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柱面透鏡是一種特殊透鏡，其一個表面為平面，另一個表面為柱面(圓柱面的一部分)，僅在一個方向(柱面軸向)上具有聚焦或發散能力，而在垂直方向保持平行光。這種特性使其成為激光整形(如將圓形光斑變為線形光斑)、光束控制(如準直、掃描)及投影顯示領域的關鍵技術元件。
一、激光整形：線形光斑與能量分布調控
在激光加工(如切割、打標)中，常需將高斯分布的圓形激光光斑轉換為能量均勻的線形光斑(如10-100mm長度)。柱面透鏡通過沿軸向聚焦(焦距f通常為5-200mm)，將垂直于柱面軸的光線匯聚成線，而平行于軸的光線保持平行。例如，搭配球面透鏡組成“柱面-球面透鏡組”，可將圓形光束先準直再整形為寬度可控的線光斑(如光纖激光器常用的1/e²線寬50μm×長度100mm)。關鍵參數是柱面焦距的選擇——短焦距(如10mm)產生窄而長的線斑，長焦距(如100mm)形成寬而短的線斑，需根據加工材料厚度(如薄金屬片用窄線斑，厚板材用寬線斑)調整。
二、光束準直與掃描：方向性控制的核心
在激光通信或掃描系統中，需將發散的激光束準直為平行光(發散角≤0.1mrad)以提高傳輸距離。該透鏡可用于單軸準直——當入射光束在柱面軸向有發散角時(如半導體激光器的快軸發散角通常為30-40°)，通過選擇合適焦距的柱面透鏡(公式：f≈D/θ，D為光束直徑，θ為發散角)，可將快軸方向的光線準直為平行光(發散角降至0.5-1°)。此外，在激光掃描振鏡系統中，柱面透鏡與旋轉反射鏡配合，可實現二維平面內的光束偏轉(如激光雷達的線掃描成像)。
三、關鍵技術參數與選型要點
•柱面曲率半徑(R)與焦距(f)：f=R/(n-1)(n為透鏡材質折射率，如K9玻璃n≈1.516)，選型時需根據目標焦距計算R值，短焦距對應小R(高曲率)，長焦距對應大R(低曲率)。
•面形精度(PV值)：柱面軸向的面形誤差(PV≤λ/4)直接影響光斑質量，若面形不規則會導致線斑扭曲或能量不均。
•材質與鍍膜：高功率激光應用(如千瓦級光纖激光)需選用熔融石英材質(耐熱沖擊性好)，并搭配增透膜(如對1064nm激光反射率<0.2%)以減少能量損耗。
柱面透鏡通過單方向聚焦的特性，解決了傳統球面透鏡無法實現的“各向異性光束控制”需求，是激光精密加工與光通信領域的“方向調節大師”。
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