激光擴束器(Beam Expander)設計

常規的激光擴束器，主要的作用就是利用光學透鏡改變輸入光斑的空間形狀分布。比如把小的圓形光斑改成大的圓形光斑，把圓形光斑調制成橢圓形光斑，改變矩形光斑的長寬比等等。本期介紹了四種激光擴束的設計思路，感興趣的朋友們多多交流。

方案1：利用兩組正透鏡實現圓形準直光斑的擴束

系統的光路圖如下，在兩組透鏡的公共焦點位置，安裝針孔遮擋雜散光。

整個系統的放大率關系如下所示：

從系統長度的關系可以看出：

方案2：利用一正一負透鏡組合實現圓形準直光斑的擴束

系統的光路圖如下所示，和兩組正透鏡方案類似，一正一負兩組透鏡的配置依然是共焦點的。

一正一負兩組透鏡設計方案的放大率計算公式如下所示：

從系統長度的關系可以看出：

從方案1和方案2的對比可知，相同參數要求下，方案2比方案1的整體長度要短:

方案3：利用柱透鏡把圓形光斑整形成橢圓光斑

輸入光斑想要在某個方向上壓縮的到橢圓光斑，就可以利用cylinder透鏡。比如下圖所示，圓形準直光斑輸入，在X方向上保持準直特性不變，在Y方向進行壓縮得到橢圓光斑。

對于激光器出射后的橢圓光斑，也可以利用柱透鏡整形成為圓形光斑。

除了圓形光斑，如果需要對矩形光斑改變長寬比，也可以利用類似的思路，如下所示。

比如之前有朋友咨詢，對于入射圓形準直光斑，是否可以用兩塊柱面透鏡實現，光斑在Y方向上聚焦，光斑在X方向上長度連續變焦。

用相同的兩塊柱透鏡，通過改變兩個透鏡之間的距離，是完全可以實現的，如下圖所示。

方案4：利用棱鏡組合進行擴束設計

除了透鏡方案外，還可以利用棱鏡方案進行擴束設計，如下圖所示。

筆者喜歡用兩組相同的棱鏡設計，這里的相同有雙重含義，第一指的是兩個透鏡的形狀完全相同，可以在節省加工成本。第二指的是棱鏡相對于入射光線的擺位完全相同，這樣子很方便計算，只需要計算一組結果即可，第二組棱鏡直接斜邊朝著入射光直立放置即可，光路配置非常方便。

先計算光線經過第一個棱鏡的放大率，則整個系統的放大率就是已知的，假設棱鏡對折射率n已知，且入射光線和棱鏡斜面的夾角已知，根據三角關系，可以直到光束擴展倍率：

由于兩個棱鏡是串聯的，因此整個系統的擴束倍率為：

這種棱鏡實現的功能和柱面透鏡相同，可以改變光斑兩個方向上的尺寸比，也就是說，既可以把圓形光斑整形為橢圓光斑，也可以對矩形光斑進行整形。但是這種組合有個明顯的劣勢，系統的光軸是偏心的，所以沒有特別的要求，不建議使用這種optical axis shift的設計方案。

再補充：如下圖所示，由于激光很容易產生干涉，因此如果光學系統表面不做鍍膜處理，很容易會造成局部能量集中，干涉造成的局部能量欺負差異會達到20%，因此不管從系統的能量閾值安全性方面考慮，還是從系統探測的準確度方面考慮，激光類應用的光學系統表面都需要鍍增透膜。