應用1：準直光束的聚焦

作為第一個案例，我們來看一個非常（cháng）普遍的應用，把（bǎ）激光光束聚焦到一個很小的焦點上（shàng），如圖（tú）一所示。我們有一束激光，光束半（bàn）徑為y1，發散角為θ1，它通過一個焦距為f的透鏡聚焦。如（rú）圖所示，我們有θ2= y1/f。光學不變量定律（y2θ2 = y1θ1）告訴我們，聚焦光斑的半徑和發散角的乘積是個常（cháng）量，因此可以得到y2= θ1f。

圖一

讓我們看一個具體的例子，使用一個LBK-5.9-10.3-ET1.9型號的平凸透鏡對二氧化（huà）碳（tàn）激光器的出射光束進行聚焦。假設二氧化碳激光器的光束直徑（jìng）為3 mm，全發散角為6 mrad。上述公式中的參數采用光束半徑和半發散角，因此有y1= 1.5 mm 和 θ1 = 3 mrad。LBK-5.9-10.3-ET1.9的焦距為10.3 mm。因此，聚（jù）焦後焦點的半徑為y2= θ1f =30.3 μm，也就是光斑直徑為（wéi）60.6μm。

我們假定使用了完美無相（xiàng）差的透鏡（jìng）。如需進一步減小焦點，我們必（bì）須使用短焦距的透鏡或者首先對激光（guāng）進行擴束。若這兩種辦法都（dōu）受限於係統設計無法改變，那麽60.6 μm就是我們可以實現的最小聚焦光（guāng）斑。另外，光的（de）衍射效應可能使實（shí）際的光斑更大一些，但在目前的討論中我們不考慮（lǜ）波動光學的影響，隻在幾何光學（xué）的範疇中討論。

應用2：點光源出射光的準直

另一個比較常（cháng）見的應用是對從很小的一個光源發出的光進行準直，如圖二所示。通常稱這種光源為點光源。但是現實中沒有絕對意（yì）義上的點（diǎn）光源，任何光源（yuán）都有一定的尺寸（cùn），需要在計算中加以考慮。圖二中的點光源半徑為y1，最（zuì）大發射角度為θ1。如果用（yòng）一個焦距為f的透鏡對出射光進行準直，那麽得（dé）到的（de）準直光束的半徑（jìng）為y2= θ1f，發散（sàn）角為θ2 = y1/f。請注（zhù）意，不論使用（yòng）任何透鏡（jìng），準直後的光束尺寸和發散角都（dōu）成反比關係。例如，如果希望準直光的準（zhǔn）直度增加兩倍（θ2減小（xiǎo）為1/2），那麽光束（shù）的尺寸（cùn）將相（xiàng）應地增加一倍。

圖二

現實中常見的一個應用是對光纖的出射光（guāng）進行準直，我們（men）以此作（zuò）為具體案例加以討論（lùn）。某一光纖（xiān）具有200 μm的芯徑，數值孔（kǒng）徑（NA）為0.37。因此光源半徑y1=100μm。NA是用過光（guāng）纖的（de）出射角進行定義的，有θ1= 0.37。如果我們再一次使用焦距（jù）為10.3 mm的LBK-5.9-10.3-ET1.9透鏡對出射光進行準（zhǔn）直（zhí），準直後的光束半徑將為3.8mm，發散（sàn）角為9.7mrad。二者之間具有反比關係。如果希望得到更小的準直光束，那麽必須接受更大的發散；相反如果希望在很長距離上（shàng）保持光的準（zhǔn）直度，我們必會得到更（gèng）大的光束尺寸。

應用3：擴束

實（shí）際應用（yòng）中經常需要對（duì）激光光束進（jìn）行擴束。要實現這一（yī）功能，至少需要（yào）兩片透鏡。大多數激光擴束鏡采用伽利略式設計，由正（zhèng）透鏡和負（fù）透鏡組（zǔ）合而成。由於較低的擴（kuò）展係數，簡單、緊湊的結構而被廣泛應用，擴束鏡通過放大激光光（guāng）束來實現更小的（de）聚焦光斑。

在圖三中，一個半徑為y1，發散角為θ1的光束經一個焦距為（wéi）-f1的（de）凹透鏡達到擴束。根據應用1和2中的討論我（wǒ）們知道，θ2= y1/|−f1|。光（guāng）學不（bú）變量定律告訴我們，凹透鏡產生的虛像大小為y2 = θ1|−f1|。這個像處於凹透鏡（jìng）的焦點（diǎn）位置。采用第（dì）二片焦距為f2的凸透鏡，置於距離凹透鏡f2-f1的位置處，對光進行準直，準直後的（de）光束半（bàn）徑為y3= θ2f2，發散角為（wéi）θ3 = y2/f2。

圖三

這一係統（tǒng）的擴（kuò）束係數定義為

y3/y1= θ2f2/θ2|−f1| = f2/f1

即兩片透鏡的焦（jiāo）距比。

比如（rú），如果想要得到（dào）5倍的擴束效果，那麽需要選擇兩片焦距（jù）相差（chà）5倍的透鏡才（cái）可以實現，而擴束後的光束發散角也（yě）減小為原來的1/5。

為了使相（xiàng）差最小化，最好選擇（zé）這種平凸和平凹透鏡，並且使他們平麵的一側麵對放置。使用透鏡的（de）中心部分可進一（yī）步減小相差，因此（cǐ）選擇較大尺寸的透鏡會（huì）有幫助。這種擴束的設計稱為（wéi）伽利略式擴束。采用兩片正焦距的凸透鏡同樣可以實現擴（kuò）束功能，稱為開普勒式擴束，但這種設（shè）計的尺寸更長。南京波長的BEX係列擴束鏡規（guī）格齊全，也可依據客戶（hù）的需求進行定製，另外也有一些特（tè）性需求的擴束鏡如高（gāo）功率光束（shù）擴束器，主要應用於1030-1090nm光纖激光器，擴束鏡采用（yòng）的熔融石英材料以滿足高功率（lǜ）應用，通過（guò）C接口連接。除了固（gù）定變倍（bèi）擴束鏡（jìng）外（wài），還有能（néng）覆蓋從紫外到紅外的（de）變倍擴束鏡，變倍範圍可（kě）客樣定製。

應用4：大尺寸（cùn）光源的聚（jù）焦

這個應用類似（sì）於（yú）光學成像，而不同於上述（shù）討論的準直和聚焦。一個典型的例（lì）子（zǐ）是把一個發射熒光的樣品（pǐn）成（chéng）像到CCD相機上，光路（lù）結構如圖四所示。一個較大尺（chǐ）寸（cùn）的（de）光源，半徑（jìng）為y1，被放置於距離透鏡s1的位置，透鏡焦距為f，通光孔徑為R。

圖四

如果s1比較大，那麽s2將接近於透（tòu）鏡的焦點處f。因此，近似可得θ2~ R/f。然後根據光學不變量定律，可以得到y2= y1θ1/θ2 = y1(R/s1)(f/R)或者y2= 2y1(R/s1)(f/#)

其中f/#= f/2R= f/D是透鏡的（de）f數，由透鏡本身（shēn）的設計決定。

為了得到更小的聚焦，我們可以使用小f數的透鏡。同樣也可（kě）以通過減小（xiǎo）R（較（jiào）小的透鏡或者在透鏡方麵加孔闌）或（huò）增大s1來實現。但是采取其中的（de）任何一種方式，都（dōu）會限製透鏡收集的光的總量。例如，如果我們把R減小一倍或者（zhě）把s1增大一倍（bèi），那麽透鏡收（shōu）集到的光的量將相應減小為原來（lái）的1/4。因此需要根據具體應用平衡選擇（zé）。

激光（guāng）元器件不同於傳（chuán）統光學的特點是：光學材料特殊，鏡片（piàn）表麵高光潔度，光學膜係精準，激光損傷閾（yù）值（zhí）高。 由於激光的種類繁多，光譜覆蓋越來越廣，功率越（yuè）來越高，因此（cǐ）對於光學元件器件的指標（biāo）要求也非常嚴格。鞍山高潮视频在线快速多人光電擁有全麵的精密製造和檢測設備，如單點金剛石車（chē）床，CNC數控拋光機，高校冷凝泵（bèng）鍍膜機，數字式中心偏檢測儀，幹涉儀，激光真（zhēn）空熱度儀，橢偏儀，分光（guāng）光度儀等設備。

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