- Gradientenindex-Linse
-
Eine Gradientenlinse mit parabolischer Änderung der Brechzahl (n) entlang des radialen Abstandes (x). Die Linse bündelt Licht in gleicher Weise wie eine konventionelle Linse.Die Gradientenoptik ist ein Teilbereich der Optik und befasst sich mit den optischen Effekten in Materialien, die einen kontinuierlichen Übergang (Steigung oder Gradient) zwischen verschiedenen Brechzahlen aufweisen. Bewegt sich Licht durch solche Materialien, so kommt es je nach Einfallsrichtung zu einer bogenförmigen Ablenkung der Ausbreitungsrichtung.
Inhaltsverzeichnis
Grundlagen
Die Lichtablenkung in einem Medium mit inhomogener Brechzahl kann mit den Gesetzen der Brechung und der Totalreflexion erklärt werden. Wie bei jenen breitet sich das Licht so aus, dass die Wellenfronten in den unterschiedlichen optischen Medien auch dann zueinander passen, wenn die Ausbreitungsgeschwindigkeit und damit die Brechzahl und die Wellenlänge voneinander abweichen.
Für den Brechungswinkel oder den Beginn der Totalreflexion beim Übergang vom optisch dichteren Medium in ein optisch dünneres ist es daher bei einer Betrachtung von außen unerheblich, ob der Übergang der Brechzahl abrupt oder allmählich erfolgt.
Gradientenlinsen
Die optischen Eigenschaften kontinuierlicher Materialübergänge werden unter anderem in Gradientenlinsen (GRIN- / Gradienten-Index-Linsen[1]) genutzt. Dies sind optische Bauteile, die eine radial abnehmende Brechzahl (auch: Brechungsindex) besitzen. Meist nimmt die Brechzahl quadratisch mit dem Abstand zur Mitte ab (Parabelfunktion). Ein Stab aus einem solchen Material wirkt wie eine gewöhnliche Sammellinse, besitzt aber an den Lichtein- und Lichtaustrittsseiten plane Oberflächen. Dadurch werden die Montage, die Miniaturisierung und die Verbindung mit nachfolgenden optischen Elementen vereinfacht. Die flache Oberfläche solcher Linsen stellt insbesondere bei der Ankopplung an Lichtwellenleiter einen großen qualitativen Vorteil gegenüber konventionellen Linsen dar.
GRIN-Linsen werden auch dort häufig verwendet, wo zahlreiche optische Elemente auf kleinem Raum verbaut werden müssen, z. B. in Fotokopierern und Scannern).
Die verbreitetste Herstellungsmethode für gläserne GRIN-Linsen ist der Ionenaustausch. Beispielsweise kann natriumhaltiges Glas in flüssiges Lithium getaucht werden. Durch Diffusion wird dabei ein Teil der Na+-Ionen des Glases gegen Li+-Ionen ausgetauscht, wobei der resultierende Lithiumgehalt an der Oberfläche höher ist als in der Tiefe des Materials. Somit weist die Glasprobe nach der Behandlung einen Materialgradienten und einen korrespondierenden Brechzahlgradienten auf.
Gradientenindexfasern
Bestimmte Lichtwellenleiter (Gradientenindexfasern) besitzen ebenfalls eine radial nach außen hin abnehmende Brechzahl anstelle eines abrupt beginnenden Claddings. Mit Gradientenindexfasern ist eine erhebliche Verringerung der intermodalen Dispersion in Multimode-Fasern möglich.
Weitere Beispiele
Ein alltägliches Beispiel für einen gradientenoptischen Effekt ist die Fata Morgana, die zum Beispiel über dem Asphalt einer Straße an einem heißen Tag die Illusion einer spiegelnden Wasseroberfläche entstehen läßt. Das Spiegelbild (Abbild des Himmels) entsteht, da Lichtstrahlen von ihrer normalen gradlinigen Ausbreitungsrichtung weg abgelenkt werden. Die Ablenkung erfolgt, da die heiße Luft knapp über der Straßenoberfläche eine geringere optische Brechzahl besitzt als die kühlere und dichtere Luft darüber, und die Brechzahl daher mit der Höhe zunimmt. Dieser Brechzahl-Gradient bewirkt, dass Lichtstrahlen von einem Himmelsausschnitt hinter der Straße, die in flachem Winkel in Richtung Straßenoberfläche fallen, bogenförmig zurück nach oben und ins Auge des Betrachters gelenkt werden.
Auch die Augenlinse des menschlichen Auges besitzt eine radial abnehmende Brechzahl, die zusammen mit der Linsenform die Fokussierung des einfallenden Lichtes bewirkt.
Ebenso vermögen Inversionsschichten (siehe Inversionswetterlage) Ultrakurzwellen zu beugen und ein Stück um die Erdkrümmung zu leiten – dadurch entstehen Überreichweiten.
Siehe auch
Weblinks
Einzelnachweise
Wikimedia Foundation.
