光束扩展器

光束扩展器是什么？

光学光束扩展器，也称为准直器或上准直器，是一种由两个或多个光学元件组成的光学系统，其作用是将准直输入光束的直径扩展为更大直径的准直输出光束，广泛应用于激光扫描、干涉测量和遥感等领域。简而言之，光学光束扩展器能够扩大光束的尺寸。它们用于减少光束直径，这在使用声光或电光调制器时可能会很有用。通常，它们在具有长光束路径的系统中使用，以保持光束的准直，或在给定透镜的情况下改变焦点大小。现代激光光束扩展器是基于成熟光学望远镜原理开发的无焦系统。在这种系统中，物体光线平行于内部光学的光轴进入，并平行于其退出。这意味着整个系统没有焦距。

光束扩展器的工作原理

激光光束扩展器的工作方式是将输入光束扩展到更大的直径。其概念源自望远镜设计的基本原理。当一束准直的激光光束输入到光束扩展器的一侧时，准直光束将从另一端输出。物体空间和像空间的光线在无穷远处汇聚。这一特性使光束扩展器被定义为无焦系统。

如上图所示，有两种类型的无焦光束扩展器。首先，伽利略光束扩展器由一个发散透镜和一个聚焦透镜组成。这两个透镜之间的距离等于它们焦距的和，除了发散透镜的焦距为负。输入到发散透镜的光束在到达中间焦点之前传播到聚焦透镜。其次，开普勒光束扩展器由两个聚焦透镜组成，并且它们之间的距离等于它们焦距的和。一个准直输入光束在两个透镜之间聚焦到一个焦点，然后向输出透镜发散。

光束扩展器理论

在激光光束扩展器中，物镜和像镜的位置是反转的。开普勒光束扩展器由两个正焦距的透镜组成，它们之间的距离等于它们焦距的和。它们提供高扩展比并允许空间滤波，因为准直输入光束聚焦到物镜和像镜之间的一个点，从而产生一个激光能量集中的点（图3）。然而，这会加热透镜之间的空气，偏转光线的光路，并可能导致波前误差，特别是在高功率激光应用中。

开普勒光束扩展器具有内部焦点，这在高功率应用中是不利的，但在低功率应用中有助于空间滤波

伽利略光束扩展器的设计简单且成本较低，其中一个焦距为负的物镜和一个焦距为正的像镜之间的距离等于它们焦距的和。这种设计避免了开普勒光束扩展器的内部焦点，使伽利略光束扩展器更适合高功率激光应用（图4）。由于没有内部焦点，伽利略光束扩展器在高功率激光应用中优于开普勒设计。

伽利略光束扩展器没有内部焦点，理想适用于高功率激光应用

在使用开普勒或伽利略设计的激光光束扩展器应用中，能够计算输出光束的发散度是非常重要的。这决定了光束与完美准直源的偏差。光束的发散度依赖于输入和输出激光光束的直径。

放大倍数（MP）现在可以用光束的发散度或光束直径来表示。

在解释方程4和方程5时，可以看到，当输出光束直径（D₀）增加时，输出光束的发散度（θ_O）减小，反之亦然。因此，当使用光束扩展器来最小化光束时，光束的直径将减小，但激光的发散度将增加。为了获得小光束，必须付出大发散角的代价。

此外，能够计算在特定工作距离（L）下的输出光束直径也非常重要。输出光束直径是输入光束直径和在特定工作距离（L）后的光束发散度的函数（图5）。

激光的输入光束直径和发散度可用于计算特定工作距离下的输出光束直径

激光光束的发散度以半角的形式指定，因此在方程6的第二项中需要一个因子2。

光束扩展器将增加输入光束并通过放大倍数减少输入发散度。用方程4和5替代方程6，得到以下结果：

应用1：降低功率密度

光束扩展器以平方的方式增加光束面积，相对于其放大倍数，几乎不影响光束内的总能量。这导致光束的功率密度和辐照度降低，从而延长激光组件的使用寿命，减少激光引起的损坏的可能性，并允许使用更经济的涂层和光学元件。

尽管这看起来可能很复杂，但使用光束扩展器增加激光直径可能会导致激光开口远处的光束直径较小。光束扩展器会以特定的扩展功率增加输入激光光束，同时以相同的扩展功率减少发散度，从而在远处产生较小的准直光束。激光光束扩展器也可以反向使用，以减少光束直径而不是扩展它。这将反转放大倍数，但发散度将增加。

应用2：最小化聚焦点大小

点大小通常定义为从最大辐照度中心点到强度下降至1/e²的点的径向距离（图6）。理想透镜的聚焦点大小可以通过使用波长（λ）、透镜的焦距（f）、输入光束直径（D_I）、透镜的折射率（n）和光束的M₂因子来计算，后者表示与理想高斯光束的偏差程度。

_{点大小通常在强度I(r)下降到1/e}2 _{的初始值I0处测量}

点大小根本上是由衍射和像差的组合决定的，如图7中的红色和蓝色所示。通常，在聚焦激光光束时，假定球面像差是唯一且主导的像差，因此方程11仅考虑球面像差。就衍射而言，焦距越短，点大小越小。更重要的是，输入光束直径越大，点大小越小。

通过在系统内扩展光束，输入直径增加了MP倍，发散度减少了MP倍。当光束聚焦到一个小点时，该点的大小是未扩展光束的理想衍射限制点的MP倍小。然而，球面像差会随输入光束直径的增加而增加，因此存在权衡。

应用3：补偿输入激光光束的可变性

大多数商业激光器在光束开口处规定了激光的输出光束直径，公差通常在10%或更多的范围内。对于许多激光应用，系统末端需要特定的光束直径。可以在系统中插入可变光束扩展器，以补偿不同激光单元之间的可变性，确保所有系统的最终光束直径一致。

光束扩展器选择标准

在为某个应用选择光束扩展器时，必须确定某些标准以实现正确的性能。

滑动与旋转聚焦机制：

用于聚焦光束扩展器或改变可变光束扩展器放大倍数的机制通常分为两种类型：滑动和旋转。旋转聚焦机制，例如螺纹聚焦管，在移动时旋转光学元件。由于其简化的机械结构，它们的成本低于滑动聚焦机制，但由于元件旋转，可能导致光束漂移（图8）。

旋转聚焦机制可能导致光束漂移的夸张示意图

滑动聚焦机制，例如螺旋桶，平移内部光学元件而不旋转，从而最小化光束漂移。然而，这需要比旋转聚焦机制更复杂的机械结构，从而增加系统成本。设计不良的滑动光学元件可能在机械上有过多的自由度。虽然在这些设计不良的情况下，调整时指向误差不会旋转，但其误差将比旋转光学元件或正确设计的滑动光学元件大。

内部焦点：

开普勒光束扩展器包含一个内部焦点，这在高功率系统中可能会造成问题。强烈的聚焦点可能会电离空气或导致光波前误差，因为热量会偏转光线。因此，大多数光束扩展器是伽利略设计，以避免由于内部聚焦造成的复杂性。然而，某些应用需要空间滤波，而这仅在开普勒设计中由于内部聚焦能力而可行。

反射与透射：

反射光束扩展器利用曲面镜而不是透射透镜来扩展光束（图9）。反射光束扩展器比透射光束扩展器少见，但在某些应用中具有多种优势。反射光束扩展器不受色差的影响，而透射光束扩展器的放大倍数和输出光束的准直性与波长有关。虽然这对于许多激光应用并不相关，因为激光通常在单一波长下发射，但在宽带应用中可能至关重要。反射光束扩展器的消色差性能对于多激光系统、某些可调激光器和超快激光器是必需的。超快激光器由于其极短的脉冲持续时间，固有地跨越比其他激光器更宽的波长范围。量子级联激光器也可以从反射光束扩展器中受益，因为其工作波长可能不存在透射选项。

与透射光束扩展器不同，该Canopus反射光束扩展器的曲面镜扩展了入射激光光束。光束扩展器侧面的孔是集成的安装特征

光束扩展器的应用

激光系统已在医疗治疗、材料加工等各个行业的应用中变得司空见惯。光束的扩展或缩小是大多数使用激光或光源和光学的实验室中的常见应用需求。激光光束扩展器通常是单个系统成功的关键元素。对于高功率光源，增加光束扩展器可以有效降低功率密度。减少发散度可以帮助对准，并减小最终聚焦处的点大小。减少发散度以控制准直也有利于要求苛刻的激光应用，特别是在长光程系统中。可变激光光束扩展器可能是必要的，以补偿不同激光源单元之间的光束大小变化。

多棱镜光束扩展器是一种独特的光束放大手段，可以在不聚焦的情况下扩展光束，且具有消色差的选项。多棱镜光束扩展器通常使用两个到五个棱镜来实现大的一维光束扩展因子。这种类型的光束扩展器的应用包括：天文学、干涉测量、腔内光束扩展、腔外光束扩展和显微镜。