激光擴(kuò)束器

激光擴(kuò)束器設(shè)計(jì)用于擴(kuò)大平行輸入光束的直徑較大的平行輸出光束。激光擴(kuò)束器常用于如激光掃描、干涉測量或遙測應(yīng)用中。現(xiàn)在的激光擴(kuò)束器都是采用從完善的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡基礎(chǔ)中發(fā)展而來的無焦系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在此類系統(tǒng)中，位于無窮遠(yuǎn)的物體光線，以平行的方式進(jìn)入內(nèi)部光學(xué)件的光軸中，同時也以平行的方式離開。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)處的目標(biāo)，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)鏡可分為以下兩類：開普勒式望遠(yuǎn)鏡和伽利略式望遠(yuǎn)鏡。開普勒式望遠(yuǎn)鏡由焦距為正的透鏡組合而成，而透鏡是通過焦距總和分割（圖1）。離來源圖像或被觀察物體近的透鏡被稱為物鏡，而靠近人眼或成像的透鏡則成為成像透鏡。

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)透鏡組合而成，透鏡也是通過焦距總和分割（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。需要注意的是，使用兩個透鏡之間的有效焦距能夠獲得出色的近似總長度，而使用后焦距則能夠獲得準(zhǔn)確的結(jié)果。

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。

若放大倍數(shù)大于1，則望遠(yuǎn)鏡將物體放大；若放大倍數(shù)小于1，則望遠(yuǎn)鏡將物體縮小。

理論：

在結(jié)構(gòu)中，物鏡和成像透鏡的位置顛倒。平行輸入光束在開普勒式中集中在物鏡和成像透鏡之間的一個點(diǎn)上，進(jìn)而形成一個激光能量聚焦的區(qū)域（圖3）。該集中的點(diǎn)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。有鑒于此，大部分都選擇使用伽利略式設(shè)計(jì)或其變體（圖4）。

圖3： 開普勒式

圖4：伽利略式

使用開普勒式或伽利略式設(shè)計(jì)于應(yīng)用時，重要的是能夠計(jì)算出輸出光束發(fā)散，這將決定了平行光線的偏差。光束發(fā)散取決于輸出激光光束直徑和輸出激光光束直徑。

放大倍數(shù)(MP)現(xiàn)在即可依據(jù)光束發(fā)散或光束直徑來表示。

解上述方程式時，可以看到輸出光束直徑(DO)提高時，則輸出光束發(fā)散減少，以此類推。所以，如果您將來縮小激光光束，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擴(kuò)張角。

除此之外，能夠在特定工作距離(L)計(jì)算出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)后輸入光束直徑和光束發(fā)散的函數(shù)（圖5）。

Figure 5: Calculating the Output Beam Diameter at a Specific Working Distance

激光光束發(fā)散是以全角的，所以上述方程式是以θI表示，而非θI/2.。

由于會隨放大倍數(shù)而提高輸入光束，以及降低輸入光束發(fā)散，因此將方程式(4)和(5)代入方程式(6)會獲得如下結(jié)果。

應(yīng)用示例

示例1

以數(shù)值示例探究先前所述的方程式。

初始參數(shù) 放大倍數(shù) = MP = 10X
輸入光束直徑 = 1mm
輸入光束發(fā)散 = 1mrad
工作距離 = L = 100m

計(jì)算參數(shù)
輸出光束直徑

在不具備使用方程式(6)的的情況下，將此與光束直徑相比較。

雖然會因特定的擴(kuò)束功率而提高輸入激光光束，但它也會因相同的擴(kuò)束功率而降低光束發(fā)散，進(jìn)而在較大距離下形成較小的平行光束。

示例2

使用在長工作距離中降低激光光束發(fā)散的理論示例。

為改善光束準(zhǔn)直，可用于集中激光光束。下表顯示了5X、10X和20X的的模擬聚焦性能。光斑尺寸的量度單位為微米，假設(shè)M2=1，使用直徑為0.63mm，波長為632.8nm的激光光束，以此計(jì)算得出平行的輸入光束。

注意：上表所列的1/e2 光斑直徑是從以下方程式計(jì)算得出：2 * f/# * 波長，f/#為工作f/#。