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激光扩束器
爱特蒙特光学有限公司。

激光扩束器

激光扩束器设计用于扩大平行输入光束的直径至较大的平行输出光束。激光扩束器常用于如激光扫描、干涉测量或遥测应用中。现在的激光扩束器都是采用从完善的光学望远镜基础中发展而来的无焦系统设计。在此类系统中,位于无穷远的物体光线,以平行的方式进入内部光学件的光轴中,同时也以平行的方式离开。这意味着整个系统不具备焦距。

理论:望远镜

传统上,光学望远镜主要用于观察远处的目标,例如宇宙中的天体。光学望远镜主要可分为两大类:折射望远镜和反射望远镜。折射望远镜充分利用透镜来折射或弯曲光线,而反射望远镜则是利用反射镜来反射光线。

折射望远镜可分为以下两类:开普勒式望远镜和伽利略式望远镜。开普勒式望远镜由焦距为正的透镜组合而成,而透镜是通过焦距总和分割(图1)。离来源图像或被观察物体最近的透镜被称为物镜,而最靠近人眼或成像的透镜则成为成像透镜。

Keplerian Telescope
图1: 开普勒式望远镜

伽利略式望远镜由正透镜和负透镜组合而成,透镜也是通过焦距总和分割(图2)。但是,由于其中一个透镜为负透镜,因此两个透镜之间的距离比开普勒式望远镜的透镜距离短。需要注意的是,使用两个透镜之间的有效焦距能够获得出色的近似总长度,而使用后焦距则能够获得最准确的结果。

Galilean Telescope
图2: 伽利略式望远镜

望远镜的放大倍数或放大倍数的倒数等于物镜焦距和目镜焦距的比值。

Equation 1 (1)
Equation 2 (2)

若放大倍数大于1,则望远镜将物体放大;若放大倍数小于1,则望远镜将物体缩小。

理论:激光扩束器

在激光扩束器结构中,物镜和成像透镜的位置颠倒。平行输入光束在开普勒式激光扩束器中集中在物镜和成像透镜之间的一个点上,进而形成一个激光能量聚焦的区域(图3)。该集中的点会加热透镜之间的空气,折射光路中的光线,而这有可能会造成波前误差。有鉴于此,大部分激光扩束器都选择使用伽利略式激光扩束器设计或其变体(图4)。

Keplerian Beam Expander
图3: 开普勒式激光扩束器
Galilean Beam Expander
图4:伽利略式激光扩束器

使用开普勒式或伽利略式设计于激光扩束器应用时,重要的是能够计算出输出光束发散,这将决定了完美平行光线的偏差。光束发散取决于输出激光光束直径和输出激光光束直径。

Equation 3 (3)

放大倍数(MP)现在即可依据光束发散或光束直径来表示。

Equation 4 (4)
Equation 5 (5)

解上述方程式时,可以看到输出光束直径(DO)提高时,则输出光束发散减少,以此类推。所以,如果您将激光扩束器来缩小激光光束,光束直径将会缩小,但激光的光束发散将会提高。小光束的代价就是形成很大的扩张角。

除此之外,能够在特定工作距离(L)计算出输出光束直径也是极为重要的。输出光束直径是在特定工作距离(L)后输入光束直径和光束发散的函数(图5)。

Calculating the Output Beam Diameter at a Specific Working Distance
Figure 5: Calculating the Output Beam Diameter at a Specific Working Distance
Equation 6 (6)

激光光束发散是以全角指定的,所以上述方程式是以θI表示,而非θI/2.。

由于激光扩束器会随放大倍数而提高输入光束,以及降低输入光束发散,因此将方程式(4)和(5)代入方程式(6)会获得如下结果。

Equation 7 (7)
Equation 8 (8)

应用示例

示例1

以数值示例探究先前所述的激光扩束器方程式。

初始参数 激光扩束器放大倍数 = MP = 10X
输入光束直径 = 1mm
输入光束发散 = 1mrad
工作距离 = L = 100m

计算参数
输出光束直径

Equation 9 (9)

在不具备使用方程式(6)的激光扩束器的情况下,将此与光束直径相比较。

Equation 10 (10)

虽然激光扩束器会因特定的扩束功率而提高输入激光光束,但它也会因相同的扩束功率而降低光束发散,进而在较大距离下形成较小的平行光束。


示例2

使用激光扩束器在长工作距离中降低激光光束发散的理论示例。

为改善光束准直,激光扩束器可用于集中激光光束。下表显示了5X、10X和20X的激光扩束器的模拟聚焦性能。光斑尺寸的量度单位为微米,假设M2=1,使用直径为0.63mm,波长为632.8nm的激光光束,以此计算得出完美平行的输入光束。

距离激光扩束器扩束功率
5X10X20X
1.2m 439.19μm 219.63μm 111.04μm
1.5m 559.62μm 279.84μm 141.47μm
2.5m 961.07μm 480.54μm 242.89μm
5.0m 1964.86μm 982.26μm 496.36μm
10m 3973.17μm 1985.49μm 1002.87μm

注意:上表所列的1/e2 光斑直径是从以下方程式计算得出:2 * f/# * 波长,f/#为工作f/#。

爱特蒙特光学产品

Fixed Power HeNe Beam Expanders

针对伽利略式望远镜设计到激光扩束器应用示例中的所用产品,爱特蒙光学均有提供,这些产品都可用于平行和聚焦激光光束。爱特蒙特光学所提供的 固定功率二极管激光扩束器是一个由两个透镜组成的简单设计,具有一个负透镜和消色差透镜。下图为光学元件内部绘图,以供参考。

Fixed Power Laser Beam Expanders

我们的TECHSPEC®固定功率激光扩束器利用独有的多元件透镜设计来改善简单的双透镜设计,从而改善了其在长工作距离中创建平行和或聚焦的光束直径的能力。


参考文献

  1. Greivenkamp, John E. Field Guide to Geometrical Optics. Vol. FG01. Bellingham, WA: SPIE—The International Society for Optical Engineers, 2004.
  2. Smith, Warren J. Modern Optical Engineering. 3rd ed. New York, NY: McGraw-Hill Education, 2000.

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