一種梯度折射率石英玻璃透鏡的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于光學(xué)器件技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種梯度折射率石英玻璃透鏡，在其內(nèi)部沿徑向方向折射率連續(xù)減小或連續(xù)增大，折射率相對(duì)于透鏡的對(duì)稱軸呈圓對(duì)稱分布，實(shí)現(xiàn)與純石英玻璃折射率相比的最大折射率差為±0.08，所述透鏡不含有害的鉈、鉛重金屬元素，未鍍?cè)鐾改で闆r下，紫外?可見?紅外透光率最大可達(dá)91％，透鏡長(zhǎng)度范圍為1～50mm，直徑范圍為0.1～50mm。
【專利說明】
一種梯度折射率石英玻璃透鏡
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于光學(xué)器件技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種梯度折射率石英玻璃透鏡。
【背景技術(shù)】
[0002] 梯度折射率(GRIN)透鏡，是指材料內(nèi)部折射率沿某一方向連續(xù)變化的光學(xué)透鏡， 梯度折射率分布類型有三種:徑向梯度折射率、軸向梯度折射率、球面梯度折射率。徑向梯 度折射率透鏡應(yīng)用范圍最廣、最受關(guān)注，其中折射率沿徑向連續(xù)減小，且光能夠匯聚為一點(diǎn) 的稱為自聚焦透鏡;折射率沿徑向連續(xù)增大，對(duì)光起發(fā)散作用的稱為自散焦透鏡。自聚焦和 自散焦透鏡光路示意圖分別如圖1和圖2,光線在其中逐步匯聚或發(fā)散。梯度折射率透鏡具 有準(zhǔn)直、聚焦、發(fā)散、耦合及成像等特性，并能有效減少單色像差，包括球差、像差、畸變、場(chǎng) 曲和像散，加上它柱狀小巧的外形特點(diǎn)，可以在多種不同的微型光學(xué)系統(tǒng)中更加方便的使 用。梯度折射率透鏡是光通訊無源器件中必不可少的基礎(chǔ)元器件，并在集成光學(xué)領(lǐng)域如微 型光學(xué)系統(tǒng)、準(zhǔn)直器、激光器、光開關(guān)、醫(yī)用光學(xué)儀器、光學(xué)復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)、掃描儀等設(shè)備有 著廣泛的應(yīng)用。
[0003] 透鏡按材質(zhì)分類主要有玻璃和塑料兩大類。塑料鏡片易于成型、質(zhì)量輕、成本低且 使用廣泛，但受到塑料材質(zhì)先天致命缺點(diǎn)的影響，如熱膨脹、易吸水、不耐有機(jī)溶劑、光學(xué)系 數(shù)范圍窄且易隨溫度變化等缺點(diǎn)，仍難以取代玻璃鏡片在光學(xué)產(chǎn)品中的應(yīng)用。光學(xué)玻璃由 于其優(yōu)異的透光性能和熱膨脹、折射率方面的特性，在高層次的產(chǎn)品中仍然占據(jù)主導(dǎo)地位。 隨著精密光學(xué)系統(tǒng)的發(fā)展，梯度折射率玻璃應(yīng)用也越來越廣，光學(xué)系統(tǒng)對(duì)梯度折射率玻璃 的折射率分布和玻璃質(zhì)量都提出了更高的要求。
[0004] 從關(guān)于梯度折射率玻璃透鏡的專利分布來看，較多是基于梯度折射率透鏡在光器 件中的應(yīng)用展開的，而透鏡制備技術(shù)并不多，可見梯度折射率透鏡應(yīng)用廣而有效的制備手 段少。制備梯度折射率玻璃透鏡的常用方法包括:離子交換法、溶膠凝膠法、中子輻照法、體 擴(kuò)散法和化學(xué)氣相沉積等。
[0005] 離子交換方法是最早用來制備梯度折射率玻璃的方法，利用金屬離子濃度差異作 用下的擴(kuò)散性，離子迀移形成梯度折射率分布。離子交換有兩種方式：（1)熔體中的離子交 換。熔融玻璃拉絲法是一種一次成型的工藝，熔融的玻璃液澄清均化后，從下方擠出，成一 定直徑的玻璃棒，為了獲得梯度折射率，在玻璃液中心一定深度注入另一種組分玻璃液，經(jīng) 過一定的離子擴(kuò)散后，從下方擠出成型。專利CN1495139A中介紹了一種雙層熔體結(jié)構(gòu)，通過 離子擴(kuò)散獲得梯度折射率棒狀透鏡的方法。此法離子自由擴(kuò)散形成梯度折射率，很難控制 且易產(chǎn)生污染，從噴嘴口擠出時(shí)，容易發(fā)生反玻璃化，因此成品率較低，加之無法制備大體 積原件、工序復(fù)雜、制作成本高，顯然不能滿足對(duì)梯度折射率光學(xué)玻璃性能、產(chǎn)量的要求。 (2)固態(tài)下的離子交換。專利US6845634B2中將直徑1.8mm摻有鉈元素的玻璃棒，放置在硝酸 鉀的鹽浴鍋中，560°C加熱68~72小時(shí)，離子交換而形成拋物線型的折射率分布。此法樣品 必須有著較小的尺寸，才能達(dá)到一定的離子擴(kuò)散深度，花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，成品率低，對(duì)折射率分 布的控制能力有限。
[0006] 溶膠凝膠法以金屬醇鹽為原料，使之形成凝膠后干燥燒結(jié)制得梯度折射率玻璃 體，但該法制備的玻璃體較脆、透明度較差，且生產(chǎn)周期長(zhǎng)。體擴(kuò)散法是將不同折射率的玻 璃塊體，按折射率分布放置，并在一定熱處理?xiàng)l件下使界面融合，以獲得梯度折射率分布。 該法可獲得大尺寸元件，且初始折射率分布易于控制，但只能制備軸向梯度折射率透鏡，不 能設(shè)計(jì)徑向折射率分布。
[0007] 化學(xué)氣相沉積利用化學(xué)反應(yīng)在管內(nèi)或襯底上沉積玻璃，控制原料濃度以控制折射 率分布，該法控制精確，但操作困難，生產(chǎn)溫度高、周期長(zhǎng)。
[0008] 專利TW200641403A介紹了一種離子注入法，以透鏡為基體，金屬單質(zhì)在電場(chǎng)下離 子化，加速進(jìn)入透鏡，形成離子濃度梯度分布，獲得梯度折射率透鏡。該法能直接在透鏡中 形成梯度折射率，控制較為精確，但折射率只能沿軸向分布，且深度較淺，高能離子化對(duì)設(shè) 備要求較高。專利US005630857A介紹了一種多層不同密度玻璃熔體堆疊的方法，高密度熔 體在下方，低密度熔體依次傾倒其上，由密度差獲得梯度折射率差。此法僅適合一個(gè)方向的 梯度折射率玻璃，且過程較難控制，單層折射率分布不均勻。
[0009] 綜上所述，現(xiàn)有梯度折射率玻璃透鏡制備技術(shù)仍存在較多問題，包括很難實(shí)現(xiàn)折 射率徑向均勻變化的精確控制，較多工藝僅能達(dá)到單側(cè)或軸向折射率分布，不能實(shí)現(xiàn)折射 率的圓對(duì)稱分布。主流的離子交換工藝，在離子交換的過程中，控制溫度、時(shí)間及離子濃度、 電場(chǎng)等參數(shù)，徑向折射率分布以拋物線形為主，折射率分布類型有限，離子交換時(shí)間長(zhǎng)，僅 在樣品尺寸較小時(shí)起效，制備大尺寸透鏡有著很大的限制，且玻璃中的鉈、鉛等重金屬成分 對(duì)人體有害。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供了一種梯度折射率石英玻璃透鏡，旨在 提供包括徑向折射率漸變減小的石英玻璃透鏡和徑向折射率漸變?cè)龃蟮氖⒉Ａ哥R，解 決現(xiàn)有技術(shù)中石英玻璃透鏡不具有良好光學(xué)性能的技術(shù)問題。
[0011] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種梯度折射率石英玻璃透鏡，在其內(nèi)部沿徑 向方向折射率連續(xù)減小或連續(xù)增大，折射率相對(duì)于透鏡的對(duì)稱軸呈圓對(duì)稱分布，與純石英 玻璃折射率相比的最大折射率差為±0.08,所述透鏡的長(zhǎng)度范圍為1~50mm，直徑范圍為 0?1~50mm〇
[0012]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，在折射率區(qū)間[%02 -0.08，％03+0.08]內(nèi)，所述梯度 折射率石英玻璃透鏡在徑向方向上任一位置處的折射率與該位置到中心軸的距離之間可 以表示為任意多項(xiàng)式型的關(guān)系，其中為純石英的折射率。
[0013] 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述任意多項(xiàng)式型的關(guān)系包括三角函數(shù)型、直線型、拋 物線型、高次曲線型中的一種或幾種組合。
[0014] 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述梯度折射率石英玻璃透鏡在徑向方向上任一位置 處的折射率n滿足以下方程：
[0016] 其中，r為徑向方向上所述位置到中心軸的距離，i = 0、1、2……。 1 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)i=0時(shí)，所述梯度折射率石英玻璃透鏡為純石英玻 璃透鏡，折射率在徑向方向上相同。
[0018] 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)i = 2，ki = 0時(shí)，n(r)=k〇+k2r2,所述梯度折射率石英 玻璃透鏡的折射率在徑向方向上為拋物線形。
[0019] 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述梯度折射率石英玻璃透鏡的徑向截面為圓形。
[0020] 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述梯度折射率石英玻璃透鏡的入射及發(fā)射端面為平 面、球面或非球面。
[0021] 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述梯度折射率石英玻璃透鏡的組成為摻雜有Ge、F、 P、B中一種或多種元素的石英。
[0022] 與現(xiàn)有產(chǎn)品相比，本發(fā)明提供的梯度折射率石英玻璃透鏡，具有以下有益效果：
[0023] 1、本發(fā)明實(shí)施例提供的梯度折射率石英玻璃透鏡，實(shí)現(xiàn)不同的剖面折射率分布， 同時(shí)徑向方向上折射率控制更為精確，有著更好的使用效果。
[0024] 2、本發(fā)明實(shí)施例提供的梯度折射率石英玻璃透鏡，與通用的石英光纖材質(zhì)相同， 匹配度高，損耗低;其直徑范圍為0.1~50mm，透鏡尺寸范圍遠(yuǎn)超一般梯度折射率透鏡，降低 了在某些光學(xué)器件的使用要求，適應(yīng)大尺寸應(yīng)用場(chǎng)合。
[0025] 3、本發(fā)明實(shí)施例提供的梯度折射率石英玻璃透鏡，其摻雜元素不含鉈、鉛等有毒 重金屬離子，制備時(shí)間相對(duì)較短、且單次生產(chǎn)量大，能大大提高其效率。
[0026] 4、本發(fā)明實(shí)施例提供的梯度折射率石英玻璃透鏡，通過熔縮及拉制都能制備圓柱 狀玻璃，直接徑向切片，橫截面拋光即能得到梯度折射率透鏡，加工簡(jiǎn)單。
【附圖說明】
[0027] 圖1為平行光入射自聚焦玻璃透鏡光路示意圖；
[0028] 圖2為平行光入射自散焦玻璃透鏡光路示意圖；
[0029]圖3為本發(fā)明實(shí)施例中GRIN棒徑向折射率分布示意圖；
[0030]圖4為一種梯度折射率透鏡及折射率分布示意圖；
[0031 ]圖5為兩種類型的徑向折射率分布示意圖；
[0032] 圖6為本發(fā)明實(shí)施例一所述的自聚焦石英玻璃透鏡折射率分布圖；
[0033] 圖7為本發(fā)明實(shí)施例一所述的自聚焦石英玻璃透鏡透光率圖；
[0034] 圖8為本發(fā)明實(shí)施例三所述的自散焦石英玻璃透鏡折射率分布圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要 彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0036]在梯度折射率玻璃透鏡制造過程中的主要控制要素為:折射率分布均勻性及玻璃 品質(zhì)。在幾種方法中，化學(xué)氣相沉積是一種折射率精確控制的方法，本發(fā)明采用等離子體化 學(xué)氣相沉積(Plasma Chemical Vapor Deposition，PCVD)方法沉積梯度折射率石英玻璃， 該方法中爐體溫度更低，相比其他方法可以節(jié)省能耗。本發(fā)明方法中，微波腔產(chǎn)生的高頻微 波使〇2電尚形成等尚子體，原料分子受電子碰撞而分解電尚，并反應(yīng)沉積在襯管內(nèi)壁。隨著 諧振腔周期性的軸向運(yùn)動(dòng)，控制原料中Ge、F、P、B元素含量，沉積出一層層折射率漸變的玻 璃層，從而實(shí)現(xiàn)折射率徑向上對(duì)稱的均勻梯度分布。熔縮得到的實(shí)心GRIN棒，裂紋、氣泡等 缺陷少，透鏡品質(zhì)高。控制沉積時(shí)間及玻璃棒拉細(xì)的程度，能夠獲得不同直徑的圓柱形GRIN 棒，直接切片即可制備不同尺寸的梯度折射率玻璃透鏡。該工藝流程直接獲得使用所需直 徑的透鏡，再切割成不同的厚度，加工簡(jiǎn)便，效率高。
[0037]可以通過如下制備方法得到本發(fā)明的梯度折射率石英玻璃，步驟主要包括六部 分:沉積、熔縮、腐蝕、拉細(xì)、切割及拋光，具體地：
[0038] (1)沉積:氣體原料輸運(yùn)進(jìn)入PCVD石英襯管中，襯管外徑20~100mm。微波諧振腔內(nèi) 使得〇2電離，在900~1500 °C溫度下沉積玻璃層，控制Ge、F、P、B元素含量以獲得連續(xù)變化的 折射率分布。對(duì)石英玻璃而言，Ge是提高折射率的成分，F(xiàn)、P、B則會(huì)降低折射率。初始F、P、B 元素含量多Ge元素含量少，隨著沉積進(jìn)行F、P、B元素含量逐漸減少Ge元素含量逐漸增多，最 終可形成中心折射率高，徑向折射率逐漸降低的折射率分布。反之，則為中心折射率低，徑 向折射率逐漸升高的折射率分布。
[0039] 上述提供 Ge、F、P、B元素的成分可以為GeCl4、PCl3、P0Cl3、PF3、BCl 3、BF3、C2F6、CF4、 SF6。出于原料安全考慮，BF 3、PC13、PF3不予使用，以SiCl4質(zhì)量含量為一個(gè)單位，其他組分含 量分別為：GeCl4:0~50%，P0C1 3:0~10%，BC13:0~10%，C2F6+CF4+SF6:0~40%，〇2:100% ~200%。沉積時(shí)間6~20小時(shí)，沉積玻璃層數(shù)共1000~100000層，單層厚度范圍10nm~10y m。原料組成與折射率值之間由公式表示，通過校正實(shí)際測(cè)試折射率值與設(shè)定值之間的偏 差，調(diào)整組分比例，使得實(shí)際折射率愈趨近于設(shè)定值。
[0040] (2)熔縮：襯管中心無法沉積至封閉狀態(tài)，將襯管轉(zhuǎn)移至熔縮爐熔縮，在1500~ 2500°C高溫下，管內(nèi)部保持一定負(fù)壓，使玻璃管在內(nèi)外壓差及表面張力的作用下產(chǎn)生收縮， 襯管內(nèi)徑逐漸縮小至完全消失得到GRIN棒。熔縮過程中，層間離子擴(kuò)散使得折射率更加趨 于連續(xù)漸變。熔縮過程中，襯管不停旋轉(zhuǎn)，防止軟化時(shí)襯管彎曲，旋轉(zhuǎn)頻率10~l〇〇r/min，熔 縮完成后，GRIN棒直徑10~50mm。
[0041] 圖3為GRIN棒徑向折射率分布示意圖，其方程為：
[0043]式中，no:表示自聚焦透鏡的中心折射率
[0044] r:表示自聚焦透鏡的半徑
[0045] :表示自聚焦透鏡的折射率分布常數(shù)
[0047] 在折射率分布通式中，i = 2，ki = 0，k2 = _A/2,折射率即為拋物線形分布。
[0048] (3)腐蝕：由于PCVD沉積在襯管內(nèi)部進(jìn)行，所以熔縮后，最外層為非梯度折射率區(qū) 域，對(duì)中心有效區(qū)域能起到保護(hù)作用，避免化學(xué)或物理損害。折射率測(cè)試能夠確定GRIN棒芯 包層大小，可根據(jù)實(shí)際需求腐蝕部分外表面或不腐蝕，以獲得合適的芯包比。
[0049] (4)拉細(xì):將GRIN棒豎直懸吊于高溫爐內(nèi)，爐內(nèi)下方溫度1000~2200°C，玻璃逐漸 熔融后流下，經(jīng)過800~1200°C保溫爐，控制一定的下拉速度及進(jìn)給量，能夠準(zhǔn)確調(diào)控GRIN 棒直徑，拉制直徑越小，拉制速度越快，最快速度能達(dá)到2000m/min，拉細(xì)后直徑0.1~10mm， 將GRIN棒截?cái)喑?.1~3m長(zhǎng)度的短棒收集。與純石英折射率（％〇:2 )相比，最大折射率差A(yù) n 為±0 ? 08，折射率變化區(qū)間為[-0.08, +0.08], 最大為0 ? 535。
[0050] (5)切割:將未拉制及已經(jīng)拉制過的GRIN棒沿徑向切割，不同直徑的GRIN棒切割成 不同長(zhǎng)度的預(yù)型透鏡。中心與外層折射率差一定時(shí)，直徑越小，折射率曲率越大，折光效應(yīng) 越顯著，需要相對(duì)較短的長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)光的匯聚與發(fā)散。根據(jù)實(shí)際折射率分布來切割長(zhǎng)度，優(yōu)選 的長(zhǎng)度范圍1~50mm。
[0051]對(duì)于拋物線形折射率分布的自聚焦石英透鏡，根據(jù)不同波長(zhǎng)下的使用需求，切割 成不同的長(zhǎng)度。測(cè)試使用波長(zhǎng)下的折射率隨半徑分布曲線，計(jì)算折射率梯度常數(shù)&。"節(jié) 距" P指占光線在透鏡中傳播正弦波周期數(shù)值，一般為1/4周期左右，即平行光第一次與光軸 相交，同樣根據(jù)透鏡長(zhǎng)度，也可為l/4+n/2個(gè)正弦波周期。根據(jù)設(shè)定好的"節(jié)距"，由下式計(jì)算 透鏡所需長(zhǎng)度：
[0053]同樣，也能夠計(jì)算透鏡焦距：
[0055] (6)拋光：由于GRIN透鏡實(shí)際傳光區(qū)域不包含襯管熔縮而成的外層，外層可以起到 保護(hù)作用，GRIN棒側(cè)表面已經(jīng)為光滑的鏡面，不需要做過多處理，切割成的柱狀的預(yù)型透鏡 后，需要對(duì)切割截面進(jìn)行處理，切削拋光得到平面透鏡、球面透鏡或非球面透鏡。
[0056]圖4為一種拋物線形折射率分布的自聚焦透鏡示意圖，徑向截面上中心軸距離r處 折射率呈圓對(duì)稱，平行入射光線在中心匯聚。一般自聚焦透鏡以多元組分的硼硅酸鹽為主， 主要原因是該類玻璃形成溫度低，易于制備，特別是對(duì)于離子交換法，高溫下離子交換時(shí)間 長(zhǎng)，需要樣品有著相對(duì)較低的軟化溫度，離子才能更好的移動(dòng)以形成折射率差。而石英玻璃 熔融溫度高，顯然，離子交換法不適宜制備石英玻璃材質(zhì)的梯度折射率透鏡。但同時(shí)，石英 光學(xué)玻璃相比一般組分的光學(xué)玻璃，有著極大的優(yōu)勢(shì)，具有更好的透光率，具有更好的耐高 溫性能，硬度高、耐磨、耐腐蝕、耐熱震性，有著更小的熱膨脹系數(shù)，在光通信1310nm、1550nm 波段中有著更低的衰減系數(shù)，在惡劣工作場(chǎng)合下，石英玻璃是獲得高穩(wěn)定光學(xué)參數(shù)必不可 少的材料。
[0057] 常見的離子交換法，通過控制外界離子濃度、加熱溫度、時(shí)間等間接參數(shù)控制離子 擴(kuò)散分布，人為很難準(zhǔn)確調(diào)控折射率，折射率一般隨徑向表現(xiàn)為近似拋物線形分布。離子交 換法制備的透鏡尺寸小，直徑在數(shù)毫米以下，多采用鉈、鉛等有害重金屬離子進(jìn)行交換，且 離子交換時(shí)間長(zhǎng)、效率低。PCVD法能夠精確控制納米級(jí)厚度玻璃層摻雜元素含量，手段更為 直接，并根據(jù)需要，可以實(shí)現(xiàn)三角函數(shù)型、直線型、拋物線型、三次曲線型或其他高次曲線型 或多種曲線組合而成的折射率分布，總之，在我們所能達(dá)到的折射率區(qū)間內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)所需 的任意折射率分布。如圖5折射率分布示意圖中，1為拋物線形折射率分布，2為線性分布。
[0058] 進(jìn)一步地，為了制備本發(fā)明實(shí)施例提供的梯度折射率石英玻璃透鏡，以下給出了 幾種制備過程的實(shí)施例：
[0059] 實(shí)施例一
[0060] (1)直徑31謹(jǐn)?shù)氖⒉Ａбr管，厚2謹(jǐn)，安裝在PCVD設(shè)備上，通入SiCl4、C2F 6、GeCl4、 〇2氣體，爐體加熱溫度ll〇〇°C，在高頻微波作用下開始沉積，初始C 2F6含量處于最大值， GeCl4含量處于最小值，隨后C2F 6用量逐漸降低，GeCl4用量逐漸升高，一定階段C2F6降為0，繼 續(xù)通入GeCl4沉積，全過程沉積8個(gè)小時(shí)，PCVD自動(dòng)結(jié)束完成整個(gè)沉積過程。
[0061] (2)沉積完成后，轉(zhuǎn)移襯管至熔縮爐，在2100°C下熔縮，襯管以40r/min速度旋轉(zhuǎn)， 設(shè)定溫度程序，從中間開始形成密封后，向兩側(cè)擴(kuò)展，至中心孔道完全閉合，熔縮成直徑 25mm的GRIN棒。折射率曲線如圖6,折射率呈現(xiàn)水平的區(qū)域?yàn)橐r管部分，中心區(qū)域是折射率 表現(xiàn)為拋物線型的自聚焦透鏡部分，直徑19mm。初始通入較多量的C 2F6,折射率存在斷崖式 降低，隨后C2F6含量逐漸降低，GeCl 4含量逐漸增加，折射率呈拋物線型上升，最后階段持續(xù) 加大GeCl4用量進(jìn)一步提高折射率。中心拋物線部分，折射率隨徑向分布方程為：
[0063] 其中，
[0064] (3)將GRIN棒腐蝕至直徑21mm，得到0.9芯包比的GRIN棒，清洗為拉細(xì)工序做準(zhǔn)備。
[0065] (4)將腐蝕好的GRIN棒轉(zhuǎn)移拉細(xì)，GRIN棒豎直吊在爐體內(nèi)部，爐體下方溫度1800 °C，棒下端熔融變細(xì)并掉落，經(jīng)過800°C保溫爐，再經(jīng)過冷卻室，通過控制下方施加拉力及進(jìn) 給量調(diào)整得到直徑2mm的細(xì)GRIN棒，拉制速度SOm/minXRIN棒拉細(xì)后，中心與外層之間折射 率差值基本不變，由于直徑變小，值增大。
[0066] (5)將長(zhǎng)的細(xì)GRIN棒切割成2~20mm不等的預(yù)型透鏡，端面拋光成平行鏡面，即為 梯度折射率自聚焦玻璃透鏡。選取直徑l〇mm未鍍?cè)鐾改さ腉RIN透鏡測(cè)試透光率，如圖7，紫 外-可見-紅外均有著較高透光率，最大透光率為91 %。
[0067] 實(shí)施例二
[0068] (1)直徑35mm的石英玻璃襯管，厚3mm，安裝在PCVD設(shè)備上，通入SiCl4、C2F 6、SF6、02 氣體，爐體加熱溫度ll〇(TC，在高頻微波作用下開始沉積，生成F摻雜Si02,降低折射率。最 初通入少量的C2F6+SF6，沉積緩沖層，一段時(shí)間后，將C2F 6+SF6用量調(diào)至最大，隨后C2F6+SF6含 量逐漸降低，GeCl 4含量逐漸增加，沉積8個(gè)小時(shí)，完成整個(gè)沉積過程。
[0069] (2)沉積完成后，轉(zhuǎn)移襯管至熔縮爐，在2100°C下熔縮，襯管以60r/min速度旋轉(zhuǎn)， 設(shè)定溫度程序，從中間開始形成密封后，向兩側(cè)擴(kuò)展，至中心孔道完全閉合，熔縮成直徑 30mm 的 GRIN 棒。
[0070] (3)將該GRIN棒切割成長(zhǎng)度10~50mm不等的預(yù)型透鏡，端面拋光成鏡面，即為030 大尺寸的梯度折射率自聚焦玻璃透鏡。中心拋物線型區(qū)域?yàn)榉蠗l件的梯度折射率區(qū)域， 周圍部分可以切除掉，也可以作為透鏡封裝區(qū)域，起到固定的作用。
[0071] 實(shí)施例三
[0072] (1)直徑50mm的石英玻璃襯管，厚4mm，安裝在PCVD設(shè)備上，通入SiCl4、GeCl4、〇2氣 體，爐體加熱溫度1200 °C，在高頻微波作用下開始沉積，生成Ge摻雜Si02，初始通入GeCl4含 量逐漸增加，折射率提高。沉積2個(gè)小時(shí)后，GeCl4用量到一定值時(shí)，又逐漸降低，與此同時(shí)逐 漸添加C 2F6+CF4+P0C13,后續(xù)沉積時(shí)間8個(gè)小時(shí)，最終GeCl4用量到最低值，C 2F6+CF4+P0C13用 量到最大值，結(jié)束整個(gè)沉積過程，總沉積時(shí)間10個(gè)小時(shí)。
[0073] (2)沉積完成后，轉(zhuǎn)移襯管至熔縮爐，在2000°C下熔縮，襯管以40r/min速度旋轉(zhuǎn)， 設(shè)定溫度程序，從中間開始形成密封后，向兩側(cè)擴(kuò)展，至中心孔道完全閉合，熔縮成直徑 27mm的GRIN棒。折射率曲線如圖8，折射率表現(xiàn)為拋物線型的中心區(qū)域?yàn)樽陨⒔雇哥R部分， 直徑20mm。初始GeCl 4含量逐漸升高，折射率上升，隨后其含量下降，而F、P元素含量增加，折 射率出現(xiàn)拋物線型降低。
[0075]其中，n〇=l .4355，、/^" =0.0226cm-1。.
[0076] (3)將GRIN棒腐蝕至直徑25mm，得到0.8芯包比的GRIN棒，清洗干凈為拉細(xì)工序做 準(zhǔn)備。
[0077] (4)將熔縮好的GRIN棒轉(zhuǎn)移拉細(xì)，將其豎直吊在爐體內(nèi)部，爐體下方溫度1900°C， 棒下端熔融變細(xì)并掉落，經(jīng)過800°C保溫爐，再經(jīng)過冷卻室，通過控制下方施加拉力及進(jìn)給 量調(diào)整得到直徑2mm的細(xì)GRIN棒，拉制速度SOm/miruGRIN棒拉細(xì)后，中心與外層之間折射率 差值基本不變，由于直徑變小，&值增大。
[0078] (5)將長(zhǎng)的細(xì)GRIN棒切割成2~20mm不等的預(yù)型透鏡，一側(cè)端面拋光成垂直中心軸 的鏡面，另一側(cè)拋光成與中心軸8°角鏡面，即為梯度折射率自散焦玻璃透鏡。
[0079] 實(shí)施例四
[0080] (1)直徑45mm的石英玻璃襯管，厚4mm，安裝在PCVD設(shè)備上，通入SiCl4、GeCl4、〇2氣 體，爐體加熱溫度1200°C，在高頻微波作用下開始沉積，生成Ge摻雜Si0 2，提高折射率。初始 GeCl4含量逐漸升高至一定值，后逐漸降低，與此同時(shí)逐漸添加C2F6+CF4+BCI3，沉積8個(gè)小時(shí)， 完成整個(gè)沉積過程。
[0081] (2)沉積完成后，轉(zhuǎn)移襯管至熔縮爐，在2000°C下熔縮，襯管以60r/min速度旋轉(zhuǎn)， 設(shè)定溫度程序，從中間開始形成密封后，向兩側(cè)擴(kuò)展，至中心孔道完全閉合，熔縮成直徑 30mm 的 GRIN 棒。
[0082] (3)直接將該GRIN棒切割成10~50mm不等的預(yù)型透鏡，端面拋光成鏡面，即為梯度 折射率自散焦玻璃透鏡。中心拋物線型區(qū)域?yàn)榉蠗l件的梯度折射率區(qū)域，周圍部分可以 切除掉，也可以作為透鏡封裝區(qū)域，起到固定的作用。
[0083]明顯地，本發(fā)明采用PCVD方法制造梯度折射率玻璃透鏡，能夠自由而精確的控制 折射率分布，折射率呈中心對(duì)稱分布，不同尺寸透鏡呈較好的圓柱狀，以上實(shí)施例僅做簡(jiǎn)要 說明。
[0084]本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以 限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含 在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種梯度折射率石英玻璃透鏡，其特征在于，在其內(nèi)部沿徑向方向折射率連續(xù)減小 或連續(xù)增大，折射率相對(duì)于透鏡的對(duì)稱軸呈圓對(duì)稱分布，與純石英玻璃折射率相比的最大 折射率差為±0.08，未鍛增透膜情況下，紫外-可見-紅外透光率最大可達(dá)91 %，所述透鏡的 長(zhǎng)度范圍為1~50mm，直徑范圍為0.1~50mm。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的梯度折射率石英玻璃透鏡，其特征在于，在折射率區(qū)間 ["SK，.: -0.08，"、,<，: +化08]內(nèi)，其徑向方向上任一位置處的折射率與該位置到中屯、軸的距離 之間可W表示為任意多項(xiàng)式型的關(guān)系，其中為純石英的折射率。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的梯度折射率石英玻璃透鏡，其特征在于，所述任意多項(xiàng)式型的 關(guān)系包括S角函數(shù)型、直線型、拋物線型、高次曲線型中的一種或幾種組合。4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的梯度折射率石英玻璃透鏡，其特征在于，在徑向方向上任 一位置處的折射率n滿足W下方程：其中，r為徑向方向上所述位置到中屯、軸的距離，i = 0、l、2……。5. 據(jù)權(quán)利要求4所述的梯度折射率石英玻璃透鏡，其特征在于，當(dāng)i = 0時(shí)，為純石英玻 璃透鏡，折射率在徑向方向上相同。6. 據(jù)權(quán)利要求4所述的梯度折射率石英玻璃透鏡，其特征在于，當(dāng)i = 2，ki = 0時(shí)，n(;r) = ko+k2r2，折射率在徑向方向上為拋物線型。7. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的梯度折射率石英玻璃透鏡，其特征在于，其徑向截面為圓 形。8. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的梯度折射率石英玻璃透鏡，其特征在于，其入射及發(fā)射端 面為平面、球面或非球面。9. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的梯度折射率石英玻璃透鏡，其特征在于，其組成為滲雜有 Ge、F、P、B中一種或多種元素的石英玻璃。
【文檔編號(hào)】C03C15/00GK105911619SQ201610398866
【公開日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年6月7日
【發(fā)明人】毛召召, 熊良明, 羅杰, 郭飛, 郭王歡
【申請(qǐng)人】長(zhǎng)飛光纖光纜股份有限公司