更新时间：2022-10-14 09:44
聚焦透镜属于梯度折射率透镜。具有端面聚焦和成象的特性，以及其具有圆柱状的外形特点，因而可以应用于多种不同的微型光学系统中。聚焦透镜有5种基本类型： 即平凸、正凹凸、非球面、衍射和反射透镜。最后一种反射镜通常为离轴抛物面反射镜，但有些系统设计者使用小入射角的球面反射镜来完成同样功能。
对于单色光成像，像面为一平面，而且整个像面上像质一致，且像差小，无渐晕存在。对于一定的入射光偏转速度对应着一定的扫描速度，因此可用等角速度的入射光实现线性扫描。其入射光束的偏转位置一般置于物空间前面焦点处，像方主光线与光轴平行，可在很大程度上实现轴上、轴外像质一致，并提高照明均匀性，被大量应用激光标记系统中。
聚焦透镜有5种基本类型： 即平凸、正凹凸、非球面、衍射和反射透镜。最后一种反射镜通常为离轴抛物面反射镜，但有些系统设计者使用小入射角的球面反射镜来完成同样功能。
硒化锌平凸透镜、正凹凸透镜、非球面镜和衍射光学系统都是通常使用的透射型透镜。通过正确选择透镜种类，几乎可实现任何尺寸的焦斑。非球面和衍射透镜可产生最小焦斑。要求较低或需要较长焦距的应用可采用平凸或正凹凸形透镜。平凸和凹凸形透镜是最经济有效的透镜。
划分透镜的一种方法是按照光束聚焦方法来划分，是利用反射式和透射式聚焦光学系统的两种聚焦头。
透射式透镜使用最简单，激光束穿过该透镜时，透镜把激光束沿轴向聚焦到工件上。多数工业激光系统中，喷嘴都含有气体洗涤的功能，也就是在喷嘴处引入气体喷流,以帮助提高激光束和材料相互作用的性能，同时高速气流还起着与光学系统隔离的作用。气体喷流防止材料加工污染物进入喷嘴而污染透镜表面。反射式聚焦系统用了另加的光束折向器和后聚焦反射镜(离轴抛物面反射镜)。在此条件中，有两个额外光学系统，即硒化锌窗和光束折向器，窗口的作用是使在喷嘴上面封离聚焦系统。
透射式聚焦头有两个主要优点，即光束易于调整和允许光束有偏心之类的小偏差，即允许光束偏心或角度偏离地射入透镜。透射式系统较为简单，所用光学元件较少。反射式透镜头也有两个主要优点，第一也是最主要的是它们用于甚高功率水平的场合，它们对大于4kW功率激光系统的应用很理想，在此情况下，它们产生的热透镜效应很少，在焊接之类的苛刻环境下很耐用，如果改用透射式透镜，就可能迅速污染。但抛物面反射镜聚焦头调整困难。理论上，抛物反射镜应把激光束聚焦到光束的衍射极限。衍射极限是对特定激光束直径和模式质量所能达到的最小焦斑。抛物面反射镜是最难调整的反射镜系统之一，因此，在高功率激光系统中，通常很难达到衍射极限的聚焦。对焊接来说，并非总是要求使用小光斑，因此，在此种应用中反射镜很合适。
聚焦透镜具有普通光学透镜的一般特性但又有其独特之处。利用它可以制成超短焦距的透镜，也可以在端面上形成实象，容易获得与物体同样大小的正立实象。自聚焦透镜与普通光学透镜的不同处还在于它的焦距以及主平面位置随透镜长度而作周期性变化。
聚焦透镜与具有相同口径和焦距的传统透镜相比，焦深增加了2倍，并且在整个焦深范围内焦斑尺寸保持着与普通透镜相近的分辨率。该透镜实现简单，为大深度、高分辨的激光加工提供了可行的途径，在激光加工领域有较好的应用前景。聚焦透镜物象关系式直接显示出这种周期性变化对成象的影响,，而且其中距离：以端面为参考面，从而避免了主平面位置随透镜长度的周期性变化而带来的麻烦，可以很方便地判定象的虚实，因而在应用方面有可取之处。
近年来，随着大功率激光器性能不断地提高，激光切割、钻孔与精密加工等应用迅速发展。然而，传统透镜焦深和焦斑存在制约关系，增加焦深必然引起焦斑尺寸的扩大，在很多情况下无法满足激光加工的要求，故对于长焦深、高分辨的聚焦透镜有着强烈的需求。
目前，已经有很多种方法用来增加聚焦透镜的焦深。1954年，McLeod提出了轴锥镜的概念，平面波入射到此类器件后变成锥面波，出射后可以在很大的范围内保持光斑尺寸基本不变。然而，形成的锥面波在轴上的光强随传播距离呈线性趋势增长，并且伴有激烈振荡，不适用于激光加工。1987年，Durnin等提出了无衍射光束，可在较大范围内实现高分辨的光束传输，然而这类光束在焦深范围内光强振荡剧烈，给使用带来了很大的不便。为解决光强沿轴强度变化的问题，Sochachi等提出利用能量守恒法来设计对数光锥实现无衍射光束，并采用切趾法对强度的振荡进行消除，这一方法有效改进了焦深范围内的能量分布，但能量利用率太低，对于激光加工非常不利。采用轴锥镜与无衍射光束的方法可以将焦深增加几十上百倍，由于能量的分散使得光斑中心的强度大幅降低。在实际的激光加工应用中，往往只需要将焦深在普通透镜的基础上增加几倍即可满足要求。利用晶体的双折射效应，Sanya等采用双焦透镜实现了焦深的扩展，但这一系统需要使用偏振片，可承受的功率受到限制，并且由于只有两个焦点，焦深的增加非常有限。近年来，利用二元光学元件或特殊设计的波带片来实现长焦深光学元件逐渐成为研究的热点，这一方法将轴上光强分布作为目标函数，通过采用优化算法求解衍射面的相位分布函数或光强分布函数来获得长焦深。
下图1是我们所设计的一个由SPPs耦合波片和聚焦透镜构成的超聚焦透镜系统，其中图1为剖面简图，图2为耦合波片的三维图。它是由带环形狭缝的薄金属银膜和环形直角三角形棱镜相位板两部分构成。该结构拟利用镀膜的方法在透明衬底上面镀一层合适厚度的银膜，然后在镀好的银膜上面再覆盖合适厚度的光学介质，再用电子束直写或者聚焦离子束按照设计好的参数进行刻蚀，制作出如图2所示的耦合相位板。然后，把消球差透镜和耦合元件及连接支架，集成为一个超聚焦系统。
上述设计的聚焦系统，当平行光从银板下方照射到耦合器件上，首先会通过银板的缝隙激发SPPs耦合模，并沿着银的表面传播，在银板与环形三角形棱镜的界面处，如果满足波矢匹配条件，SPPs就会被高效的耦合为光波，被耦合出来的光波经过环形三角形相位板进行相位调制后投射到消球差透镜上，再由透镜进行聚焦。经耦合相位板调制的光场分布，直接影响到系统的聚焦特性。
同时，我们知道，光波透过银板狭缝激发的SPPs，在狭缝中耦合传播常数与狭缝的宽度有关，狭缝越窄传播常数也就越大；反之，狭缝越宽，传播常数就越小，当狭缝宽度增大到波长以上时，SPPs的耦合效应就基本消逝了，只相当于普通的光波导。因此，设计时可以通过优化狭缝的大小来控制SPPs的耦合传播常数，从而控制的相位延迟，即不同宽度的金属狭缝实际上与SPPs耦合进入棱镜的相位延迟相对应。为使金属银板激发的SPPs重新耦合为光波输出，需满足SPPs可以转化为光波进入棱镜中，通过设置棱镜的高度或者宽度可以控制从每一个环形直角三角形棱镜耦合输出光波的角度。因此，对狭缝宽度和三角形棱镜的优化，可以实现对消球差透镜前表面光波场的优化，为获得高质量聚焦光斑提供有利条件。