激光擴束器可將準直輸入光束的直徑擴大到更大的準直輸出光束。擴束器常用于如激光掃描、干涉測量或遙測應用中?，F(xiàn)在的激光擴束器都是從完善的光學望遠鏡基礎中發(fā)展而來的無焦系統(tǒng)設計。在此類系統(tǒng)中，物體光線以平行方式進入內部光學元件的光軸中，并以平行方式離開。這意味著整個系統(tǒng)不具備焦距。

理論：望遠鏡

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

折射望遠鏡可分為兩類：開普勒式望遠鏡和伽利略式望遠鏡。開普勒式望遠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: 開普勒式望遠鏡

伽利略式望遠鏡由正透鏡和負透鏡組成，透鏡也按焦距總和分隔（圖 2）。但是，由于其中一個透鏡為負透鏡，因此兩個透鏡之間的距離比開普勒式望遠鏡的透鏡距離短。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確的長度。

圖 2: 伽利略式望遠鏡

望遠鏡的放大倍數(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，則望遠鏡會放大。如果放大倍數(shù)小于 1，則望遠鏡會縮小。

理論：激光擴束鏡

在激光擴束器中，物鏡和成像透鏡的位置顛倒。開普勒式擴束器設計為使準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，大部分擴束器都選擇使用伽利略式設計或其變體（圖 4）。然而，開普勒式設計在需要空間濾光的激光應用中仍然非常有用，因為它們提供了一個便于放置空間濾光片的焦點。

圖 3: 開普勒式擴束器有一個內部焦點，這不利于高功率應用，但適用于低功率應用的空間濾光

圖 4: 伽利略式擴束器沒有內部焦點，非常適合高功率激光器應用

使用開普勒式或伽利略式設計于激光擴束器應用時，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，如果使用擴束器來縮小光束，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。

擴束器通過放大倍數(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，結果如下：

應用 1：降低功率密度

擴束器以放大倍數(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)激光誘導損傷的幾率，并允許使用更經濟實惠的鍍膜和光學元件。

應用 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，但使用擴束器增加激光的直徑可能會導致遠離激光光圈的光束直徑變小。擴束器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器等式:

初始參數(shù)

激光擴束器放大倍數(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，無需使用擴束器即可將此值與光束直徑相比較。

與不使用擴束器的相同激光器相比，使用 10X 擴束器的輸出光束直徑減少了 100m，減少了 5 倍多。

應用 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中分別以紅色和藍色描述。一般來說，在聚焦激光束時，球面像差被認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衡。

圖 7: 在輸入光束直徑較小時，聚焦光斑的大小受衍射限制。隨著輸入光束直徑增大，球面像差開始主導光斑尺寸

應用 4：激光束尺寸補償

在實際應用中，常采用可變激光擴束器來規(guī)范激光束的尺寸。激光產生指定光束直徑，但對該直徑也有一定允差。為了在多個系統(tǒng)中實現(xiàn)沿光學路徑進一步延伸的固定光束直徑，可以使用可變擴束器來補償光束大小這種激光到激光的變化。

擴束器選擇條件

為應用選擇擴束器時，必須確定特定條件以獲得適當?shù)男阅堋?/p>

滑動和旋轉對焦機制

用于聚焦擴束器或改變可變擴束器放大倍率的結構通常分為兩種類型：滑動型和旋轉型。旋轉聚焦機制，如螺紋聚焦管，在平移過程中旋轉光學元件。由于它們的結構簡單，因此成本比滑動聚焦結構更低，但元件旋轉可能會導致光束漂移（圖 8）。

圖 8: 可能由于旋轉對焦機制導致的光束漂移的放大說明

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

內部對焦

開普勒式擴束器包含一個內部焦點，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光線導致波前誤差。因此，大多數(shù)擴束器都是伽利略式的，以避免內部對焦帶來的復雜問題。不過，某些應用需要空間濾光，這只能通過具有內部對焦能力的開普勒式設計實現(xiàn)

反射式和透射式

反射式擴束器使用曲面鏡，而不是透射透鏡來擴展光束（圖 9）。反射式擴束器遠不如透射式擴束器常見，但一些優(yōu)點使其成為某些應用的正確選擇。反射式擴束器不存在色差，而透射式擴束器的放大和輸出光束準直與波長有關。盡管這與許多激光應用無關，因為激光往往在單一波長下發(fā)射，但它在寬帶應用中可能至關重要。多激光系統(tǒng)、一些可調諧激光器和超快激光器需要反射式擴束器的消色差特性。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器，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，這種 Canopus 反射式擴束鏡的弧形反射鏡可以擴束入射激光束。擴束鏡側面的孔是集成安裝功能