扩束镜特性与最大聚焦光斑强度的反直觉平衡关系

作者: Jay Small

在聚焦光束的激光应用中，目标通常是获得功率密度满足工艺要求的聚焦光斑尺寸。典型的光束传输系统包括激光源、准直模块和末端聚焦元件。扩束镜通常用于在聚焦前扩展光束，以减小光斑尺寸。

人们通常认为扩束镜的有效通光孔径应至少为输入光束直径的两倍，以避免激光束质量受损、功率下降，或无法实现理想的小光斑尺寸。虽然这种做法确实能获得更高的光斑强度，但对于市售 5 倍或更高倍率的扩束镜，若严格遵循该规则，将导致入射光束直径过小，难以实际应用。

实际上，采用略微截断光束的系统配置，反而可以获得更高的光束强度。采用这种方法时，会有两个相互制约的因素影响最终的光斑强度。聚焦前扩展光束直径可减小光斑尺寸，并提高其强度；而截断光束则会增大光斑尺寸并降低其强度。虽然听起来并不直观，但为了实现最高光斑强度，最优的权衡方案反而是在高倍率扩束镜中对光束进行适度截断。

本应用指南说明，选择截断部分激光功率的光学元件，反而可以获得比传输超过 99% 光束功率的元件更高的光斑强度。文中使用 Ansys OpticsStudio 的物理光学传播(POP)模块，对不同截断比条件下的光斑强度进行了定量分析。

图1：令人意外的是，与不截断光束的低倍率扩束镜相比，使用会截断光束边缘的高倍率扩束镜，在聚焦后反而可能产生更高强度的光斑。

截断光束以提升功率密度的示例

假设某系统使用波长为 532 nm、功率为 100 W 的连续波(CW)Nd:YAG 激光器，该系统要求最小工作距离为 100 mm，聚焦光斑的峰值强度达到 10 kW/mm²<19/>。该激光器的输出光束直径为 2.5 mm，按 $1⁄e^2$ 二阶矩定义测量。为简化分析，我们设定光束质量因子 M² = 1，即理想高斯光束。最小可用焦距 100 mm 无法实现目标光斑强度，最终仅达到 0.35 kW/mm²。

因此，必须在进入聚焦系统前使用扩束镜对光束进行放大。Edmund Optics^® Vega^® 系列提供了两种可选的扩束镜方案：#39-7385 倍扩束和 #39-7397 倍扩束。两款产品具有相同的外径，价格也大致相近。我们可以看到，5倍扩束镜的输入通光孔径为 5.0 mm，正好是光束直径的 2 倍，但其最终聚焦光斑强度仅为 8.6 kW/mm²。而对于 7倍扩束镜，由于两款产品的输出孔径相同，其更高的放大倍率意味着输入通光孔径更小，仅为 3.3 mm，因而会对光束造成截断。

我们在图 1中，将比较这两种扩束镜在不同输入通光孔径下对光斑强度的变化趋势。峰值强度数据由 OpticStudio 的物理光学传播(POP)模块生成，分析中已充分考虑因光束截断导致的聚焦光斑扩展及相应的功率损失。两种情况下，输入光束直径均为2.5mm。请注意，图中的截断比从 1 倍光束直径开始，此时已经截断了激光总功率的约 13.5%。然而，我们可以看到，7倍扩束镜在达到其 3.3 mm 输入孔径上限前，已实现所需的 10 kW/mm² 光斑强度；而 5倍扩束镜始终未能达到这一数值。