由望远镜到激光扩束系统

激光扩束镜就是一种将准直输入光束的直径扩大到更大的准直输出光束的光学系统。扩束镜常用于如激光打标机、激光切割机、激光焊接机、激光打孔机、激光扫描、干涉测量、遥测应用中。现在的激光扩束镜都是从完善的光学望远镜基础上发展而来的无焦系统设计。

在激光扩束器中，物镜和成像透镜的位置颠倒，也就如同把望远镜反过来用。开普勒式扩束器设计为使准直输入光束集中在物镜和成像透镜之间的一个点上，进而形成一个激光能量聚焦的区域（图 1）。该集中的点会加热透镜之间的空气，折射光路中的光线，而这有可能会造成波前误差。在高功率激光应用中，聚焦点处空气的电离也可能是一个问题。有鉴于此，大部分扩束器都选择使用伽利略式设计或其变体（图 2）。然而，开普勒式设计在需要空间滤光的激光应用中仍然非常有用，因为它们提供了一个便于放置空间滤光片的焦点。

开普勒式扩束器有一个内部焦点，这不利于高功率应用，但适用于低功率应用的空间滤光

伽利略式扩束器没有内部焦点，非常适合高功率激光器应用

使用开普勒式或伽利略式设计于激光扩束器应用时，重要的是能够计算出输出光束发散。这决定了与完美平行光线的偏差。光束发散取决于输入激光光束直径和输出激光光束直径。

激光扩束的应用

（1）激光器的输出光束直径一般固定，为满足不同需求，大都需要激光扩束系统，激光扩束首先可以将功率密度降低，从而降低激光诱导损伤的概率，延长激光组件的寿命

（2）在传输距离较远时，最大限度的减小光束发散。

举例进行说明：假设一扩束系统参数如下，激光扩束器放大倍数 = MP = 10X，输入光束直径 = 1mm，输入光束发散 = 0.5mrad，工作距离 = L = 100m。

则经扩束后光束输出直径为：

若不经扩束则：

可见使用扩束后 ，可极大的减小激光长距离传输时的光束发散程度。

（3）最大限度的减小聚焦光斑尺寸

光斑尺寸通常是以光束中心为圆心，强度为中心强度处作为圆的半径，理想透镜聚焦光斑尺寸通常可按如下公式算

光斑尺寸基本上由衍射和相差的组合决定，这其中相差又主要是指球差，因此公式列出了衍射项与球差项两项。衍射项中可以看出，焦距越短，光斑越小，还有输入直径越大，光斑越小。从一方面讲，经过扩束，使输入直径增加，衍射项减小，但随之亦导致球差项增加。因此在实际应用中应根据实际情况进行权衡。