшін қолданылуы мүмкін. Градиенттік индекс линзаларында сфералық, осьтік немесе радиалдық рефракция градиенті болуы мүмкін.
Gradient index (GRIN) optics is the branch of optics covering optical effects produced by a gradient of the refractive index of a material. Such gradual variation can be used to produce lenses with flat surfaces, or lenses that do not have the aberrations typical of traditional spherical lenses. Gradient index lenses may have a refraction gradient that is spherical, axial, or radial.
Табиғатта
Көздің линзасы табиғаттағы градиенттік индекстік оптиканың ең айқын мысалы болып табылады. Адам көзінде линзаның сыну индексі орталық қабаттарында шамамен 1,406-дан басталып, линзаның тығыздығы төмен қабаттарында 1,386-ға дейін төмендейді. Бұл көзге жақын және алыс қашықтықта жақсы ажыратымдылықпен және аз аберрациямен бейнелеуге мүмкіндік береді. Табиғаттағы градиенттік индекстік оптиканың тағы бір мысалы – ыстық күні жолда пайда болатын су көлбесінің жалған көрінісі. Бұл көл шындығында аспанның бейнесі болып табылады, себебі жарық сәулелері тік сызықты жолынан (бұрылады) сығады. Бұл жолдың бетіндегі ыстық, тығыздығы төмен ауа мен оның үстіндегі салқын, тығыз ауа арасындағы сыну индексінің өзгеруіне байланысты. Ауаның температурасының (демек, тығыздығының) өзгеруі оның сыну индексінде градиентті тудырады, ол биіктікпен бірге артады. Бұл индекстік градиент аспаннан келген жарық сәулелерін (жолға аз бұрышта) сынуға алып келеді, оларды көрерменнің көзіне бұрып, олардың көрінетін орны жолдың беті болып сезіледі. Жер атмосферасы GRIN линзасы ретінде әрекет етеді, бұл бақылаушыларға күн шындығында көкжиектің астында болғаннан кейін де бірнеше минут бойы оны көруге мүмкіндік береді, сондай-ақ көкжиектің астындағы жұлдыздарды да көруге болады. Жүйкелі бет GRIN линзасын талшыққа оптикалық түрде оңай бейімдеуге мүмкіндік береді, нәтижесінде коллимдеуленген шығыс алынады, бұл оны эндоскопияда, сондай-ақ тірі организмдегі кальций бейнелеуі мен мидағы оптогенетикалық стимуляцияда қолдануға ыңғайлы жасайды. Бейнелеу саласында GRIN линзалары негізінен аберрацияларды азайту үшін қолданылады. Мұндай линзаларды жобалауда аберрацияларды егжей-тегжейлі есептеу және линзаларды тиімді өндіру қажет. GRIN линзалары үшін оптикалық шынылар, пластик, германий, мырыш селениді және натрий хлориді сияқты әртүрлі материалдар қолданылған. Жарықтандыруға қарсы жабындар әдетте жиіліктің тар диапазонында немесе түсу бұрышында тиімді болады. Градиенттік индекстік материалдар шектеулерге аз ұшырайды. Күн сәулесінің 90% дейін, күн бұрышы оңтайлы болмаған кезде, күн батареяларына шоғырландыру үшін осьтік градиентті линза қолданылған.
The lens of the eye is the most obvious example of gradient index optics in nature. In the human eye, the refractive index of the lens varies from approximately 1.406 in the central layers down to 1.386 in less dense layers of the lens. This allows the eye to image with good resolution and low aberration at both short and long distances. Another example of gradient index optics in nature is the common mirage of a pool of water appearing on a road on a hot day. The pool is actually an image of the sky, apparently located on the road since light rays are being refracted (bent) from their normal straight path. This is due to the variation of refractive index between the hot, less dense air at the surface of the road, and the denser cool air above it. The variation in temperature (and thus density) of the air causes a gradient in its refractive index, causing it to increase with height. This index gradient causes refraction of light rays (at a shallow angle to the road) from the sky, bending them into the eye of the viewer, with their apparent location being the road's surface. The Earth's atmosphere acts as a GRIN lens, allowing observers to see the sun for a few minutes after it is actually below the horizon, and observers can also view stars that are below the horizon. The flat surface also allows a GRIN lens to be easily optically aligned to a fiber, to produce collimated output, making it applicable for endoscopy as well as for in vivo calcium imaging and optogenetic stimulation in brain. In imaging applications, GRIN lenses are mainly used to reduce aberrations. The design of such lenses involves detailed calculations of aberrations as well as efficient manufacture of the lenses. A number of different materials have been used for GRIN lenses including optical glasses, plastics, germanium, zinc selenide, and sodium chloride. Antireflection coatings are typically effective for narrow ranges of frequency or angle of incidence. Graded index materials are less constrained. An axial gradient lens has been used to concentrate sunlight onto solar cells, capturing as much as 90% of incident light when the sun is not at an optimal angle.
Тарих
1854 жылы Дж. К. Максвелл жарық сыну индексінің таралуы кеңістіктің кез келген аймағын анық бейнелеуге мүмкіндік беретін линзаны ұсынды. Максвеллдің балық көзі линзасы деп аталатын бұл линза сфералық индекс функциясына ие және сфералық пішінде болуы күтіледі. Дегенмен, бұл линзаны жасау қиын, және оның пайдасы шамалы, себебі тек линза бетіндегі және ішіндегі нүктелер ғана анық бейнеленеді, ал кеңейтілген объектілер күшті аберрацияларға ұшырайды. 1905 жылы Р. В. Вуд суға батыру әдісін қолданып, радиалды қашықтыққа қарай өзгеріп отыратын жарық сыну индексі градиентіне ие желатин цилиндрін жасады. Кейін цилиндрдің дискі тәрізді кесінділерінде радиалды индекс бойынша таратылған жазық беттер бар екені көрсетілді. Ол линза беттері тегіс болғанымен, радиалды қашықтыққа қатысты индекс төмендесе немесе жоғарыласа, олардың жинақтағыш немесе таратушы линза сияқты әрекет ететінін көрсетті. 1964 жылы Р. К. Лунбергтің өлімінен кейін жарық көрген кітабында ол кіріс параллель жарық сәулелерін линзаның қарама-қарсы бетіндегі бір нүктеге шоғырландыратын линзаны сипаттады. Бұл линзаның қолданылуын шектеді, өйткені оны көрінетін жарықты шоғырландыру үшін пайдалану қиын болды, бірақ микротолқынды қолдануда белгілі бір пайдалы болды. Кейінгі жылдары Вуд типті линзаларды жасаудың бірнеше жаңа әдістері әзірленді. Содан бері, кемінде жұқа GRIN линзалары өте қарапайым механикалық құрылымын ескеретін болса, таңқаларлықтай жақсы бейнелеу қасиеттеріне ие болуы мүмкін, ал қалың GRIN линзалары, мысалы, Selfoc таяқшаларында қолданылды.
In 1854, J C Maxwell suggested a lens whose refractive index distribution would allow for every region of space to be sharply imaged. Known as the Maxwell fisheye lens, it involves a spherical index function and would be expected to be spherical in shape as well. This lens, however, is impractical to make and has little usefulness since only points on the surface and within the lens are sharply imaged and extended objects suffer from extreme aberrations. In 1905, R. W. Wood used a dipping technique creating a gelatin cylinder with a refractive index gradient that varied symmetrically with the radial distance from the axis. Disk shaped slices of the cylinder were later shown to have plane faces with radial index distribution. He showed that even though the faces of the lens were flat, they acted like converging and diverging lens depending on whether the index was a decreasing or increasing relative to the radial distance. In 1964, a posthumous book of R. K. Luneburg was published in which he described a lens that focuses incident parallel rays of light onto a point on the opposite surface of the lens. This also limited the applications of the lens because it was difficult to use it to focus visible light; however, it had some usefulness in microwave applications. Some years later several new techniques have been developed to fabricate lenses of the Wood type. Since then at least the thinner GRIN lenses can possess surprisingly good imaging properties considering their very simple mechanical construction, while thicker GRIN lenses found application e. g. in Selfoc rods.