Soczewka światłowodowa

Funkcja rozkładu współczynnika załamania

Soczewki światłowodowe (soczewki GRIN lub SELFOC) wykonuje się ze szkła o zmiennej wartości współczynnika załamania światła $n$ w funkcji odległości od osi soczewki $n=f(r).$ Są to w rzeczywistości krótkie odcinki światłowodów gradientowych. Nazwa GRIN pochodzi od angielskich słów GRadient INdex, a SELFOC od SELf FOCusing. Gradientowy profil współczynnika załamania powoduje krzywoliniowy bieg promieni, taki jak w światłowodzie gradientowym. Profil współczynnika załamania światła przypomina krzywą dzwonową, której maksimum znajduje się w osi soczewki, a jej ramiona opadają w dół (wykres funkcji obok).

Wykres funkcji można w pierwszym przybliżeniu opisać równaniem:

$N(r)=N_{0}\left(1-{\frac {A}{2}}r^{2}\right),$

gdzie:

$A=g^{2},$

$g$ – stała rozkładu współczynnika załamania,

$r$ – odległość punktu od osi soczewki,

$N_{0}$ – współczynnik załamania na osi soczewki.

Pełne równanie na profil rozkładu współczynnika załamania:

$N^{2}(r)=N_{0}^{2}(1-g^{2}+h_{4}g^{4}+h_{6}g^{6}+...),$

gdzie: $h_{4},$ $h_{6}$ – współczynniki rozwinięcia.

Typowe wymiary soczewek:

• długość: 3–30 mm
• średnica: 1–2 mm.

Podstawowe zastosowania

• Transformacja apertury numerycznej NA. Polega na kształtowaniu kąta rozbieżności źródła światła. Efekt transformacji apertury jest stosowany do zwiększenia skuteczności sprzężenia optycznego źródło-światłowód. Ze względu na duża rozbieżność wiązki wychodzącej ze źródła dąży się do wykonania soczewek o dużej aperturze numerycznej. Dla źródeł światła, takich jak lasery, których średnica powierzchni czynnej jest mniejsza od średnicy sprzęganego światłowodu, obniża się aperturę numeryczną wyjściową dopasowując ją do apertury numerycznej światłowodu. W efekcie uzyskuje się poprawę sprawności sprzężenia oraz obniżenie wymagań technicznych dotyczących precyzji ustawienia sprzęganych elementów. Na podobnej zasadzie soczewki te mogą być zastosowane do sprzężenia dwóch światłowodów.
• Ogniskowanie i kolimacja. Bardzo ważną funkcją soczewki światłowodowej jest ogniskowanie i kolimacja (tworzenie wiązki równoległej).
• Odpowiada za tworzenie obrazu w takich urządzeniach jak:
  • skaner,
  • ksero,
  • drukarka.
• Może spełniać rolę sprzęgacza kierunkowego.
• Multipleksowanie obrazu.