طراحی گسترش دهنده یا کاهنده پرتو همیشه برای کاربرد مهم نیست، اما انتخاب می تواند تحت تأثیر عواملی مانند تراز آسان تر و طراحی بصری تر دستگاه های Keplerian و ابعاد فشرده دستگاه های Galilean باشد. علاوه بر این، یک دستگاه کپلر نور را بین دو عدسی خود متمرکز می کند و سپس یک پرتو معکوس به بیرون می فرستد. یک دستگاه گالیله جهت پرتو را حفظ می کند و گزینه انتخاب عدسی ها را برای کاهش میزان انحراف کروی در پرتو خروجی فراهم می کند.
گسترش دهنده ها و کاهنده های پرتو معمولاً فقط با پرتوهای موازی به جای پرتوهای واگرا استفاده می شوند و این طرح ها از تلسکوپ های کپلرین و گالیله الهام گرفته شده اند. بزرگنمایی ارائه شده در هر دو حالت برابر است با فاصله کانونی لنز خروجی تقسیم بر فاصله کانونی لنز ورودی.
ویژگی های طرح کپلرین
در ساده ترین طرح کپلر، دو عدسی مثبت با فاصله ای برابر با مجموع فواصل کانونی آنها از هم جدا می شوند. طراحی مبتنی بر تلسکوپ کپلرین هرگز کوتاهتر از مجموع فاصله کانونی دو عدسی نخواهد بود و پرتو خروجی نسبت به پرتو ورودی معکوس است.
پرتو بین دو عدسی متمرکز می شود. این فرصت را برای فیلتر فضایی پرتو فراهم می کند. به عنوان مثال، یک فیلتر سوراخ سوزنی را می توان در نقطه کانونی پرتو قرار داد تا کیفیت پرتو را بهبود بخشد. دور از فوکوس، قطر پرتو با نزدیک شدن به عدسی خروجی منبسط می شود. برای افزایش قطر پرتو همسو شده توسط لنز خروجی، لازم است عدسی خروجی دورتر از فوکوس قرار گیرد. از آنجایی که فاصله بین فوکوس و لنز خروجی برابر با فاصله کانونی است، این امر مستلزم استفاده از لنزی با فاصله کانونی بیشتر است.
طرح Keplerian معمولاً برای پرتوهای پرانرژی، مانند پرتوهای لیزر پالسی پرقدرت که در برخی از برش ها و سایر کاربردهای تولیدی استفاده می شود، ترجیح داده نمی شود. برای مثال، فوکوس کردن پالسهایی با مدت زمان نانوثانیه و توان نوری حدود 1 مگاوات یا بیشتر، میتواند هوا را یونیزه کند و جرقه ایجاد کند که به طور نامطلوبی قدرت پالس را کاهش میدهد و میتواند بر کیفیت پرتو تأثیر منفی بگذارد.
ویژگی های طرح گالیله
یک تلسکوپ اصلی گالیله نیز شامل دو عدسی است، اما یکی منفی و دیگری مثبت است. لنزها به گونه ای قرار گرفته اند که فاصله بین آنها با اختلاف فاصله کانونی برابر باشد و در نتیجه طراحی فشرده تری نسبت به رویکرد کپلر ایجاد می کند.
روش گالیله همچنین می تواند برای به حداقل رساندن انحراف کروی ناشی از گسترش دهنده یا کاهنده پرتو استفاده شود. همه عدسیهای کروی انحراف کروی ایجاد میکنند و یکی از پیامدهای آن گسترش تمرکز پرتو در امتداد محور نوری است. در مورد عدسی کروی مثبت، پرتوهای موازی در مقایسه با پرتوهای موازی نزدیکتر به محیط بیرونی لنز، به نقطهای در محور نوری نزدیکتر به عدسی میتابند. از آنجایی که عدسی کروی منفی اثر معکوس دارد، از عدسی منفی در طرح گالیله می توان برای خنثی کردن برخی از انحرافات کروی ناشی از عدسی مثبت استفاده کرد.
هنگامی که دستگاه به عنوان گسترش دهنده پرتو استفاده می شود، پرتو با قطر کوچکتر به عدسی منفی برخورد می کند. پرتو واگرا ارائه شده توسط عدسی منفی با نزدیک شدن به عدسی مثبت، به جای تمرکز بین دو عدسی، قطر آن افزایش می یابد. این پرتو واگرا را می توان به عنوان دارای یک فوکوس مجازی توصیف کرد که در سمت مخالف عدسی منفی قرار دارد، همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است. از آنجایی که عدسی مثبت یک فاصله کانونی است (f2) به دور از این فوکوس مجازی، عدسی مثبت یک پرتو هماهنگ را خروجی می دهد که در مقایسه با پرتو ورودی معکوس نیست. اگر پرتو از نظر چرخشی متقارن نباشد، جهت گیری خروجی پرتو ممکن است برای کاربرد مهم باشد.
نسبت انبساط
گسترش دهنده ها و کاهنده های پرتو برای پذیرش و ارائه تیرهای همسو طراحی شده اند. با وجود اینکه پرتوها به هم متصل هستند، قطر آنها با انتشار به دلیل تأثیرات پراش تغییر می کند. در حالت ایدهآل، کمر پرتو ورودی یک فاصله کانونی از لنز ورودی، همانطور که در شکلهای 1 و 2 نشان داده شده است، قرار میگیرد. سپس کمر پرتو خروجی یک فاصله کانونی از لنز خروجی فاصله دارد. اگر کمر پرتو ورودی یک فاصله کانونی با عدسی ورودی فاصله نداشته باشد، ممکن است محل دور کمر پرتو خروجی، قطر کمر پرتو خروجی و/یا واگرایی پرتو خروجی با مقادیر تخمینی مطابقت نداشته باشد.
قطر کمر هر دو پرتو (2Wo) و زاویه واگرایی (θ) تحت تأثیر گسترش دهنده ها و کاهنده های پرتو قرار می گیرند. تغییر این دو پارامتر پرتو را می توان با استفاده از نسبت انبساط پرتو دستگاه تخمین زد (m). قطر کمر تیر خروجی با ضرب نسبت انبساط تیر و قطر تیر ورودی محاسبه می شود. زاویه واگرایی پرتو خروجی با تقسیم زاویه واگرایی پرتو ورودی بر نسبت انبساط پرتو محاسبه می شود.
هنگامی که دستگاه شامل دو عدسی است، فرمول محاسبه نسبت انبساط پرتو برای هر دو طرح کپلرین و گالیله یکسان است. نسبت انبساط پرتو برابر است با فاصله کانونی لنز خروجی تقسیم بر فاصله کانونی لنز ورودی.