聚合物轴向GRIN材料及器件的研制

论文摘要

梯度折射率材料（Gradient-Index，GRIN）是一种新型的光学材料，在光纤通讯系统及微型光学系统等领域具有重要的应用价值。它们可具有简单的几何形状，主要依靠介质折射率的非均匀性实现各种光学功能。因其体积小、光路短、重量轻、性能优越、易于生产、便于集成等优点，已受到广泛的重视。已成功研究开发的梯度折射率光学器件多采用无机材料制备，对高分子梯度折射率材料的研究则开始较晚，特别是对聚合物梯度折射率光学器件的研制刚起步。本工作将梯度折射率光学器件和聚合物梯度折射率材料两方面的课题结合起来，对不同配比的两种单体（MMA-6FBA）的混合溶液进行聚合反应，研究该体系折射率变化的范围，并分析了所得聚合物折射率随配比的变化关系。然后采用凝胶一扩散共聚法，用有机材料研制聚合物轴向梯度折射率材料，期望解决某些理论和工艺技术上的问题，并取得了一定的进展。本论文的主要工作包括以下内容：第一章：首先介绍了梯度光学材料的发展、现状和类型，并介绍了梯度折射率材料的类型和特点，在此基础上，提出了选题设想和依据。第二章：介绍了轴向GRIN平板的光线轨迹方程，并分析了轴向GRIN平板的一个光学特性。第三章：讨论了高分子的化学结构对高分子材料光学性能的影响，分析了制备轴向梯度折射率平板的单体体系的选择条件。分析了不同配比的两单体混合共聚情况，并研究了聚合温度、引发剂的用量及聚合时间在聚合反应中的影响。第四章：介绍了梯度光学材料制备的类型及方法，采用凝胶—扩散共聚法制备聚合物梯度折射率平板的实验过程和机理。并研究了聚合温度、引发剂的用量及聚合时间在聚合反应中的影响。第五章：分析了对聚合物轴向GRIN平板折射率的测量原理及测量步骤，并从模拟图样中计算出折射率分布情况。第六章：用光线追迹分析了轴向GRIN透镜成像的球差，并对该种光学器件与同等均匀介质透镜的球差作比较。第七章：归纳全文，并对本课题的进展、存在的问题以及进一步工作作了最后总结和展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 梯度折射率光学材料的发展及现状
• 1.2 梯度折射率材料的类型
• 1.2.1 轴向梯度折射率材料（A.GRIN）
• 1.2.2 径向梯度折射率材料（R.GRIN）
• 1.2.3 球对称梯度折射率材料（S.GRIN）
• 1.3 本课题的研究目的
• 1.4 本课题的研究意义
• 1.5 本课题的主要研究内容
• 第二章 轴向梯度折射率平板的基本理论
• 2.1 轴向梯度折射率平板中的光线方程
• 2.2 轴向梯度折射率平板的特性
• 第三章 不同折射率均质聚合物平板的制备
• 3.1 聚合物梯度折射率材料
• 3.1.2 高分子梯度折射率材料的特点
• 3.1.3 化学组成和结构对聚合物材料光学性能的影响
• 3.1.4 聚合物材料透光率的测定
• 3.2 单体的选择及其特点
• 3.2.1 单体体系的选择条件
• 3.2.2 单体及聚合物折射率的测量
• 3.2.3 单体体系的选择
• 3.2.4 含氟聚合物的特点
• 3.3 不同折射率均质聚合物平板的制备过程
• 3.3.1 实验过程
• 3.3.2 实验的过程与结果的影响因素
• 3.3.3 折射率测量结果
• 3.3.5 小结与讨论
• 第四章 聚合物轴向梯度折射率平板的制备
• 4.1 聚合物梯度折射率材料的类型及制备方法
• 4.2 凝胶-扩散共聚法制备聚合物 GRIN平板原理
• 4.2.1 直接凝胶-扩散共聚法
• 4.2.2 分层凝胶-扩散共聚法
• 4.3 聚合物轴向梯度折射率平板的制备过程
• 4.3.1 直接凝胶-扩散共聚制备聚合物轴向GRIN平板
• 4.3.2 分层凝胶-扩散共聚制备聚合物轴向GRIN平板
• 4.3.3 实验的过程与结果的影响因素
• 4.3.4 小结与讨论
• 第五章 聚合物轴向 GRIN平板折射率分布的测量
• 5.1 实验部分
• 5.1.1 测量装置原理及折射率计算的理论分析
• 5.1.2 样品切片的制备
• 5.1.3 折射率匹配液的配制
• 5.2 模拟图样分析折射率分布情况
• 第六章 聚合物轴向 GRIN透镜的研究
• 6.1 GRIN透镜的光线追迹
• 6.1.1 光线追迹简介
• 6.1.2 光线微分方程的降阶
• 6.1.3 光线追迹迭代公式的推导
• 6.1.4 折射率分布曲线的拟合
• 6.1.5 光线追迹的检验公式
• 6.2 轴向 GRIN透镜的球差
• 6.2.1 轴向GRIN透镜的球差理论分析
• 6.2.2 计算结果
• 6.2.3 一种轴向GRIN透镜的模型
• 第七章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文