激光擴束器可將準(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)在的激光擴束器都是從完善的光學(xué)望遠鏡基礎(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：望遠鏡

傳統(tǒng)上，光學(xué)望遠鏡主要用于觀察遠處的物體，例如宇宙中的天體。光學(xué)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(zhǔn)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(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，大部分擴束器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: 開普勒式擴束器有一個內(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: 伽利略式擴束器沒有內(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)計于激光擴束器應(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(jié)果如下：

應(yīng)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(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，但使用擴束器增加激光的直徑可能會導(dǎo)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(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(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(dǎo)光斑尺寸

應(yīng)用 4：激光束尺寸補償

在實際應(yīng)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(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(yīng)用選擇擴束器時，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

用于聚焦擴束器或改變可變擴束器放大倍率的結(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

開普勒式擴束器包含一個內(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)擴束器都是伽利略式的，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(yīng)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(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(cè)面的孔是集成安裝功能