激光擴束鏡理論研究及選型指南

激光擴束鏡可將準(zhǔn)直輸入光束的直徑擴大到更大的準(zhǔn)直輸出光束。擴束鏡常用于如激光掃描、干涉測量或遙測應(yīng)用中。現(xiàn)在的激光擴束鏡都是從完善的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡基礎(chǔ)中發(fā)展而來的無焦系統(tǒng)設(shè)計。在此類系統(tǒng)中，物體光線以平行方式進入內(nèi)部光學(xué)元件的光軸中，并以平行方式離開。這意味著整個系統(tǒng)不具備焦距。

理論：望遠(yuǎn)鏡

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

折射望遠(yuǎn)鏡可分為兩類：開普勒式望遠(yuǎn)鏡和伽利略式望遠(yuǎn)鏡。開普勒式望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡

伽利略式望遠(yuǎn)鏡由正透鏡和負(fù)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(fù)透鏡，因此兩個透鏡之間的距離比開普勒式望遠(yuǎn)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(zhǔn)確的長度。

圖2: 伽利略式望遠(yuǎn)鏡

望遠(yuǎn)鏡的放大倍數(shù)或放大倍數(shù)的倒數(shù)等于物鏡焦距和目鏡焦距的比值

如果放大倍數(shù)大于1，則望遠(yuǎn)鏡會放大。如果放大倍數(shù)小于1，則望遠(yuǎn)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(shè)計為使準(zhǔn)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(qū)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(yīng)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?jǐn)U束鏡都選擇使用伽利略式設(shè)計或其變體（圖4）。然而，開普勒式設(shè)計在需要空間濾光的激光應(yīng)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(nèi)部焦點，這不利于高功率應(yīng)用，但適用于低功率應(yīng)用的空間濾光

圖4: 伽利略式擴束鏡沒有內(nèi)部焦點，非常適合高功率激光器應(yīng)用

使用開普勒式或伽利略式設(shè)計于激光擴束鏡應(yīng)用時，重要的是能夠計算出輸出光束發(fā)散。這決定了與完美平行光線的偏差。光束發(fā)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(shù) (MP) 現(xiàn)在可通過光束發(fā)散或光束直徑來表示。

解等式4和等式5時，可以發(fā)現(xiàn)輸出光束發(fā)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(fā)散將會提高。小光束的代價就是形成很大的發(fā)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(fā)散的函數(shù)（圖 5）。

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

激光束發(fā)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(shù)增大輸入光束和減小輸入發(fā)散。將等式4和5代入等式6，結(jié)果如下：

應(yīng)用1：降低功率密度

擴束鏡以放大倍數(shù)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(xiàn)激光誘導(dǎo)損傷的幾率，并允許使用更經(jīng)濟實惠的鍍膜和光學(xué)元件。

應(yīng)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(dǎo)致遠(yuǎn)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(fā)散，進而在較大距離下形成較小的平行光束。

示例

以數(shù)值示例探究先前所述的激光擴束鏡等式:

初始參數(shù)

• 激光擴束鏡放大倍數(shù)=MP=10X

• 輸入光束直徑=1mm

• 輸入光束發(fā)散=0.5mrad

• 工作距離=L=100m

計算參數(shù)

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(yīng)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(lán)色描述。一般來說，在聚焦激光束時，球面像差被認(rèn)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(tǒng)內(nèi)擴展光束，使用因數(shù)m使輸入直徑(D) 增加，同時使發(fā)散減小。光束聚焦成一個小光斑時，這個以m為因數(shù)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(quán)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(yīng)用4：激光束尺寸補償

在實際應(yīng)用中，常采用可調(diào)激光擴束鏡來規(guī)范激光束的尺寸。激光產(chǎn)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(tǒng)中實現(xiàn)沿光學(xué)路徑進一步延伸的固定光束直徑，可以使用可調(diào)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(yīng)用選擇擴束鏡時，必須確定特定條件以獲得適當(dāng)?shù)男阅堋?/p>

滑動和旋轉(zhuǎn)對焦機制

用于聚焦擴束鏡或改變可調(diào)擴束鏡放大倍率的結(jié)構(gòu)通常分為兩種類型：滑動型和旋轉(zhuǎn)型。旋轉(zhuǎn)聚焦機制，如螺紋聚焦管，在平移過程中旋轉(zhuǎn)光學(xué)元件。由于它們的結(jié)構(gòu)簡單，因此成本比滑動聚焦結(jié)構(gòu)更低，但元件旋轉(zhuǎn)可能會導(dǎo)致光束漂移（圖8）。

圖8: 可能由于旋轉(zhuǎn)對焦機制導(dǎo)致的光束漂移的放大說明

滑動聚焦結(jié)構(gòu)，如螺旋筒，在不旋轉(zhuǎn)的情況下平移內(nèi)部光學(xué)元件，從而最大程度地減少光束漂移。不過，這需要比旋轉(zhuǎn)聚焦機制更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，會增加系統(tǒng)成本。設(shè)計不佳的滑動光學(xué)元件在力學(xué)上也可能會過度移動自由。盡管經(jīng)過調(diào)整后，這些設(shè)計不佳的設(shè)計中的指向誤差不會導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)，但它將大于旋轉(zhuǎn)光學(xué)元件或正確設(shè)計的滑動光學(xué)元件。

內(nèi)部對焦

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

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(yuǎn)不如透射式擴束鏡常見，但一些優(yōu)點使其成為某些應(yīng)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(zhǔn)直與波長有關(guān)。盡管這與許多激光應(yīng)用無關(guān)，因為激光往往在單一波長下發(fā)射，但它在寬帶應(yīng)用中可能至關(guān)重要。多激光系統(tǒng)、一些可調(diào)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(xù)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(lián)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(cè)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(diào)擴束鏡，無限可調(diào)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(diào)擴束鏡-適用于大功率系統(tǒng)

1x-8x可調(diào)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(nèi)的激光應(yīng)用而設(shè)計。

物鏡的光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計方式是在整個擴展范圍內(nèi)實現(xiàn)衍射極限的圖像質(zhì)量。優(yōu)化的涂層可確保在355和1030–1080nm的波長范圍內(nèi)實現(xiàn)最高的透射率和最小的熱效應(yīng)。 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(yīng)用。

創(chuàng)新的框架概念意味著擴束鏡的結(jié)構(gòu)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(chǎn)不同材料的微觀結(jié)構(gòu)、標(biāo)記和銘文。

Steadfast 1x-4x可調(diào)擴束鏡-非常堅固的熔融石英系統(tǒng)

Steadfast 1x-4x可調(diào)擴束鏡擁有創(chuàng)新的機械設(shè)計：移動的光學(xué)組件沿直線穩(wěn)定引導(dǎo)。 這減少了機械制造公差的影響，并在改變放大倍數(shù)和/或發(fā)散度時提高了光束穩(wěn)定性。 擴束鏡實現(xiàn)了小于1毫弧度的高光束穩(wěn)定性。

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

1x-4x可調(diào)擴束鏡-熔融石英系統(tǒng)

適用于355nm、532nm和1030-1080nm波長的1x-4x可調(diào)擴束鏡可提供高圖像質(zhì)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(shù)之間連續(xù)調(diào)整。擴展的光束越大，F(xiàn)-Theta透鏡可以生成的結(jié)構(gòu)就越小。聚焦環(huán)可以有針對性地調(diào)整激光束發(fā)散度，從而補償整個系統(tǒng)中的焦距公差。也可以根據(jù)掃描系統(tǒng)改變圖像平面的位置。

憑借優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計，擴束鏡非常堅固和緊湊，因此在設(shè)置更改期間透鏡不會旋轉(zhuǎn)。這提高了光束穩(wěn)定性。擴束鏡具有擴散限制設(shè)計，并針對355nm、532nm或1030–1080nm的相應(yīng)應(yīng)用波長進行了調(diào)溫。可以使用直接刻在擴束鏡上的縮放和聚焦刻度來調(diào)整設(shè)置。

2x-10x可調(diào)擴束鏡-大倍率變焦范圍

波長為355nm、532nm和1030–1080nm的可調(diào)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(shù)的2到 10倍之間連續(xù)調(diào)整。這些擴束鏡專為極大擴展光束直徑有益的應(yīng)用而設(shè)計。擴展的光束越大，F(xiàn)-Theta透鏡可以生成的結(jié)構(gòu)就越小。

聚焦環(huán)可以有針對性地調(diào)整激光束發(fā)散度，從而補償整個系統(tǒng)中的焦距公差。也可以根據(jù)掃描系統(tǒng)改變圖像平面的位置。憑借優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計，擴束鏡非常堅固和緊湊，因此在設(shè)置更改期間透鏡不會旋轉(zhuǎn)。這提高了光束穩(wěn)定性。擴束鏡具有擴散限制設(shè)計，并針對355nm、532nm或1030–1080nm的相應(yīng)應(yīng)用波長進行了調(diào)溫。可以使用直接刻在擴束鏡上的縮放和聚焦刻度來調(diào)整設(shè)置。

1x-8x新型電動擴束鏡-使用智能擴束鏡進行自動配置設(shè)置

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

最佳光斑尺寸在運行過程中可調(diào)。可以精確調(diào)整激光束的發(fā)散度，以在整個系統(tǒng)中實現(xiàn)公差補償，例如補償熱效應(yīng)。控制發(fā)散度還可以更改工作平面的位置，例如用于3D處理。當(dāng)激光束縮小或增大時，透鏡不會旋轉(zhuǎn)，而是在線性導(dǎo)軌內(nèi)移動，從而實現(xiàn)出色的光束穩(wěn)定性和始終如一的高質(zhì)量。這些功能還減少了設(shè)置時間并提高了生產(chǎn)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(tǒng)中。