如何利用现货光学件设计扩束镜

<3>扩束镜</3>通常用于干涉测量、遥感、激光材料加工和激光扫描应用，接受准直光进入系统，并将其扩束成更大的准直光束作为输出。虽然有各种现成的扩束镜可供选择，但这些标准扩束镜有时可能无法满足您的应用需求。设计您自己的扩束镜可以灵活地根据具体应用规格进行设计，使用我们现有的库存光学元件可以将设计到原型生产的时间缩短到几天。此外，在预备产品生产时，使用库存光学元件使得我们几乎可以立即实现批量生产。

设计需求

在开始选择元件制造激光扩束镜之前，需要考虑的一些需求包括系统成本、机械限制和系统性能。建议在开始之前确定每项需求的优先级。在考虑您实际应用的需求时，您可能会发现需要考虑的要求可能比下面列出的规格数目不同。

在考虑系统成本时，重要的是要意识到成本与性能之间的权衡。未镀膜光学件、潜在光学镀膜以及光学元件支架的成本将受到数量、所选材料和要求精度的影响。<6>N-BK7</6>由于波长适用范围广、成本低，通常是制作扩束镜理想的材料，而<9>熔融石英</9>由于热膨胀系数低、激光损伤阈值高，通常用于要求更高的应用。对于一个适用于多种波长的激光扩束镜，还应考虑色差影响。例如，<12>N-SF11</12> 和 N-BK7 可为小范围波段光源提供消色差的解决方案。在决定透镜是否适合用于激光扩束镜时，请务必检查透镜材料特性。

通常情况下，激光扩束镜需要安装在一个尺寸受限的区域内，进而限制了系统的整体直径和长度。重要的是，更大的光束需要尺寸更大的激光扩束镜，这就需要更大（更昂贵）的光学镜片和更大的金属外壳。

此外，有些设计可能需要聚焦装置来调整光束发散。旋转式聚焦机构（如螺纹聚焦管）因其成本低廉而备受青睐。不过，这些机构在平移光学器件时会使其旋转，从而可能造成输出光束的偏移。滑动机构，如螺旋镜筒，可在不旋转光学镜片的情况下将其垂直于光轴平移，从而最大限度地减少光束偏移，但会增加系统成本。

在设计激光扩束镜之前，应了解系统的性能要求。激光扩束镜的设计至少需要特定的波长或波长范围、特定的输入光束直径以及最低可接受的透射率。范围较大的波段更难设计，会增加复杂性和成本，而较小的输入光斑直径则更容易满足性能要求。整体透射率在很大程度上受所选的增透膜性能的影响；未镀膜的光学器件会降低成本，但也会降低整体透射率（并可能在激光扩束镜中产生有害的反射），而单层 <18>MgF<16>2</16></18> 这样简单的镀膜则可确保 90% 或更高的透射率。光束质量通常指定为波前畸变，小于 λ/4 峰谷值 (PV) 通常被认为是衍射极限。

很难在调整一个指标的同时不影响其他指标。例如，选择一组不同的透镜来改善波前质量可能会增加系统成本或影响整个系统的尺寸。还应该注意的是，增加输入光束直径会对传输波前的质量产生指数变化的影响，因此，更大的输入光束会大大增加设计难度。要注意所使用元件的公差--公差越小，系统的制造成本就越高。

开普勒式与伽利略式扩束镜设计

使用现成的透镜设计激光扩束镜可以大大缩短交货时间，加快设计周期。利用 Zemax 的透镜目录，可以轻松选择库存透镜，并根据设计指标调整间距。借助 Edmund Optics 行业领先的透镜库存，开普勒式或伽利略式设计均可实现。开普勒设计的系统长度较长，带有内焦点，而伽利略设计的系统长度较短，没有内焦点。

开普勒激光扩束镜在设计上有一个中间焦点平面。与伽利略设计相比，这种设计既有优点也有缺点。在高功率情况下，聚焦面是一个明显的缺点，因为空气会发生电离，从而降低传输能量，并产生潜在有害的高能激光点。在较低的功率下，聚焦面可以作为空间滤波器的理想位置，从而实现简单有效的光束整形。最后，在放大倍率相同的情况下，伽利略设计通常比开普勒设计更短。

伽利略扩束镜设计的一般考虑因素

伽利略扩束镜的倍率由以下公式决定。

其中，$ \small{f_1} $  是正透镜的焦距，$ \small{f_2} $ 是负透镜的焦距。使用库存光学元件进行设计非常简单，只需选择满足放大倍数要求（等式 1）且不超出系统长度要求（等式 2）的正负透镜即可。如图所示，这些等式都是一阶等式，透镜厚度和像差优化会导致与这些数值与理想值有轻微偏差。

在选择透镜时还需要考虑透镜的净通光孔径，因为负透镜必须足够大以通过输入光束，而正透镜必须足够大以输出放大后的光束而不会产生渐晕。

例如，在输入光束尺寸为 3 毫米的 5 倍扩束系统中，直径为 10 毫米的正透镜会造成渐晕，因为输出光束的直径为 15 毫米。大量库存透镜目录应能提供足够的直径和焦距选择，以满足大多数放大率要求。

设计 5 倍伽利略扩束镜

考虑一种应用，您需要设计一个系统长度不超过 75 毫米的 5 倍扩束镜。两片镜式伽利略设计中，以下几种镜片组合均是可行的：-6mm 和 30mm、-9mm 和 45mm、-12mm 和 60mm 以及 -15mm 和 75mm。请注意，-25 毫米/125 毫米、-20 毫米/100 毫米的组合无法满足系统长度小于 75 毫米的要求。虽然 -18mm/90mm 组合可能符合要求，但系统的金属和实际透镜厚度极有可能使长度超出标准。

在两片式伽利略扩束镜设计中，一个很好的经验法则是波前质量会随着光程的增加而提高。换句话说，-20 毫米和 100 毫米透镜组合的波前质量要比-6 毫米和 30 毫米透镜组合的波前质量好得多。此外，使用平透镜（如平凸透镜或平凹透镜）而不是两面都有曲率的透镜也会提高波前质量。如果使用平凸透镜和伽利略布局，将平凸面朝向输入光束，往往会通过平衡球差来改善波前质量。但是，如果使用高功率激光器，来自第一个平面表面的反射（即使有防反射镀膜）可能会损坏激光器。

使用 Zemax 进行优化

我们选择了直径 6 毫米、焦距 -12 毫米的平凹透镜（<60>#45-008</60>）和直径 25 毫米、焦距 60 毫米的平凸透镜（<63>#45-127</63>）作为 5X 系统的示例。由于我们使用的是库存透镜，因此我们指定的唯一变量是两个透镜之间的距离：表面 3 的厚度。如<66>图 1</66>所示，这是 Zemax 透镜数据编辑器。<69>图 2</69> 显示了非聚焦模式下扩束镜的透镜布局。

图1: 透镜数据编辑器

图 2：扩束镜布局

必须将 Zemax 中的孔径值设置为输入光束直径，以便优化设计。在本例中，我们优化的输入光束直径为 3 毫米，输出光束直径为 15 毫米。虽然这是设计输入光束直径，但最大输入直径受到前透镜净通光孔径的限制。我们还假设输入光束为高斯光束，并将扩束镜直接安装在激光器上，从而将入射角简化为 0 度。最后，我们假设采用的是氦氖（HeNe）激光器，并针对 632.8nm 的设计波长进行了优化。

由于扩束镜是非焦系统，因此请确保在 Zemax 透镜数据编辑器中选中 “非焦图像空间”。这将把度量单位改为角度而不是距离。非焦系统没有有效焦距，因此不会提供入射光束的净会聚或发散。扩束镜和相机变倍镜头就是常见的无焦系统。

 <80>图 3</80> 显示了 Zemax 评价函数编辑器。该评价函数相当简单，可用作所有非焦距系统的基础。使用的操作数将在下文中详细说明。

图 3：评价函数编辑器

• RAED 操作数优化了实际光线与表面的法线夹角，我们在正透镜的最后一个表面（本例中为第 7 个表面）后添加了一个标准面。我们希望输出光束是准直的，这意味着与垂直标准的法线夹角应尽可能小，因为如果这个角度为 0，那么系统就是真正无焦系统。
• REAY 操作数检查某一表面的真实射线高度。我们在优化函数中使用了零权重的 REAY 操作数；它们测量的是系统第一个和最后一个表面的实际射线高度，也就是输入和输出光束的尺寸。请注意，该操作数测量的是半径而非直径。
• 我们使用默认的评价函数来优化波前均方根误差。

优化后，系统应达到或接近衍射极限，如图 4 </87> 和图 5</90>所示，这两张图显示了光斑尺寸和波前。如果系统不符合预期，则应考虑一些因素。光的波长是否与所选的玻璃材料相匹配（例如，N-BK7 不能透过 266nm 的光）？两个透镜之间的间距是否设定为其焦距之和？对于所选的前透镜来说，光束直径是否过大？尝试进行这些更改并重新优化，以获得与所示结果相似的结果。

图 4：光斑尺寸 (μm)

图 5：3D波前图

我们已经证明，可以为直径 3 毫米、波长 632.8nm 的激光束快速设计出 5 倍的扩束镜。所选光学元件均有现货库存，可立即订购以制作系统原型。在使用库存光学元件进行快速设计时，一家拥有各种光学元件的供应商对于快速开发至关重要。Edmund Optics 行业领先的光学元件库存让我们通常可在次日交货，提供支持快速原型设计所需的元件。原型设计完成后，库存光学器件可用于无缝批量生产，将延迟和库存要求降至最低。

动画由 3DOptix 制作。