光学透镜是光学系统的重要组成，也是光学工程中的必备知识。透镜是由能够透过指定光谱的材料制成的光学元件，一般可见光和近红外光谱（IR-A）（400-1400nm）使用光学玻璃，中红外（IR-C）（3-50mm）使用晶体材料。透镜技术可以广泛地应用于机器视觉、数码成像、激光的准直与聚焦和各类型光学仪器中。

大恒光电透镜系列

我们一般指的光学透镜是折射面为球面的折射镜，有的是由两个球面组成，也有的是由一个球面和一个平面组成。由于朝向的不同和特性不同，决定了光学透镜单独使用和组合使用就会产生不同的效果。光学透镜的组合在不同领域有哪些应用呢？容我一一道来。

1. 光学成像

成像时，我们主要使用凸透镜，也是正透镜。任何一个凸透镜满足物像关系公式即可对任何物体成放大或者缩小的像，因此要想成像其实很简单，就是知道这个透镜的f(即焦距)。

如果对成像的要求很高，如成像清晰、不变形、色彩不失真，能看到更大、更小、更远的范围……这就需要经过专门的设计人员使用设计软件来实现了。

献出灵魂画作，常用的光学设计模型

2. 光的准直

现在许多应用中需要对一个发散的点光源进行准直，以期待得到一个平行的光斑，则需要使用凸透镜。如图所示，请将点光源放置在凸透镜焦点的位置上，准直的光斑就在凸透镜后面产生了。光斑的直径只跟光源的发散角和凸透镜的焦距有关系（D= 2f*tan(u/2)）。

3. 激光扩束

激光扩束是激光领域里常用的使用方法，就是将一束平行的激光束展宽成一个光束直径比原先大的激光束的方法。

（大恒光电 扩束镜头系列）

激光扩束镜可以分为两大类型：伽利略和开普勒。

伽利略扩束镜由伽利略望远镜衍变而来，是比较常用的一类扩束镜系统。它通常包括一个凹透镜的输入镜和一个凸透镜的输出镜。输入镜的前焦点和输入镜的前焦点相互重合。与开普勒类型相比，伽利略扩束镜及结构简单，尺寸紧凑，成本低，但是不能使用空间滤波器，其扩束比也不能太大（通常不大于20倍）。

如果要使用空间滤波器或者得到更大的扩束比，则要采用开普勒扩束系统。开普勒扩束镜输入镜使用凸透镜，它的后焦点与输出镜的前焦点相互重合，在焦点重合的地方可以放置一个空间滤波器，如小孔。

• 扩束比M

扩束比M定义为输出光束直径Φout和输入光束直径Φin的比值，也可以使用输入镜的焦距和输出镜的焦距来计算：

如上所述。增大光束直径即意味着以相应倍率缩小光束发散角。因此

θin: 输入光束发散角

θout: 输出光束发散角

大恒光电透镜系列

光学透镜的材料对使用具有哪些影响呢？

光学材料一般分为非晶态、晶体和有机塑料。不同的材料有其适用光谱范围和不同的物理特性（膨胀系数、密度、硬度等等）。

非晶态中常见的材料有光学玻璃，红外玻璃，激光玻璃。这类材料具有制造工艺成熟，品种价格齐全等特点。其中无色光学玻璃主要是以SiO2为基础材料，掺杂其他元素而形成的复合产物，主要针对400-1000 nm光波段使用。它区别于其他玻璃的主要特性是有一定的折射率和色散。国际上基本按照这两个参数将其分为冕类光学玻璃（K）和燧石光学玻璃（F）。冕类光学玻璃是指折射率较低，阿贝数较大；燧石光学玻璃的折射率较高，而阿贝数较低。下图为成都光明厂玻璃材料的分布图，国际上还有几家著名的玻璃材料公司，他们分别是SCHOTT，HOYA，OHARA和SUMTA。

在一般科研领域里面使用K9（SCHOTT对应是BK7）玻璃最为常见，其性能适中，材料加工性能好，价格相对便宜，因此最为单透镜应用的首选，也是许多镀膜元件的基底材料。另外一种是熔融石英JGS1（CORNING对应是7980），由于这种材料的稳定性好，热膨胀系数小，在大功率激光器里普遍使用，但其价格也是比较贵的，尤其是尺寸超大的时候。

光学透镜的镀膜对使用具有哪些影响呢？

一般情况下，当光线由一种物质进入不同传递物质时（如空气进入光学玻璃），将会有5%的光被反射掉。在一个复杂的光学系统中，由于有许多透镜和折射镜的存在，使得整个系统的综合透射率只能有50%或者更低。

因此，人们在光学透镜的表面镀上单层增透膜（一般是MgF2）或多层增透膜，单层增透膜可使反射减少至1.5%，多层增透则可让反射率低至0.25%，这样就可以大幅度提高这个系统在某一特定波段的光学透过率。

通常可以通过镜片上反射的颜色来判断该光学透镜是镀了什么膜层，镀了单层增透膜的镜片通常是蓝紫色或是红色，镀多层增透膜的镜片则呈淡绿色或暗紫色。

左图：单层MgF2增透膜 右图：多层增透膜

镀膜的光学透镜在激光环境下的使用注意事项

由于激光学科的不断发展，越来越多的光学实验与工作都围绕激光展开，尤其是高能量激光在科研中的普遍应用，令镀膜元件的激光损伤阈值成为科研工作者特别关注的指标之一。

影响激光损伤阈值的因素有以下几个方面：

(1)与介质本身性能密切相关，包括介质的成分、光学均匀性、光学吸收性、热学性质等；

(2)与辐照的激光性质有关，包括激光频率、激光脉宽、激光光束束斑等；

(3)与光学元件的加工工艺过程有关，如光学元件上留下的加工痕迹、镀膜方法、膜材料的纯度等甚至实验操作空间的清洁程度也会影响介质的损伤。

部分样品的损伤形貌：

放大后观察：

激光损伤阈值的计算方法

损伤阈值的结果有以下表示方式：

一种方式：对于连续激光器，为

平均功率密度=

另一种方式：对于脉冲激光器，为

能量密度=

峰值功率密度=

其中：

注：重复频率即为一秒内的脉冲个数。平均功率为功率计测得的功率值。

并

当在损伤阈值测试时能实际测量被测面上光斑

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