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技術(shù)文章

激光擴束器

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激光擴束器設(shè)計用于擴大平行輸入光束的直徑較大的平行輸出光束。激光擴束器常用于如激光掃描、干涉測量或遙測應(yīng)用中?,F(xiàn)在的激光擴束器都是采用從完善的光學(xué)望遠(yuǎn)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,位于無窮遠(yuǎn)的物體光線,以平行的方式進入內(nèi)部光學(xué)件的光軸中,同時也以平行的方式離開。這意味著整個系統(tǒng)不具備焦距。

 

理論:望遠(yuǎn)鏡

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

折射望遠(yuǎn)鏡可分為以下兩類:開普勒式望遠(yuǎn)鏡和伽利略式望遠(yuǎn)鏡。開普勒式望遠(yuǎn)鏡由焦距為正的透鏡組合而成,而透鏡是通過焦距總和分割(圖1)。離來源圖像或被觀察物體近的透鏡被稱為物鏡,而靠近人眼或成像的透鏡則成為成像透鏡。

圖1: 開普勒式望遠(yuǎn)鏡

伽利略式望遠(yuǎn)鏡由正透鏡和負(fù)透鏡組合而成,透鏡也是通過焦距總和分割(圖2)。但是,由于其中一個透鏡為負(fù)透鏡,因此兩個透鏡之間的距離比開普勒式望遠(yuǎn)鏡的透鏡距離短。需要注意的是,使用兩個透鏡之間的有效焦距能夠獲得出色的近似總長度,而使用后焦距則能夠獲得準(zhǔn)確的結(jié)果。

圖2: 伽利略式望遠(yuǎn)鏡

望遠(yuǎn)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。

若放大倍數(shù)大于1,則望遠(yuǎn)鏡將物體放大;若放大倍數(shù)小于1,則望遠(yuǎn)鏡將物體縮小。

 

理論:

在結(jié)構(gòu)中,物鏡和成像透鏡的位置顛倒。平行輸入光束在開普勒式中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。有鑒于此,大部分都選擇使用伽利略式設(shè)計或其變體(圖4)。

圖3: 開普勒式

圖4:伽利略式

 

使用開普勒式或伽利略式設(shè)計于應(yīng)用時,重要的是能夠計算出輸出光束發(fā)散,這將決定了平行光線的偏差。光束發(fā)散取決于輸出激光光束直徑和輸出激光光束直徑。

放大倍數(shù)(MP)現(xiàn)在即可依據(jù)光束發(fā)散或光束直徑來表示。

解上述方程式時,可以看到輸出光束直徑(DO)提高時,則輸出光束發(fā)散減少,以此類推。所以,如果您將來縮小激光光束,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擴張角。

除此之外,能夠在特定工作距離(L)計算出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)后輸入光束直徑和光束發(fā)散的函數(shù)(圖5)。

Figure 5: Calculating the Output Beam Diameter at a Specific Working Distance

激光光束發(fā)散是以全角的,所以上述方程式是以θI表示,而非θI/2.。

由于會隨放大倍數(shù)而提高輸入光束,以及降低輸入光束發(fā)散,因此將方程式(4)和(5)代入方程式(6)會獲得如下結(jié)果。

 

應(yīng)用示例

示例1

以數(shù)值示例探究先前所述的方程式。

初始參數(shù) 放大倍數(shù) = MP = 10X
輸入光束直徑 = 1mm
輸入光束發(fā)散 = 1mrad
工作距離 = L = 100m

計算參數(shù)
輸出光束直徑

在不具備使用方程式(6)的的情況下,將此與光束直徑相比較。

雖然會因特定的擴束功率而提高輸入激光光束,但它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2

使用在長工作距離中降低激光光束發(fā)散的理論示例。

為改善光束準(zhǔn)直,可用于集中激光光束。下表顯示了5X、10X和20X的的模擬聚焦性能。光斑尺寸的量度單位為微米,假設(shè)M2=1,使用直徑為0.63mm,波長為632.8nm的激光光束,以此計算得出平行的輸入光束。

注意:上表所列的1/e2 光斑直徑是從以下方程式計算得出:2 * f/# * 波長,f/#為工作f/#。

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