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.

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.

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.