激光扩束器(Beam Expander)设计

常规的激光扩束器，主要的作用就是利用光学透镜改变输入光斑的空间形状分布。比如把小的圆形光斑改成大的圆形光斑，把圆形光斑调制成椭圆形光斑，改变矩形光斑的长宽比等等。本期介绍了四种激光扩束的设计思路，感兴趣的朋友们多多交流。

方案1：利用两组正透镜实现圆形准直光斑的扩束

系统的光路图如下，在两组透镜的公共焦点位置，安装针孔遮挡杂散光。

整个系统的放大率关系如下所示：

从系统长度的关系可以看出：

方案2：利用一正一负透镜组合实现圆形准直光斑的扩束

系统的光路图如下所示，和两组正透镜方案类似，一正一负两组透镜的配置依然是共焦点的。

一正一负两组透镜设计方案的放大率计算公式如下所示：

从系统长度的关系可以看出：

从方案1和方案2的对比可知，相同参数要求下，方案2比方案1的整体长度要短:

方案3：利用柱透镜把圆形光斑整形成椭圆光斑

输入光斑想要在某个方向上压缩的到椭圆光斑，就可以利用cylinder透镜。比如下图所示，圆形准直光斑输入，在X方向上保持准直特性不变，在Y方向进行压缩得到椭圆光斑。

对于激光器出射后的椭圆光斑，也可以利用柱透镜整形成为圆形光斑。

除了圆形光斑，如果需要对矩形光斑改变长宽比，也可以利用类似的思路，如下所示。

比如之前有朋友咨询，对于入射圆形准直光斑，是否可以用两块柱面透镜实现，光斑在Y方向上聚焦，光斑在X方向上长度连续变焦。

用相同的两块柱透镜，通过改变两个透镜之间的距离，是完全可以实现的，如下图所示。

方案4：利用棱镜组合进行扩束设计

除了透镜方案外，还可以利用棱镜方案进行扩束设计，如下图所示。

笔者喜欢用两组相同的棱镜设计，这里的相同有双重含义，第一指的是两个透镜的形状完全相同，可以在节省加工成本。第二指的是棱镜相对于入射光线的摆位完全相同，这样子很方便计算，只需要计算一组结果即可，第二组棱镜直接斜边朝着入射光直立放置即可，光路配置非常方便。

先计算光线经过第一个棱镜的放大率，则整个系统的放大率就是已知的，假设棱镜对折射率n已知，且入射光线和棱镜斜面的夹角已知，根据三角关系，可以直到光束扩展倍率：

由于两个棱镜是串联的，因此整个系统的扩束倍率为：

这种棱镜实现的功能和柱面透镜相同，可以改变光斑两个方向上的尺寸比，也就是说，既可以把圆形光斑整形为椭圆光斑，也可以对矩形光斑进行整形。但是这种组合有个明显的劣势，系统的光轴是偏心的，所以没有特别的要求，不建议使用这种optical axis shift的设计方案。

再补充：如下图所示，由于激光很容易产生干涉，因此如果光学系统表面不做镀膜处理，很容易会造成局部能量集中，干涉造成的局部能量欺负差异会达到20%，因此不管从系统的能量阈值安全性方面考虑，还是从系统探测的准确度方面考虑，激光类应用的光学系统表面都需要镀增透膜。