擴束器——用于擴大平行輸入光束的直徑至較大的平行輸出光束

時間：2021-07-22 來源：新特光電訪問量：4699

在激光技術和通用光學中，人們經常使用準直光束，根據定義，在一定長度上具有大致恒定的光束半徑。有時，有必要顯著修改波束半徑，例如以實現減小的波束發散以在更大的距離上傳輸波束。為此，可以構建擴束器，也可以作為固定光學組件使用。擴束器常用于如激光掃描、干涉測量或遙測應用中。現在的擴束器都是采用從完善的光學望遠鏡基礎中發展而來的無焦系統設計。

在大多數情況下，擴束器被實現為由兩個透鏡（或在某些情況下由兩個曲面鏡）組成的光學望遠鏡。兩種不同的配置是常見的：

開普勒望遠鏡由兩個聚焦透鏡組成，其中兩個透鏡之間的距離是它們的焦距之和。然后在透鏡之間有一個束腰。如果工具焦距值不同，則修改該望遠鏡后的光束半徑。例如，如果第二個透鏡的焦距是第一個透鏡的兩倍，則可實現兩倍的光束半徑。
一個伽利略望遠鏡由一個聚焦透鏡和八個聚焦透鏡組成。同樣，透鏡之間的距離等于焦距的總和——但其中一個焦距為負（散焦透鏡的焦距）。這種望遠鏡的優點是可以更緊湊。

開普勒望遠鏡2倍光束擴展時光束半徑的計算演變

開普勒望遠鏡2倍光束擴展時光束半徑的計算演變。

為了獲得給定的放大倍數（膨脹比、光束半徑比），可以使用不同的焦距值。大多數緊湊型解決方案都可以使用小焦距，但也存在局限性。特別是，如果同時需要大的輸出光束半徑，則可能需要具有非常高數值孔徑的透鏡。因此，用于大光束操作的擴束器暫時更長。當然，擴束器也可以反向操作。

可變擴束鏡

有可變光束擴展器（變焦擴展器），即可以在一定范圍內（例如從 2 × 到 5 × 或從 5 × 到 10 ×）調整放大倍率的設備。那些至少包含三個鏡頭和一些精細的機械裝置來調整其中至少一個的位置。

放大倍數可調的擴束鏡

單向擴束鏡

使用柱面透鏡，可以實現只在一個方向工作的擴束鏡。為此，還可以使用變形棱鏡對。

不合適的輸入光束

擴束器一般不設計用于發散光束，而僅用于準直光束，并且只能在一定的光束半徑范圍內使用。否則，可能會獲得剪裁效果和/或無法輸出準直光束。顯然，光束只有在束腰足夠大的情況下才能在一定長度上進行準直。例如，圖 3 顯示了圖 1 中考慮的同一擴束器中光束半徑的演變，但初始光束半徑小 5 倍。在這里，光束不能再被視為準直光束。熟悉高斯光束是理解擴束器和類似設備操作的良好基礎。

對于太小的輸入光束半徑，光束半徑與位置的關系

波長范圍

為了使光功率損失最小，鏡片通常配備有抗反射涂層。然而，這些僅在有限的波長范圍內起作用。

光學損傷

對于脈沖激光應用，所使用的鏡片鍍膜還應具有足夠高的光學損傷閾值。此外，應避免使用未對準的高功率光束進行操作，這可能導致某些部件過熱。

對于非常高的激光功率，使用純反射光束擴展器（用鏡子代替透鏡）。這是因為反射鏡上的熱效應（如熱透鏡效應）較弱。此外，這樣可以避免任何寄生反射。然而，缺點是反射鏡通常會引入一定量的散光。

光束指向角

在修改光束半徑時，還可以修改光束指向偏差的強度。例如，光束半徑加倍意味著輸出光束的角度變化強度僅為輸入光束的一半。

業納Jenoptik激光擴束器

德國業納Jenoptik集團，其前身是東德國知名光學公司卡爾蔡司公司，東德國與西德國合并后，政府令其更名，于1991年確名業納Jenoptik公司。JENOPTIK集團下設激光與材料加工、光學系統、工業測量系統、交通解決方案、國防與民用設施五大事業部。其中激光與材料加工事業部專業從事激光器研發制造、激光精密材料加工等。新特光電作為其在國內的戰略合作伙伴、國內授權一級代理商,授權為國內客戶提供激光擴束器和物鏡等，這些物鏡和擴束器極其耐用和高效，廣泛應用于高精密激光材料的加工中。

適用于各種波長的可變擴束器

擴束器增加或減小激光光束的直徑，可讓光學系統的各類元件彼此校準。在激光輸出處的激光光束的直徑可根據物鏡輸入端所需的直徑進行調整。擴束器主要用于激光材料加工。無限可調的擴束器可確保符合激光材料加工中所需的高精度要求。其中1x-4x和2x-10x擴束器適用的激光波長為355、532和1030至1080 納米。擴展的縮放范圍使得10倍擴束成為可能。所有型號均可從最小系數無限擴展至最大系數。擴展和分散是分開調整的。這意味著擴束器可對整個光學系統進行聚焦校正。擴束器結構非常堅實和緊湊。鏡片元件在更改設置的過程中不會發生旋轉。這將確保極高的光束穩定性。擴束器采用衍射極限的設計：激光光束的直徑僅受光的衍射的限制。縮放和聚焦刻度雕刻在擴束器的表面，因此可快速輕松地進行手動調節。

可變擴束器