Введение

Градиентная оптика (GRIN) – это раздел оптики, изучающий оптические эффекты, возникающие из-за градиента показателя преломления материала. Подобное постепенное изменение позволяет создавать линзы с плоскими поверхностями или линзы, лишенные аберраций, характерных для традиционных сферических линз. Градиентные линзы могут иметь сферический, осевой или радиальный градиент показателя преломления.

В природе

Линза глаза является наиболее очевидным примером градиентной оптики в природе. В человеческом глазу показатель преломления линзы изменяется примерно от 1,406 в центральных слоях до 1,386 в менее плотных слоях линзы. Это позволяет глазу формировать изображения с высоким разрешением и низкой аберрацией на близком и дальнем расстоянии. Другим примером градиентной оптики в природе является распространенный мираж, когда на дороге в жаркий день кажется, что появляется лужа воды. На самом деле эта лужа – изображение неба, кажущееся расположенным на дороге, поскольку световые лучи преломляются (изгибаются) от своего нормального прямолинейного пути. Это происходит из-за изменения показателя преломления между горячим, менее плотным воздухом у поверхности дороги и более плотным холодным воздухом над ним. Изменение температуры (и, следовательно, плотности) воздуха создает градиент показателя преломления, который увеличивается с высотой. Этот градиент показателя преломления вызывает преломление световых лучей (под малым углом к дороге) от неба, отклоняя их в глаз наблюдателя, при этом их кажущееся местоположение находится на поверхности дороги. Атмосфера Земли действует как GRIN-линза, позволяя наблюдателям видеть солнце в течение нескольких минут после того, как оно фактически опустилось за горизонт, а также наблюдать звезды, находящиеся ниже горизонта. Плоская поверхность также позволяет легко оптически выравнивать GRIN-линзу с оптическим волокном для получения коллимированного пучка, что делает ее применимой для эндоскопии, а также для визуализации кальция in vivo и оптогенетической стимуляции мозга. В задачах визуализации GRIN-линзы в основном используются для уменьшения аберраций. Разработка таких линз включает в себя детальные расчеты аберраций, а также эффективное производство линз. Для изготовления GRIN-линз использовались различные материалы, включая оптические стекла, пластмассы, германий, селенид цинка и хлорид натрия. Антиотражающие покрытия обычно эффективны в узких диапазонах частот или углов падения. Материалы с градиентным показателем преломления менее ограничены в этом отношении. Осевая градиентная линза используется для концентрации солнечного света на солнечных элементах, улавливая до 90% падающего света, когда солнце находится не под оптимальным углом.

История

В 1854 году Дж. К. Максвелл предложил линзу, распределение показателя преломления которой позволило бы четко отображать любую точку пространства. Известная как линза «рыбий глаз» Максвелла (Maxwell fisheye lens), она предполагает сферическую функцию показателя преломления и, как ожидается, также имеет сферическую форму. Однако изготовление такой линзы непрактично, и она малопригодна для использования, поскольку четкое изображение формируется только для точек на поверхности и внутри линзы, а протяженные объекты страдают от сильных аберраций. В 1905 году Р. Вуд использовал метод погружения для создания желатинового цилиндра с градиентом показателя преломления, симметрично изменяющимся с радиальным расстоянием от оси. Позже было показано, что дискообразные срезы этого цилиндра имеют плоские поверхности с радиальным распределением показателя преломления. Он продемонстрировал, что, несмотря на плоские поверхности линзы, они действуют как собирающие или рассеивающие линзы в зависимости от того, уменьшается или увеличивается показатель преломления с увеличением радиального расстояния. В 1964 году была опубликована посмертная книга Р. К. Лунебурга, в которой он описал линзу, фокусирующую параллельные пучки света в точку на противоположной поверхности линзы. Это также ограничивало область применения линзы, поскольку было сложно использовать ее для фокусировки видимого света, однако она оказалась полезной в микроволновой технике. Спустя несколько лет были разработаны новые методы изготовления линз типа Вуда. С тех пор, по крайней мере, более тонкие линзы GRIN демонстрируют удивительно хорошие характеристики изображения, учитывая их простую механическую конструкцию, в то время как более толстые линзы GRIN нашли применение, например, в стержнях Selfoc.