中远红外波段自聚焦透镜可行性验证：来自Phasics SID4-DWIR 的关键支持

什么是 GRIN 材料？

在均匀介质中，光以直线传播，其传播速度由材料的折射率决定。而在折射率沿空间坐标连续变化的介质中，光线会不断向折射率较高的区域弯曲传播，最终形成聚焦、准直或整形等特定光学行为。这一特性构成了梯度折射率（Gradient-Index, GRIN）光学结构的物理基础。

自聚焦透镜（G-lens）是典型的 GRIN 光学元件，其核心在于透镜材料内部的折射率沿径向方向逐渐减小，通常符合抛物线型或近似二次函数型分布。当光线进入这类结构时，将在透镜内部连续发生微小偏折，形成平滑且高效的汇聚过程，而不依赖于几何曲率表面所引入的离散光程差。

与传统球面透镜相比(如图1)，G-lens 的成像路径更紧凑、波前畸变更小、适配光纤或微型探头的能力更强，特别适合用于通信耦合、激光准直、微成像系统等空间受限场合。

图1: 左:普通透镜光线传播示意图  右:自聚焦透镜光线传播示意图

在工业与科研实践中，GRIN结构被广泛用于多种光学系统中。例如，通信领域常用的石英GRIN光纤可通过芯部折射率梯度实现高效信号传输；医疗成像中微型内窥镜使用离子交换玻璃制备的GRIN自聚焦透镜来完成紧凑空间内的图像采集；而在激光整形与准直系统中，GRIN柱面透镜则用于控制光束发散度与形貌。这些 GRIN 光学元件多工作于可见光和近红外波段，制备工艺相对成熟，商业化程度高。 相比之下，涵盖 3–14 µm 的中长波红外（MWIR–LWIR）波段的 GRIN 材料研究起步较晚，相关商业产品仍处于空白阶段。

早期曾提出理论设计，如 ZnS/ZnSe 层状结构，但因材料工艺限制未能实现。近年来的研究表明，红外GRIN透镜在尺寸、重量、功耗、成本优化方面具有显著潜力，特别是在中波与长波红外（DWIR, 3–14 µm）多光谱系统中，这类元件具备显著潜力，有望实现更紧凑、更轻量化的光学设计。这类元件的核心特点在于其材料内部沿径向方向具有连续变化的折射率分布。

然而，迄今为止尚无成熟的商业化红外 GRIN 光学元件。其主要技术瓶颈在于：如何实现高精度、高稳定性、高重复性的折射率梯度写入过程，尤其是在红外透明材料中。

为突破上述限制，近期一项发表在 Advanced Functional Materials 的研究工作提出了一种适用于红外波段的新型 GRIN 材料制备策略。该方法基于银离子（Ag⁺）和钠离子（Na⁺）之间的离子交换过程，在红外透明的硫系玻璃中实现了可控的径向折射率梯度写入。

所使用的玻璃基体配方为：(0.72GeSe₂–0.28Ga₂Se₃)₇₅(NaI)₂₅，该材料在典型中远红外波段（ 3–5 µm 与 8–14 µm）具有良好的透射性能。整体工艺包括以下两步：

• 初步交换阶段：将玻璃样品表面抛光后埋入由 KNO₃ 与 AgNO₃ 按质量比 80:20 混合的固态粉末中，于 250 °C 处理 3 小时，使 Ag⁺ 离子从玻璃表面开始交换进入。

• 热处理阶段：将样品置于玻璃转变温度（Tg ≈ 310 °C）下退火 6 或 24 小时，进一步促进 Ag⁺ 离子向样品内部径向扩散。

该方法不同于传统熔盐离子交换，采用全固态环境，可有效避免熔融 AgNO₃ 对玻璃基体造成的腐蚀或分解风险。扩散过程无需任何化学气氛或机械应力调节，具有较好的可控性与重复性。

实验结果显示，在总处理时间不足 27 小时的条件下，Ag⁺ 离子已从样品表层扩散至核心区域（直径约 10 mm），显著快于传统 Na⁺/K⁺ 离子交换方法（通常需 40 天）。此外，折射率差值 Δn 在 10.6 µm 波长下达到 约 1.8 × 10⁻¹，为当前报道中硫系玻璃体系的最高水平之一。

红外折射率梯度的定量测量：

基于波前分析的验证方法

为什么需要定量测量折射率梯度？

在折射率分布被“写入”材料之后，仅通过工艺参数无法判断实际形成的梯度质量与分布特性。特别是在红外波段，常规的干涉测量手段受限于激光源、器件稳定性和干涉系统设计，难以实现高分辨率、全视场的波前测量。

对于 GRIN 材料而言，波前信息直接反映其内部折射率分布及其对光线传播路径的调制能力。建立折射率分布与光程差（OPD, Optical Path Difference）之间的关系，并实现面阵定量测量，是验证GRIN光学性能的核心步骤。

为实现红外波段下的精确波前测量，研究团队采用了 Phasics SID4-DWIR红外波前传感器。该设备基于四波横向剪切干涉技术（QWLSI），可在无干涉条纹、无扫描条件下，直接获取传输波前上的相位分布信息。

实验中，研究人员使用 CO₂ 激光（λ = 10.6 µm）作为光源，记录样品透射后的波前变化，如下图所示：

图2 :（左）实验光路示意图；（右）不同退火时间样品在 CO₂ 激光下的 OPD 分布图  Image source from Advanced Functional Materials (Wiley, 2024), DOI: 10.1002/adfm.202312275

样品被紧贴放置在SID4-DWIR红外波前传感器前，以最小化边缘发散对信号采集的影响。结果显示：对于退火时间为6小时的样品，其中心区域折射率尚未显著提升，OPD 图呈中心平坦分布；对于退火时间为24小时的样品，波前呈现抛物型相位延迟，表明已形成典型的径向折射率分布，聚焦能力增强。

在测量过程中，由于 Ag⁺ 浓度在样品边缘区域最高，对应的折射率也最大，部分区域会形成负焦距透镜效应（diverging lens effect）。这使得边缘出射光束的发散角过大，超过了波前传感器的视场范围，导致部分数据缺失。

为了尽量减少该效应，研究人员将样品尽可能靠近相机传感面放置。然而，这一设置仍未完全避免边缘区域的测量盲区。这一现象说明：对于高梯度红外 GRIN 材料的测量，应在视场、样品定位与波前传感器接受角之间进行权衡设计。

图3:使用 Phasics SID4-DWIR 在 10.6 µm 波长下获得的两种 GRIN 样品的三维光程差分布图。(a) 退火 6 小时样品：折射率梯度集中于边缘，中心区域平坦，银离子尚未完全扩散至核心，测得最大 Δn ≈ 1.6 × 10⁻¹。(b) 退火 24 小时样品：折射率分布呈二次多项式形态，银离子已扩散至中心，形成完整径向 GRIN 结构，测得最大 Δn ≈ 1.8 × 10⁻¹。Image source from Advanced Functional Materials (Wiley, 2024), DOI: 10.1002/adfm.202312275

研究团队基于测得 OPD 数据，反演得到径向折射率分布曲线，显示退火24小时样品在半径方向上形成了接近抛物函数的连续折射率梯度。Δn 达到约 1.8×10⁻¹，为目前公开报道中在中远红外波段实现的最大值之一。 

研究团队成功实现了非接触式、定量化的波前测量。该成果不仅展示了一种适用于中长波红外（MWIR–LWIR）波段的 GRIN 材料制备策略，也进一步验证了Phasics SID4-DWIR在红外折射率梯度评估中的技术可靠性与广泛适用性。

图4 Phasics SID4-DWIR

Phasics SID4-DWIR是市面上唯一同时覆盖 3–5 µm 中红外与 8–14 µm 远红外的双波段波前传感器，专为表征红外透镜、热像系统、3.39 µm 或 10.6 µm 激光等典型红外光学元件而设计。该系统提供 160×120 像素的高分辨波前图像、68 µm 的空间采样精度与 25 nm RMS 的相位灵敏度，具备实时采集与处理能力，无需转换镜片即可兼容高数值孔径光束，支持快速且非接触的完整面阵测量。

SID4-DWIR已广泛应用于红外激光检测、等离子体调控、自适应光学评估及红外系统装调验证中。其紧凑结构与工业级接口设计（以太网通信）使其既适配科研环境，也适用于集成化测试平台。

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Reference:

Fourmentin C., Guichard J., Druart G., et al. Infrared Gradient Refractive Index (GRIN) Materials Through Fast Solid–Solid Na⁺/Ag⁺ Ionic Exchange in Chalco‑Halide Glasses. Advanced Functional Materials, 2024.  DOI: 10.1002/adfm.202312275.