激光擴束鏡理論研究及選型指南

激光擴束鏡可將準直輸入光束的直徑擴大到更大的準直輸出光束。擴束鏡常用于如激光掃描、干涉測量或遙測應用中。現在的激光擴束鏡都是從完善的光學望遠鏡基礎中發展而來的無焦系統設計。在此類系統中，物體光線以平行方式進入內部光學元件的光軸中，并以平行方式離開。這意味著整個系統不具備焦距。

理論：望遠鏡

傳統上，光學望遠鏡主要用于觀察遠處的物體，例如宇宙中的天體。光學望遠鏡主要可分為兩大類：折射望遠鏡和反射望遠鏡。折射望遠鏡充分利用透鏡來折射或彎曲光線，而反射望遠鏡則是利用反射鏡來反射光線。

折射望遠鏡可分為兩類：開普勒式望遠鏡和伽利略式望遠鏡。開普勒式望遠鏡由正焦距的透鏡組成，透鏡按焦距總和分隔（圖1）。離被觀察物體或來源圖像最近的透鏡被稱為物鏡，最靠近人眼或成像的透鏡稱為成像透鏡。

圖1: 開普勒式望遠鏡

伽利略式望遠鏡由正透鏡和負透鏡組成，透鏡也按焦距總和分隔（圖2）。但是，由于其中一個透鏡為負透鏡，因此兩個透鏡之間的距離比開普勒式望遠鏡的透鏡距離短。使用兩個透鏡之間的有效焦距能夠很好地得出近似總長度，而使用后焦距則能夠獲得最準確的長度。

圖2: 伽利略式望遠鏡

望遠鏡的放大倍數或放大倍數的倒數等于物鏡焦距和目鏡焦距的比值

如果放大倍數大于1，則望遠鏡會放大。如果放大倍數小于1，則望遠鏡會縮小。

理論：激光擴束鏡

在激光擴束鏡中，物鏡和成像透鏡的位置顛倒。開普勒式擴束鏡設計為使準直輸入光束集中在物鏡和成像透鏡之間的一個點上，進而形成一個激光能量聚焦的區域（圖3）。該集中的點會加熱透鏡之間的空氣，折射光路中的光線，而這有可能會造成波前誤差。在高功率激光應用中，聚焦點處空氣的電離也可能是一個問題。有鑒于此，大部分擴束鏡都選擇使用伽利略式設計或其變體（圖4）。然而，開普勒式設計在需要空間濾光的激光應用中仍然非常有用，因為它們提供了一個便于放置空間濾光片的焦點。

圖3: 開普勒式擴束鏡有一個內部焦點，這不利于高功率應用，但適用于低功率應用的空間濾光

圖4: 伽利略式擴束鏡沒有內部焦點，非常適合高功率激光器應用

使用開普勒式或伽利略式設計于激光擴束鏡應用時，重要的是能夠計算出輸出光束發散。這決定了與完美平行光線的偏差。光束發散取決于輸入激光光束直徑和輸出激光光束直徑。

放大倍數 (MP) 現在可通過光束發散或光束直徑來表示。

解等式4和等式5時，可以發現輸出光束發散 (θO) 隨輸出光束直徑(DO) 增加而降低，反之亦然。所以，如果使用擴束鏡來縮小光束，光束直徑將會縮小，但激光的光束發散將會提高。小光束的代價就是形成很大的發散角。

除此之外，能夠計算特定工作距離 (L) 的輸出光束直徑也是極為重要的。輸出光束直徑是在特定工作距離 (L) 后的輸入光束直徑和光束發散的函數（圖 5）。

圖 5: 可以使用激光的輸入光束直徑和發散來計算特定工作距離下的輸出光束直徑

激光束發散用半角表示，因此，等式6的第二項需要因子2。

擴束鏡通過放大倍數增大輸入光束和減小輸入發散。將等式4和5代入等式6，結果如下：

應用1：降低功率密度

擴束鏡以放大倍數的平方增加光束面積，而不會顯著影響光束中包含的總能量。這會降低光束的功率密度和輻照度，從而延長激光組件的壽命，降低出現激光誘導損傷的幾率，并允許使用更經濟實惠的鍍膜和光學元件。

應用2：最大程度地降低特定距離下的光束直徑

盡管這似乎不太直觀，但使用擴束鏡增加激光的直徑可能會導致遠離激光光圈的光束直徑變小。擴束鏡會因特定的擴束功率而提高輸入激光光束，也會因相同的擴束功率而降低光束發散，進而在較大距離下形成較小的平行光束。

示例

以數值示例探究先前所述的激光擴束鏡等式:

初始參數

• 激光擴束鏡放大倍數=MP=10X

• 輸入光束直徑=1mm

• 輸入光束發散=0.5mrad

• 工作距離=L=100m

計算參數

輸出光束直徑

使用等式6，無需使用擴束鏡即可將此值與光束直徑相比較。

與不使用擴束鏡的相同激光器相比，使用10X擴束鏡的輸出光束直徑減少了100m，減少了5倍多。

應用3：最大程度地減小聚焦光斑尺寸

光斑尺寸通常指從最大輻照度中心點到強度降為初始值1/e2的點的徑向距離 (圖6)。理想透鏡的聚焦光斑尺寸可以通過使用波長 (λ)、透鏡的焦距 (f)、輸入光束直徑 (DI)、透鏡的折射率 (n) 和光束的M2因子（代表與理想高斯光束的變異程度）計算。

圖6: 光斑尺寸通常在強度 I(r) 下降到初始值I0的1/e2時測量

光斑尺寸基本上由衍射和像差的組合決定，二者在圖7中分別以紅色和藍色描述。一般來說，在聚焦激光束時，球面像差被認為是唯一且主要的像差類型，這就是等式 11 只考慮球面像差的原因。在衍射中，焦距越短，光斑尺寸越小。更重要的是，輸入光束直徑越大，光斑尺寸越小。

通過在系統內擴展光束，使用因數m使輸入直徑(D) 增加，同時使發散減小。光束聚焦成一個小光斑時，這個以m為因數的光斑比未擴束的理想衍射極限光斑更小。然而，由于球面像差隨輸入光束直徑的增大而增大，因此需要對其進行權衡。

圖7: 在較小的輸入光束直徑下，聚焦光斑尺寸受到衍射限制。隨著輸入光束直徑的增加，球差開始控制光斑大小

應用4：激光束尺寸補償

在實際應用中，常采用可調激光擴束鏡來規范激光束的尺寸。激光產生指定光束直徑，但對該直徑也有一定允差。為了在多個系統中實現沿光學路徑進一步延伸的固定光束直徑，可以使用可調擴束鏡來補償光束大小這種激光到激光的變化。

擴束鏡選擇條件

為應用選擇擴束鏡時，必須確定特定條件以獲得適當的性能。

滑動和旋轉對焦機制

用于聚焦擴束鏡或改變可調擴束鏡放大倍率的結構通常分為兩種類型：滑動型和旋轉型。旋轉聚焦機制，如螺紋聚焦管，在平移過程中旋轉光學元件。由于它們的結構簡單，因此成本比滑動聚焦結構更低，但元件旋轉可能會導致光束漂移（圖8）。

圖8: 可能由于旋轉對焦機制導致的光束漂移的放大說明

滑動聚焦結構，如螺旋筒，在不旋轉的情況下平移內部光學元件，從而最大程度地減少光束漂移。不過，這需要比旋轉聚焦機制更復雜的結構，會增加系統成本。設計不佳的滑動光學元件在力學上也可能會過度移動自由。盡管經過調整后，這些設計不佳的設計中的指向誤差不會導致旋轉，但它將大于旋轉光學元件或正確設計的滑動光學元件。

內部對焦

開普勒式擴束鏡包含一個內部焦點，這在高功率系統中可能會出現問題。密集的聚焦光斑可以電離空氣或由于熱偏轉光線導致波前誤差。因此，大多數擴束鏡都是伽利略式的，以避免內部對焦帶來的復雜問題。不過，某些應用需要空間濾光，這只能通過具有內部對焦能力的開普勒式設計實現

反射式和透射式

反射式擴束鏡使用曲面鏡，而不是透射透鏡來擴展光束（圖 9）。反射式擴束鏡遠不如透射式擴束鏡常見，但一些優點使其成為某些應用的正確選擇。反射式擴束鏡不存在色差，而透射式擴束鏡的放大和輸出光束準直與波長有關。盡管這與許多激光應用無關，因為激光往往在單一波長下發射，但它在寬帶應用中可能至關重要。多激光系統、一些可調諧激光器和超快激光器需要反射式擴束鏡的消色差特性。由于超快激光器的脈沖持續時間極短，因此其固有波長范圍比其他激光器更寬。量子級聯激光器也得益于反射式擴束鏡，因為在它們的工作波長下，可能不存在透射選項。

圖9:與透射式擴束鏡不同，卡諾普斯反射式擴束鏡的曲面鏡可擴展入射激光束。擴束鏡側面的孔具有集成安裝功能

激光擴束鏡選擇指南

適用于各種波長的可調擴束鏡，無限可調的擴束鏡可確保符合激光材料加工中所需的高精度要求。

1x-8x可調擴束鏡-適用于大功率系統

1x-8x可調擴束鏡是SilverlineTM高功率透鏡系列的一部分，專為355或1030-1080nm波長范圍內的激光應用而設計。

物鏡的光學系統的設計方式是在整個擴展范圍內實現衍射極限的圖像質量。優化的涂層可確保在355和1030–1080nm的波長范圍內實現最高的透射率和最小的熱效應。 全石英的使用保證了高損傷閾值，因此透鏡甚至可以承受高功率激光應用。

創新的框架概念意味著擴束鏡的結構極其緊湊和堅固。 這些鏡頭非常適合SilverlineTM系列中的F-theta物鏡。它們用于生產不同材料的微觀結構、標記和銘文。

Steadfast 1x-4x可調擴束鏡-非常堅固的熔融石英系統

Steadfast 1x-4x可調擴束鏡擁有創新的機械設計：移動的光學組件沿直線穩定引導。 這減少了機械制造公差的影響，并在改變放大倍數和/或發散度時提高了光束穩定性。 擴束鏡實現了小于1毫弧度的高光束穩定性。

還可以鎖定新設計的擴束鏡上的設置。 這最大限度地減少了系統的振動和加速度等影響，使用起來既簡單又安全，可將設置時間降至最低。

1x-4x可調擴束鏡-熔融石英系統

適用于355nm、532nm和1030-1080nm波長的1x-4x可調擴束鏡可提供高圖像質量和非常緊湊的長度。所有版本都可以在1到4倍的擴展系數之間連續調整。擴展的光束越大，F-Theta透鏡可以生成的結構就越小。聚焦環可以有針對性地調整激光束發散度，從而補償整個系統中的焦距公差。也可以根據掃描系統改變圖像平面的位置。

憑借優化的結構設計，擴束鏡非常堅固和緊湊，因此在設置更改期間透鏡不會旋轉。這提高了光束穩定性。擴束鏡具有擴散限制設計，并針對355nm、532nm或1030–1080nm的相應應用波長進行了調溫。可以使用直接刻在擴束鏡上的縮放和聚焦刻度來調整設置。

2x-10x可調擴束鏡-大倍率變焦范圍

波長為355nm、532nm和1030–1080nm的可調擴束鏡具有特別大的變焦范圍。所有版本都可以在擴展系數的2到 10倍之間連續調整。這些擴束鏡專為極大擴展光束直徑有益的應用而設計。擴展的光束越大，F-Theta透鏡可以生成的結構就越小。

聚焦環可以有針對性地調整激光束發散度，從而補償整個系統中的焦距公差。也可以根據掃描系統改變圖像平面的位置。憑借優化的結構設計，擴束鏡非常堅固和緊湊，因此在設置更改期間透鏡不會旋轉。這提高了光束穩定性。擴束鏡具有擴散限制設計，并針對355nm、532nm或1030–1080nm的相應應用波長進行了調溫。可以使用直接刻在擴束鏡上的縮放和聚焦刻度來調整設置。

1x-8x新型電動擴束鏡-使用智能擴束鏡進行自動配置設置

1x-8x新型電動擴束鏡簡化了激光材料加工的生產步驟，光束擴展可以使用軟件命令從1x連續調整到8x。

最佳光斑尺寸在運行過程中可調。可以精確調整激光束的發散度，以在整個系統中實現公差補償，例如補償熱效應。控制發散度還可以更改工作平面的位置，例如用于3D處理。當激光束縮小或增大時，透鏡不會旋轉，而是在線性導軌內移動，從而實現出色的光束穩定性和始終如一的高質量。這些功能還減少了設置時間并提高了生產效率，新型電動擴束鏡可以輕松集成到任何激光材料加工系統中。