| 激光是單波長(zhǎng)的光源，具有良好的相干性能，在科研和工業(yè)等領(lǐng)域有著廣泛的運(yùn)用。激光光學(xué)泛指用于激光內(nèi)外光路中的光學(xué)元件和器件，例如,激光聚焦鏡、反射鏡、擴(kuò)束鏡、激光切割頭。為了讓小伙伴們能直觀地理解激光的聚焦和準(zhǔn)直的概念，小編通過(guò)應(yīng)用案例的形式為大家進(jìn)行講解。
應(yīng)用1：準(zhǔn)直光束的聚焦
作為第一個(gè)案例，我們來(lái)看一個(gè)非常普遍的應(yīng)用，把激光光束聚焦到一個(gè)很小的焦點(diǎn)上，如圖一所示。我們有一束激光，光束半徑為y1，發(fā)散角為θ1，它通過(guò)一個(gè)焦距為f的透鏡聚焦。如圖所示，我們有θ2= y1/f。光學(xué)不變量定律（y2θ2 = y1θ1）告訴我們，聚焦光斑的半徑和發(fā)散角的乘積是個(gè)常量，因此可以得到y(tǒng)2= θ1f。 圖一 讓我們看一個(gè)具體的例子，使用一個(gè)LBK-5.9-10.3-ET1.9型號(hào)的平凸透鏡對(duì)二氧化碳激光器的出射光束進(jìn)行聚焦。假設(shè)二氧化碳激光器的光束直徑為3 mm，全發(fā)散角為6 mrad。上述公式中的參數(shù)采用光束半徑和半發(fā)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，聚焦后焦點(diǎn)的半徑為y2= θ1f =30.3 μm，也就是光斑直徑為60.6μm。
我們假定使用了完美無(wú)相差的透鏡。如需進(jìn)一步減小焦點(diǎn)，我們必須使用短焦距的透鏡或者首先對(duì)激光進(jìn)行擴(kuò)束。若這兩種辦法都受限于系統(tǒng)設(shè)計(jì)無(wú)法改變，那么60.6 μm就是我們可以實(shí)現(xiàn)的最小聚焦光斑。另外，光的衍射效應(yīng)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波動(dòng)光學(xué)的影響，只在幾何光學(xué)的范疇中討論。
應(yīng)用2：點(diǎn)光源出射光的準(zhǔn)直
另一個(gè)比較常見(jiàn)的應(yīng)用是對(duì)從很小的一個(gè)光源發(fā)出的光進(jìn)行準(zhǔn)直，如圖二所示。通常稱這種光源為點(diǎn)光源。但是現(xiàn)實(shí)中沒(méi)有絕對(duì)意義上的點(diǎn)光源，任何光源都有一定的尺寸，需要在計(jì)算中加以考慮。圖二中的點(diǎn)光源半徑為y1，最大發(fā)射角度為θ1。如果用一個(gè)焦距為f的透鏡對(duì)出射光進(jìn)行準(zhǔn)直，那么得到的準(zhǔn)直光束的半徑為y2= θ1f，發(fā)散角為θ2 = y1/f。請(qǐng)注意，不論使用任何透鏡，準(zhǔn)直后的光束尺寸和發(fā)散角都成反比關(guān)系。例如，如果希望準(zhǔn)直光的準(zhǔn)直度增加兩倍（θ2減小為1/2），那么光束的尺寸將相應(yīng)地增加一倍。
圖二 現(xiàn)實(shí)中常見(jiàn)的一個(gè)應(yīng)用是對(duì)光纖的出射光進(jìn)行準(zhǔn)直，我們以此作為具體案例加以討論。某一光纖具有200 μm的芯徑，數(shù)值孔徑（NA）為0.37。因此光源半徑y(tǒng)1=100μm。NA是用過(guò)光纖的出射角進(jìn)行定義的，有θ1= 0.37。如果我們?cè)僖淮问褂媒咕酁?0.3 mm的LBK-5.9-10.3-ET1.9透鏡對(duì)出射光進(jìn)行準(zhǔn)直，準(zhǔn)直后的光束半徑將為3.8mm，發(fā)散角為9.7mrad。二者之間具有反比關(guān)系。如果希望得到更小的準(zhǔn)直光束，那么必須接受更大的發(fā)散；相反如果希望在很長(zhǎng)距離上保持光的準(zhǔn)直度，我們必會(huì)得到更大的光束尺寸。
應(yīng)用3：擴(kuò)束
實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常需要對(duì)激光光束進(jìn)行擴(kuò)束。要實(shí)現(xiàn)這一功能，至少需要兩片透鏡。大多數(shù)激光擴(kuò)束鏡采用伽利略式設(shè)計(jì)，由正透鏡和負(fù)透鏡組合而成。由于較低的擴(kuò)展系數(shù)，簡(jiǎn)單、緊湊的結(jié)構(gòu)而被廣泛應(yīng)用，擴(kuò)束鏡通過(guò)放大激光光束來(lái)實(shí)現(xiàn)更小的聚焦光斑。
在圖三中，一個(gè)半徑為y1，發(fā)散角為θ1的光束經(jīng)一個(gè)焦距為-f1的凹透鏡達(dá)到擴(kuò)束。根據(jù)應(yīng)用1和2中的討論我們知道，θ2= y1/|?f1|。光學(xué)不變量定律告訴我們，凹透鏡產(chǎn)生的虛像大小為y2 = θ1|?f1|。這個(gè)像處于凹透鏡的焦點(diǎn)位置。采用第二片焦距為f2的凸透鏡，置于距離凹透鏡f2-f1的位置處，對(duì)光進(jìn)行準(zhǔn)直，準(zhǔn)直后的光束半徑為y3= θ2f2，發(fā)散角為θ3 = y2/f2。
圖三
這一系統(tǒng)的擴(kuò)束系數(shù)定義為 y3/y1= θ2f2/θ2|?f1| = f2/f1 即兩片透鏡的焦距比。 比如，如果想要得到5倍的擴(kuò)束效果，那么需要選擇兩片焦距相差5倍的透鏡才可以實(shí)現(xiàn)，而擴(kuò)束后的光束發(fā)散角也減小為原來(lái)的1/5。
為了使相差最小化，最好選擇這種平凸和平凹透鏡，并且使他們平面的一側(cè)面對(duì)放置。使用透鏡的中心部分可進(jìn)一步減小相差，因此選擇較大尺寸的透鏡會(huì)有幫助。這種擴(kuò)束的設(shè)計(jì)稱為伽利略式擴(kuò)束。采用兩片正焦距的凸透鏡同樣可以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)束功能，稱為開(kāi)普勒式擴(kuò)束，但這種設(shè)計(jì)的尺寸更長(zhǎng)。南京波長(zhǎng)的BEX系列擴(kuò)束鏡規(guī)格齊全，也可依據(jù)客戶的需求進(jìn)行定制，另外也有一些特性需求的擴(kuò)束鏡如高功率光束擴(kuò)束器，主要應(yīng)用于1030-1090nm光纖激光器，擴(kuò)束鏡采用的熔融石英材料以滿足高功率應(yīng)用，通過(guò)C接口連接。除了固定變倍擴(kuò)束鏡外，還有能覆蓋從紫外到紅外的變倍擴(kuò)束鏡，變倍范圍可客樣定制。
應(yīng)用4：大尺寸光源的聚焦
這個(gè)應(yīng)用類似于光學(xué)成像，而不同于上述討論的準(zhǔn)直和聚焦。一個(gè)典型的例子是把一個(gè)發(fā)射熒光的樣品成像到CCD相機(jī)上，光路結(jié)構(gòu)如圖四所示。一個(gè)較大尺寸的光源，半徑為y1，被放置于距離透鏡s1的位置，透鏡焦距為f，通光孔徑為R。
圖四 如果s1比較大，那么s2將接近于透鏡的焦點(diǎn)處f。因此，近似可得θ2~ R/f。然后根據(jù)光學(xué)不變量定律，可以得到y(tǒng)2= 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f數(shù)，由透鏡本身的設(shè)計(jì)決定。
為了得到更小的聚焦，我們可以使用小f數(shù)的透鏡。同樣也可以通過(guò)減小R（較小的透鏡或者在透鏡方面加孔闌）或增大s1來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是采取其中的任何一種方式，都會(huì)限制透鏡收集的光的總量。例如，如果我們把R減小一倍或者把s1增大一倍，那么透鏡收集到的光的量將相應(yīng)減小為原來(lái)的1/4。因此需要根據(jù)具體應(yīng)用平衡選擇。
激光元器件不同于傳統(tǒng)光學(xué)的特點(diǎn)是：光學(xué)材料特殊，鏡片表面高光潔度，光學(xué)膜系精準(zhǔn)，激光損傷閾值高。 由于激光的種類繁多，光譜覆蓋越來(lái)越廣，功率越來(lái)越高，因此對(duì)于光學(xué)元件器件的指標(biāo)要求也非常嚴(yán)格。鞍山激埃特光電擁有全面的精密制造和檢測(cè)設(shè)備，如單點(diǎn)金剛石車床，CNC數(shù)控拋光機(jī)，高校冷凝泵鍍膜機(jī)，數(shù)字式中心偏檢測(cè)儀，干涉儀，激光真空熱度儀，橢偏儀，分光光度儀等設(shè)備。 鞍山激埃特的光學(xué)工程師和質(zhì)量管理團(tuán)隊(duì)為客戶精心制造適合于高質(zhì)量激光設(shè)備的激光光學(xué)元器件http：www.gwzscq.com |
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