常規(guī)的激光擴(kuò)束器，主要的作用就是利用光學(xué)透鏡改變輸入光斑的空間形狀分布。比如把小的圓形光斑改成大的圓形光斑，把圓形光斑調(diào)制成橢圓形光斑，改變矩形光斑的長(zhǎng)寬比等等。本期介紹了四種激光擴(kuò)束的設(shè)計(jì)思路，感興趣的朋友們多多交流。

方案1：利用兩組正透鏡實(shí)現(xiàn)圓形準(zhǔn)直光斑的擴(kuò)束

系統(tǒng)的光路圖如下，在兩組透鏡的公共焦點(diǎn)位置，安裝針孔遮擋雜散光。

整個(gè)系統(tǒng)的放大率關(guān)系如下所示：

從系統(tǒng)長(zhǎng)度的關(guān)系可以看出：

方案2：利用一正一負(fù)透鏡組合實(shí)現(xiàn)圓形準(zhǔn)直光斑的擴(kuò)束

系統(tǒng)的光路圖如下所示，和兩組正透鏡方案類似，一正一負(fù)兩組透鏡的配置依然是共焦點(diǎn)的。

一正一負(fù)兩組透鏡設(shè)計(jì)方案的放大率計(jì)算公式如下所示：

從系統(tǒng)長(zhǎng)度的關(guān)系可以看出：

從方案1和方案2的對(duì)比可知，相同參數(shù)要求下，方案2比方案1的整體長(zhǎng)度要短:

方案3：利用柱透鏡把圓形光斑整形成橢圓光斑

輸入光斑想要在某個(gè)方向上壓縮的到橢圓光斑，就可以利用cylinder透鏡。比如下圖所示，圓形準(zhǔn)直光斑輸入，在X方向上保持準(zhǔn)直特性不變，在Y方向進(jìn)行壓縮得到橢圓光斑。

對(duì)于激光器出射后的橢圓光斑，也可以利用柱透鏡整形成為圓形光斑。

除了圓形光斑，如果需要對(duì)矩形光斑改變長(zhǎng)寬比，也可以利用類似的思路，如下所示。

比如之前有朋友咨詢，對(duì)于入射圓形準(zhǔn)直光斑，是否可以用兩塊柱面透鏡實(shí)現(xiàn)，光斑在Y方向上聚焦，光斑在X方向上長(zhǎng)度連續(xù)變焦。

用相同的兩塊柱透鏡，通過(guò)改變兩個(gè)透鏡之間的距離，是完全可以實(shí)現(xiàn)的，如下圖所示。

方案4：利用棱鏡組合進(jìn)行擴(kuò)束設(shè)計(jì)

除了透鏡方案外，還可以利用棱鏡方案進(jìn)行擴(kuò)束設(shè)計(jì)，如下圖所示。

筆者喜歡用兩組相同的棱鏡設(shè)計(jì)，這里的相同有雙重含義，第一指的是兩個(gè)透鏡的形狀完全相同，可以在節(jié)省加工成本。第二指的是棱鏡相對(duì)于入射光線的擺位完全相同，這樣子很方便計(jì)算，只需要計(jì)算一組結(jié)果即可，第二組棱鏡直接斜邊朝著入射光直立放置即可，光路配置非常方便。

先計(jì)算光線經(jīng)過(guò)第一個(gè)棱鏡的放大率，則整個(gè)系統(tǒng)的放大率就是已知的，假設(shè)棱鏡對(duì)折射率n已知，且入射光線和棱鏡斜面的夾角已知，根據(jù)三角關(guān)系，可以直到光束擴(kuò)展倍率：

由于兩個(gè)棱鏡是串聯(lián)的，因此整個(gè)系統(tǒng)的擴(kuò)束倍率為：

這種棱鏡實(shí)現(xiàn)的功能和柱面透鏡相同，可以改變光斑兩個(gè)方向上的尺寸比，也就是說(shuō)，既可以把圓形光斑整形為橢圓光斑，也可以對(duì)矩形光斑進(jìn)行整形。但是這種組合有個(gè)明顯的劣勢(shì)，系統(tǒng)的光軸是偏心的，所以沒(méi)有特別的要求，不建議使用這種optical axis shift的設(shè)計(jì)方案。

再補(bǔ)充：如下圖所示，由于激光很容易產(chǎn)生干涉，因此如果光學(xué)系統(tǒng)表面不做鍍膜處理，很容易會(huì)造成局部能量集中，干涉造成的局部能量欺負(fù)差異會(huì)達(dá)到20%，因此不管從系統(tǒng)的能量閾值安全性方面考慮，還是從系統(tǒng)探測(cè)的準(zhǔn)確度方面考慮，激光類應(yīng)用的光學(xué)系統(tǒng)表面都需要鍍?cè)鐾改ぁ?/p>