Optosigma的小球透镜MS-q，非球面透镜AGL，激光扩束镜在激光光学系统中的使用和选择

本文将介绍西格玛光机多种透镜在激光光学系统中的具体作用。西格玛光机拥有适用于激光和成像系统的庞大产品线，我们在此重点探讨其在激光领域的应用，涵盖平凸透镜SLB，小球透镜MS-q，柱透镜RODB，非球面透镜AGL，聚光透镜，fθ透镜，复眼透镜FEL、FELN等型号。阅读本文，您将快速了解Optosigma各类透镜在激光系统中的关键角色与功能。

成像光学系统的透镜主要关注被摄体和成像面，几乎不涉及穿过两者之间的光线。相比之下，使用激光束的光学系统不仅利用焦点，还会充分利用光束在汇聚过程中的强度分布，以及焦点之外的发散光束的束径等特性。

只需将透镜放入激光束中，激光束就会收敛或发散，可用于照明各种物体。除了作为简单的光源使用外，还可以作为荧光或拉曼散射的激发光源照射被检体，或观察穿过激光照射空间的散射粒子，应用于多种场景。由于激光的功率和能量通常比普通光更强，即使对于转换率较低的荧光或难以观察的小散射粒子，也能将其亮度提升到可观察的水平。

调整功率密度（或能量密度）也很简单。只需预先研究透镜的发散或汇聚角度，然后通过调整透镜与照射物之间的距离来改变照射径，从而自由地找到所需的功率密度（或能量密度）。无需像白光那样先通过针孔形成点光源，几乎可以将激光的100%光能用于照射。

此外，激光束的强度分布接近高斯分布，因此无论是发散或收敛激光束的哪个截面，大致都呈现高斯分布。（如果使用发散较大的透镜，远离透镜时可能不会呈现高斯分布。）另一方面，如果光不是高斯分布或被开口遮挡的高斯分布，由于光的衍射影响，观察距离不同时激光束的强度分布也会不同。功率密度（或能量密度）也无法像高斯分布那样，随着观察距离的变化而按比例变化，激光束中心凹陷或束腰出现高峰值等情况。

图1 高斯光和平顶光的传播

激光光学系统中常用的是聚焦系统，将激光束聚焦于一点，以提高激光的功率密度或能量密度，用于加工或分析等。要提高功率密度或能量密度，需要尽可能将激光束聚焦得小。但使用聚焦性能好的透镜并不能直接使激光束变小。

在几何光学中，聚焦光斑的斑点径是无限小的，但在波动光学中具有有限的大小。这个大小与透镜或光学系统无关，仅由光的衍射特性决定。衍射是指通过小孔的光会以发散角度θ，根据光的波长λ和孔径φd扩散的现象。如果反转光的传播方向，以发散角度θ聚焦波长λ的球面波，就会形成φd的聚焦光斑。

图2 波动光学中的聚焦光斑直径

这种关系通常被称为“衍射极限”。从这个公式可以看出，要减小聚焦光斑φd，需要增大聚焦角度θ。此外，聚焦光斑的大小也受激光波长λ的影响。在相同的聚焦角度下，波长λ越短，聚焦光斑的斑点径φd越小。

之前解释过，镜头或光学系统与聚焦光斑的直径无关，但若要形成较大的聚焦角度，使用镜头是最快捷的方法。然而，镜头仅提供焦距f，要确定聚焦角度θ，就必须给出射入镜头的光束大小φDb。

通常激光束的大小为φ0.5mm～3mm，因此要增大聚焦角度，需要缩短镜头的焦距。具体来说，将波长为632.8nm的φ1mm激光束以16°的聚焦角度聚焦，可以得到φ2.9μm的聚焦光斑，但要实现这一效果，镜头的焦距f需要设置为3.6mm。

但焦距如此之短时，使用普通支架或调整工具难以将照射目标靠近镜头，需要制作小焦距镜头或与照射目标形状匹配的专用夹具。

此外，若镜头与照射目标之间存在窗口或支架之间的干涉，则必须使用焦距较长的镜头。

有没有可能使用长焦距镜头使光斑变小，实现这样的光学系统呢？

如果想要通过增加焦距来获得相同的集光角度，那么就需要让激光束径更大。不过，也没有那么巧合的激光束径。

这时就能派上用场的是激光扩束镜。

使用10倍φ1mm激光扩束镜将φ1mm的激光束扩展到φ10mm，焦距可以延伸到35mm。这样计算下来，可以将集光光斑缩小到φ2.8μm。

实际上，由于镜头的集光误差（像差）的影响，集光光斑会稍微变大，但如果使用高集光性能的复消色差镜头，则可以得到接近理论极限的集光性能。

图3 激光聚焦光学系统图示说明

光束径较大的准直光束除了用于制造小光斑外，还应用于需要在野外将激光束射向远处的光学系统（例如激光雷达）以及需要广阔观察区域的干涉仪等。

有些扩束镜是集成式的，将激光束射入后即可输出较大径的光束，但也可以通过组合凹透镜和凸透镜来扩展到所需的光束径，并作为低至中倍率的激光扩束镜使用。然而，如果通过组合凹透镜和凸透镜来获得高倍率，则会导致光学系统全长变得非常长，这是一个缺点。

如果需要更高的光束倍率，例如从细激光束中一次性获得10mm以上的大光束径的准直光束，则可以使用空间滤波器镜架SFB和消色差双胶合透镜DLB的组合。

在激光光学系统中，是否不使用透镜来成像的光学系统就完全没有呢？并非如此。但是，由于激光光学系统的光线具有极高的指向性，即使使用性能良好的透镜，被检体的成像也不会清晰。

然而，当将被检体插入到准直光束中时，激光光在被检体的边界部分发生衍射，导致在屏幕上投影的被检体轮廓上产生衍射条纹。但是，如果使用相同的被检体插入透镜将被检体成像到屏幕上，衍射条纹会消失，被检体的轮廓会反转显示。当需要确认被检体清晰的边界线，或者从观察到的强度分布中消除衍射条纹时，即使是激光光学系统也需要成像光学系统。

图4 成像光学系统

最后，介绍一下本文中列出的各种透镜。

平凸透镜SLB、SLSQ和消色差双胶合透镜DLB既可用于成像光学系统，也可用于激光光学系统。另一方面，也有一些透镜只能用于激光光学系统。

例如，平凹柱面透镜CLB、CLSQ或柱透镜RODB是专门用于将激光束形状拉长的透镜。小球透镜MS-q虽然具有成像透镜的功能，但由于显微镜物镜在性能和使用便利性上都更优，因此几乎不将小球透镜MS-q作为成像透镜使用。相反，小球透镜MS-q常被用作将激光光导入光纤的光学系统，或用于将半导体激光束变成准直光束的透镜。由于使用小球透镜MS-q可以使光学系统设计得更紧凑，因此常被应用于通信模块等设备。

用于激光聚焦系统的透镜也有多种类型。除了球面透镜和消色差透镜外，还有聚光透镜、非球面透镜AGL、LD用准直透镜、fθ透镜f-theta。

根据使用目的或组合的设备不同，每种透镜的规格也会有所不同。

例如，fθ透镜通常与伽利略反射镜或多面镜等激光束扫描系统的设备组合使用。在普通透镜中，反射镜的驱动角度θ的变化会导致聚焦位置Δx按f×tanθ变化。而fθ透镜则利用畸变这一像差，将聚焦位置的变化矫正为f×θ，从而调整聚焦光束以等速移动进行扫描的特殊聚光透镜。

到目前为止未能归类的镜头，简单介绍一下复眼透镜FEL、FELN。复眼透镜FEL、FELN作为将高斯分布的激光束转换为分布均匀的均匀亮度的光学系统（均质化器）的部件使用。通过光源侧的复眼透镜FEL、FELN将具有强度分布的宽光束分割成微小区域，分别聚焦生成多个点光源。通过凸透镜（成像透镜）将这些多个点光源组合成准直光束，使得凸透镜的焦点面上准直光束重叠的部分形成。虽然复眼透镜FEL、FELN每个镜头接收的光量不同，但由于所有区域的光在凸透镜的焦点面上重叠，因此可以得到均匀明亮的照明光。

但是，均匀分布只能在远离光学系统的特定距离处生成。要改变距离或照射范围，必须修改均质化器的设计本身。

在浏览本文后，希望您对透镜的作用有了一定了解。如果您对文中Optosigma的平凸透镜SLB，非球面透镜AGL，柱透镜RODB等透镜感兴趣的话，欢迎联系我们进行咨询采购。