Staru paplašinātāja vai reduktora dizains ne vienmēr ir svarīgs lietojumam, taču izvēli var ietekmēt tādi faktori kā Kepleri ierīču vieglākā izlīdzināšana un intuitīvāka konstrukcija un Galilean ierīču kompaktie izmēri. Turklāt Keplerian ierīce fokusē gaismu starp divām lēcām un pēc tam izvada apgrieztu staru. Galilean ierīce saglabā staru kūļa orientāciju un nodrošina iespēju izvēlēties lēcas, lai samazinātu sfēriskās aberācijas apjomu izvades starā.
Staru paplašinātājus un reduktorus parasti izmanto tikai ar kolimētiem stariem, nevis novirzošiem stariem, un šie dizaini ir iedvesmojušies no Keplera un Galilejas teleskopiem. Abos gadījumos nodrošinātais palielinājums ir vienāds ar izejas objektīva fokusa attālumu, kas dalīts ar ievades objektīva fokusa attālumu.
Keplera dizaina raksturojums
Vienkāršākajā Keplera dizainā divas pozitīvas lēcas ir atdalītas ar attālumu, kas vienāds ar to fokusa attālumu summu. Dizains, kas balstīts uz Keplera teleskopu, nekad nebūs īsāks par divu objektīvu fokusa attālumu summu, un izejas stars ir apgriezts attiecībā pret ieejas staru.
Stars nonāk fokusā starp diviem objektīviem. Tas nodrošina iespēju telpiski filtrēt staru kūli. Piemēram, staru kūļa fokusa punktā var novietot caurumu filtru, lai uzlabotu staru kūļa kvalitāti. Prom no fokusa stara diametrs palielinās, tuvojoties izejas objektīvam. Lai palielinātu kolimētā stara diametru, ko nodrošina izejas objektīvs, ir nepieciešams pārvietot izejas objektīvu tālāk no fokusa. Tā kā attālums starp fokusu un izvades objektīvu ir vienāds ar fokusa attālumu, ir jāizmanto objektīvs ar garāku fokusa attālumu.
Kepleri dizains parasti netiek dots priekšroka lielas enerģijas stariem, piemēram, lieljaudas impulsu lāzera stariem, ko izmanto dažos griešanas un citos ražošanas lietojumos. Fokusēšanas impulsi ar nanosekundes ilgumu un optisko jaudu ap ~1 MW vai lielāku, piemēram, var jonizēt gaisu un radīt dzirksteli, kas nevēlami samazina impulsa jaudu un var negatīvi ietekmēt staru kūļa kvalitāti.
Galilejas dizaina raksturojums
Pamata Galilejas teleskopā ir arī divi objektīvi, bet viens ir negatīvs, bet otrs ir pozitīvs. Lēcas ir novietotas tā, lai attālums starp tiem būtu vienāds ar to fokusa attālumu starpību, kā rezultātā ir kompaktāks dizains nekā Keplera pieeja.
Galileja pieeju var izmantot arī, lai samazinātu staru kūļa paplašinātāja vai reduktora izraisīto sfērisko aberāciju. Visas sfēriskās lēcas rada sfērisku aberāciju, un viena no sekām ir staru kūļa fokusa izplatīšanās pa optisko asi. Pozitīvas sfēriskas lēcas gadījumā paralēli stari, kas krīt tuvāk objektīva ārējam perimetra fokusam, uz optiskās ass punktu, kas ir tuvāk objektīvam, salīdzinot ar paralēliem stariem, kas krīt tuvu objektīva centram. Tā kā negatīvai sfēriskai lēcai ir pretējs efekts, Galilejas dizaina negatīvo lēcu var izmantot, lai novērstu daļu no pozitīvās lēcas izraisītās sfēriskās aberācijas.
Ja ierīci izmanto kā stara paplašinātāju, mazāka diametra stars krīt uz negatīvo lēcu. Atšķirīgais stars, ko nodrošina negatīvā lēca, palielinās diametrā, kad tas tuvojas pozitīvajam objektīvam, nevis fokusējas starp abām lēcām. Šo atšķirīgo staru kūli var raksturot kā virtuālu fokusu, kas atrodas negatīvā objektīva pretējā pusē, kā parādīts 2. attēlā. Tā kā pozitīvais objektīvs ir viens fokusa attālums (f2) prom no šī virtuālā fokusa pozitīvais objektīvs izvada kolimētu staru kūli, kas nav apgriezts, salīdzinot ar ieejas staru. Ja stars nav rotācijas simetrisks, lietojumprogrammai var būt svarīga staru kūļa izvades orientācija.
Izplešanās koeficients
Siju paplašinātāji un reduktori ir paredzēti kolimētu staru pieņemšanai un nodrošināšanai. Lai gan stari ir kolimēti, difrakcijas ietekmes dēļ to diametri mainās, kad tie izplatās. Ideālā gadījumā ieejas stara viduklis ir novietots viena fokusa attāluma attālumā no ievades objektīva, kā parādīts 1. un 2. attēlā. Izejas stara viduklis tad ir viena fokusa attāluma attālumā no izejas objektīva. Ja ievades stara viduklis neatrodas viena fokusa attāluma attālumā no ievades objektīva, izejas stara vidukļa atrašanās vieta, izejas stara vidukļa diametrs un/vai izejas stara novirze var nesakrist ar aplēstajām vērtībām.
Gan sijas vidukļa diametrs (2Wo) un novirzes leņķis (θ) ietekmē staru paplašinātāji un reduktori. Šo divu staru kūļa parametru izmaiņas var novērtēt, izmantojot ierīces staru kūļa izplešanās koeficientu (m). Izejas stara vidukļa diametru aprēķina, reizinot staru kūļa izplešanās koeficientu un ieejas stara diametru. Izejas staru kūļa novirzes leņķi aprēķina, dalot ieejas stara diverģences leņķi ar staru kūļa izplešanās koeficientu.
Ja ierīcei ir divi objektīvi, formula stara izplešanās koeficienta aprēķināšanai ir vienāda gan Kepleri, gan Galilejas konstrukcijām. Stara izplešanās koeficients ir vienāds ar izejas objektīva fokusa attālumu, kas dalīts ar ievades objektīva fokusa attālumu.