軸向梯度折射率(AGRIN)透鏡技術向光學設計人員提供了一種簡化光學系統設計、擴大系統性能的新方法。AGRIN透鏡通過精確和反復校正透鏡材料的球面象差，可獲得比非球面透鏡及雙片透鏡更好的光學性能。這類透鏡特別適用于激光系統，可獲得更好的近衍射極限的聚焦性能，耐受更高的光功率，并且不需要其他校正象差的光學元件。這意味著光學系統的尺寸、重量、復雜性和成本均得到改善。
1.AGRIN透鏡與GRIN透鏡的差異
用于波導禍合的徑向梯度折射率(AGRIN)透鏡為透鏡的折射率由中心向邊緣變化，沿徑向有一個梯度分布。這種折射率梯度使AGRIN透鏡具有聚焦能力，因此梯度折射率的細微變化將在徑向方向上影響一級象差特性，因此AGRIN透鏡對加工誤差很敏感。
與此相反，GRIN透鏡沿光軸方向有一個梯度折射率分布，因此它對透鏡的聚焦能力不起作用。加工透鏡材料時，使受到彎曲的透鏡表面的折射率變化準確地與球面象差的效果相反。實際上，AGRIN透鏡除了利用其表面的斜率控制聚焦外(這點與通常的透鏡一樣)，還利用梯度折射率分布來校正球面象差。因此，一個球形表面透鏡的作用就如同一個雙面非球面透鏡一樣。
軸向梯度折射率透鏡有二個重要的優點。首先，’透鏡表面曲率仍然是決定透鏡折射本領的主要因素，因此折射率梯度分布上的偏差對聚焦性能的影響遠不如徑向折射率梯度分布透鏡那么靈敏。其次，從理論上講，可以制造出任意大小或厚度的軸向梯度折射率材料，從而可制造出足夠大的光學元件，應用于激光系統中。
2.AGRIN透鏡的研制
長期以來校正球面象差采用非球面或雙片光學透鏡，但這二種方法均有明顯缺點。非球面元件的設計要求經驗豐富的人員或計算機控制成形加工.并將透鏡表面拋光到正確的形狀。透鏡表面的檢驗也非常費時費事。不能使用常規的球形表面拋光技術。因此即使是最好的非球形表面，它的質量相對于球形表面加工來說仍然不高，散射較大。這種情況常用雙片透鏡組來取代，但是雙膠合透鏡應用在高功率激光束中常受到損壞，空氣間隔的雙片透鏡組的加工裝調導致成本增大.利用AGRIN透鏡的概念來校正球面象差至少已有2D年歷史，但一直未找到經濟有效、重復性好的制造梯度折射率分布材料的方法。低溫擴散工藝，如離子交換、溶劑一凝膠工藝及化學氣相沉積工藝均曾試驗過，但折射率梯度過小，而且對梯度折射率分布的控制程度差，折射率變化的范圍不大，難于實現適于商業性生產大直徑光學材料，因而這些方法均不實用。
近幾年來，制造AGRIN材料的工藝已得到完善.一項已取得專利的用計算機軟件設計和制備的技術可生產出人AGRIN透鏡用的坯料。坯料的制備是用折射率逐片增加的薄玻璃片堆疊在一起加熱熔融，使形成的坯料的折射率由底部向頂部逐漸變化，形成連續的梯度折射率分布。通過改變玻璃片厚度、光學特性，以及熔融擴散過程的工藝參數，可以精確控制坯料的梯度折射率特性及色散特性。目前已能穩定生產sin直徑的坯料.一般坯料的軸向梯度折射率(△n)約為0.2，折射率梯度范圍為0.005/tnxn至0.022/mm.人emN坯料制成后即可套芯切割并用常規光加工技術制成透鏡.
新的AGRIN透鏡制造技術能夠滿足商品化批量生產的嚴格性能指標要求，經過完整的設計、制造、檢驗過程的驗證，證明這項技術的重復性極好。由12塊梯度折射率坯樣制成叮2.5透鏡的抽樣測量結果，其波象差均在0.05士O·01rms。
3.AGRIN透鏡在激光系統中的應用
激光系統應用AGRIN透鏡最具明顯優點，它僅需單片即具有衍射極限的聚焦性能。微米級的聚焦光斑提高了波前質量，改善了對波導的藕合效率，提高了各種相干光學器件的光束能量密度。而且與常規透鏡不同，在大的相對孔徑下仍能保持聚焦性能。
例如，一個單片r/2.5的AGRIN透鏡可將632.8nm波長入射光能量的82%聚焦在4拜m的光斑中，而一個用計算機優化設計的雙膠合透鏡僅能將25%的人射能量聚焦在同樣大小的光斑內。這種微細聚焦的能力，使AGRIN透鏡特別適合于光纖及波導的應用。AGRIN正透鏡的聚焦性能優于單面非球面，主要是因其本身對高級象差的控制能力，因而在功能上等效于一個高質量的非球面元件。此外這種透鏡能使彗差達到最小程度，選擇其面形參數使三級彗差達到最小值，然后應用梯度折射率使球差最小。AGRIN透鏡的激光損傷闊值也比雙膠合透鏡高出一個量級，特別適合于高功率激光器，如Nd:YAG激光系統。對比實驗表明，對1.06拜m的10n，脈沖，它可安全地工作在20)/cmZ功率密度水平。
與非球面透鏡系統相比，AGRIN透鏡表面散射可做到很小，這對應用于高功率光束中的多元件系統非常重要。某些應用，如粒子計數、流動細胞計數器等對散射非常敏感。AGRIN透鏡具有球形表面，可用常規光學加工方法進行高度拋光，并易于檢驗。因此其表面質量及精度遠比手工磨制的非球面透鏡、壓模制造的玻璃及塑料非球面透鏡為好。
4.減少光學系統元件的能力
由于單片ACRIN透鏡具有校正球差的能力，因此它對減少任何光學系統元件數量具有潛在前景.較少的光學元件意味著更有效的光傳輸，降低界面損耗及散射。從而設計人員可使光學系統更小、更輕、更簡單，例如用AGRIN透鏡制成的擴束器，可使總長度降低25二50%。較少的光學元件有利于制造及裝調成本。過去光學設計人員一直被限制在均質材料、元件外形及其間隔等因素之間進行折衷，以求達到預期的設計目標;現在AGRIN技術給設計人員增加了另一個自由度，在設計上開拓了新的更多的可能性。
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