激光是單波長的光源，具有良好的相干性能，在科研和工業等領域有著廣泛的運用。激光光學泛指用于激光內外光路中的光學元件和器件，例如,激光聚焦鏡、反射鏡、擴束鏡、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直的概念，小編通過應用案例的形式為大家進行講解。

應用1：

    作為第一個案例，我們來看一個非常普遍的應用，把激光光束聚焦到一個很小的焦點上，如圖一所示。我們有一束激光，光束半徑為y1，發散角為θ1，它通過一個焦距為f的透鏡聚焦。如圖所示，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量，因此可以得到y2= θ1f。

    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碳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，聚焦后焦點的半徑為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相差的透鏡。如需進一步減小焦點，我們必須使用短焦距的透鏡或者首先對激光進行擴束。若這兩種辦法都受限于系統設計無法改變，那么60.6 μm就是我們可以實現的最小聚焦光斑。另外，光的衍射效應可能使實際的光斑更大一些，但在目前的討論中我們不考慮波動光學的影響，只在幾何光學的范疇中討論。

應用2：

    另一個比較常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義上的點光源，任何光源都有一定的尺寸，需要在計算中加以考慮。圖二中的點光源半徑為y1，最大發射角度為θ1。如果用一個焦距為f的透鏡對出射光進行準直，那么得到的準直光束的半徑為y2= θ1f，發散角為θ2 = y1/f。

    請注意，不論使用任何透鏡，準直后的光束尺寸和發散角都成反比關系。例如，如果希望準直光的準直度增加兩倍(θ2減小為1/2)，那么光束的尺寸將相應地增加一倍。

    現實中常見的一個應用是對光纖的出射光進行準直，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，數值孔徑(NA)為0.37。因此光源半徑y1=100μm。NA是用過光纖的出射角進行定義的，有θ1= 0.37。如果我們再一次使用焦距為10.3 mm的LBK-5.9-10.3-ET1.9透鏡對出射光進行準直，準直后的光束半徑將為3.8mm，發散角為9.7mrad。二者之間具有反比關系。

    如果希望得到更小的準直光束，那么必須接受更大的發散;相反如果希望在很長距離上保持光的準直度，我們必會得到更大的光束尺寸。

應用3：

    實際應用中經常需要對激光光束進行擴束。要實現這一功能，至少需要兩片透鏡。大多數激光擴束鏡采用伽利略式設計，由正透鏡和負透鏡組合而成。由于較低的擴展系數，簡單、緊湊的結構而被廣泛應用，擴束鏡通過放大激光光束來實現更小的聚焦光斑。

    在圖三中，一個半徑為y1，發散角為θ1的光束經一個焦距為-f1的凹透鏡達到擴束。根據應用1和2中的討論我們知道，θ2= y1/|?f1|。光學不變量定律告訴我們，凹透鏡產生的虛像大小為y2 = θ1|?f1|。

    這個像處于凹透鏡的焦點位置。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，對光進行準直，準直后的光束半徑為y3= θ2f2，發散角為θ3 = y2/f2。

    這一系統的擴束系數定義為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倍的擴束效果，那么需要選擇兩片焦距相差5倍的透鏡才可以實現，而擴束后的光束發散角也減小為原來的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面對放置。使用透鏡的中心部分可進一步減小相差，因此選擇較大尺寸的透鏡會有幫助。這種擴束的設計稱為伽利略式擴束。采用兩片正焦距的凸透鏡同樣可以實現擴束功能，稱為開普勒式擴束，但這種設計的尺寸更長。南京波長光電的BEX系列擴束鏡規格齊全，也可依據客戶的需求進行定制，另外也有一些特性需求的擴束鏡如高功率光束擴束器，主要應用于1030-1090nm光纖激光器，擴束鏡采用的熔融石英材料以滿足高功率應用，通過C接口連接。除了固定變倍擴束鏡外，還有能覆蓋從紫外到紅外的變倍擴束鏡，變倍范圍可客樣定制。

應用4：大尺寸光源的聚焦

    這個應用類似于光學成像，而不同于上述討論的準直和聚焦。一個典型的例子是把一個發射熒光的樣品成像到CCD相機上，光路結構如圖四所示。一個較大尺寸的光源，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。

    如果s1比較大，那么s2將接近于透鏡的焦點處f。因此，近似可得θ2~ R/f。然后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f數，由透鏡本身的設計決定。

    為了得到更小的聚焦，我們可以使用小f數的透鏡。同樣也可以通過減小R(較小的透鏡或者在透鏡方面加孔闌)或增大s1來實現。但是采取其中的任何一種方式，都會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減小為原來的1/4。因此需要根據具體應用平衡選擇。

    激光元器件不同于傳統光學的特點是：光學材料特殊，鏡片表面高光潔度，光學膜系精準，激光損傷閾值高。由于激光的種類繁多，光譜覆蓋越來越廣，功率越來越高，因此對于光學元件器件的指標要求也非常嚴格。波長光電擁有全面的精密制造和檢測設備，如單點金剛石車床，CNC數控拋光機，高校冷凝泵鍍膜機，數字式中心偏檢測儀，干涉儀，激光真空熱度儀，橢偏儀，分光光度儀等設備。波長的光學技師和質量管理團隊為客戶精心制造適合于高質量激光設備的激光光學元器件。

    激光鏡片