什么是扩束器（Beam Expanders）？

什么是扩束器？

光学扩束器也被称为准直器或上准直器，是一个两个或更多元素的光学系统，它将准直输入光束的直径增加到一个更大的准直输出光束，用于诸如激光扫描、干涉测量和遥感等应用。简而言之，光学扩束器接收一束光并扩大其尺寸。它们被用来减少光束直径，这在使用声学或电学调制器时可能很有用。 它们通常用于具有长光束路径的系统，以保持光束的准直，或改变特定透镜的焦点尺寸。现代激光扩束器是由成熟的光学望远镜基本原理发展而来的非焦点系统。在这样的系统中，物体射线平行于内部光学器件的光轴进入，并平行于它们退出。这意味着，整个系统没有一个焦距。

光束扩展器的工作

激光扩束器的工作方式是将输入的光束扩大到一个更大的直径。这些概念来自于望远镜设计的基本原则。当准直的激光束被输入到扩束器的一侧时，准直的光束就从另一端输出。物体空间和图像空间的光线在无限远处会聚。这一特性决定了扩束器是一个非焦点系统。

如以上两图所示，有两种类型的非焦距扩束器。首先，伽利略扩束器由一个发散透镜和一个会聚透镜组成。这两个透镜由它们的焦点之和分开，只是发散透镜有一个负焦距。输入发散透镜的光束传播到会聚透镜，而不会到达一个中间焦点。其次，开普勒扩束器有两个会聚透镜，以其焦距之和分开。 准直的输入光束会聚到两个透镜之间的焦点，然后发散到输出透镜。

光束扩展器理论

在激光扩束器中，物镜和像镜的位置是相反的。开普勒扩束器由两个具有正焦距的透镜组成，它们的焦距之和相隔。它们提供高膨胀率并允许空间过滤，因为准直输入光束聚焦到物镜和像镜之间的一个点，在系统内产生一个激光能量集中的点（图3）。然而，这将加热透镜之间的空气，使光线偏离其光路，并有可能导致波前误差，特别是在高功率激光应用中。

开普勒扩束器有一个内部焦点，这对高功率的应用是不利的，但在低功率的应用中对空间滤波很有用。

伽利略扩束器，其中一个负焦距的物镜和一个正焦距的像镜被它们的焦距之和分开，是简单的、低成本的设计，也避免了开普勒扩束器的内部焦点（图4）。由于没有内部焦点，伽利略扩束器比开普勒设计更适合于高功率激光应用。

伽利略扩束器没有内部焦点，非常适用于高功率激光器的应用。

在激光扩束器应用中使用开普勒或伽利略设计时，能够计算出输出光束发散是很重要的。这决定了与完美准直源的偏差。光束发散取决于输入和输出激光束的直径。

现在可以用光束发散度或光束直径来表示放大率（MP）。

在解释公式4和公式5时，我们可以看到，当输出光束直径（D0）增加时，输出光束发散（θO）会减少，反之亦然。因此，当使用扩束器使光束最小化时，其直径会减少，但激光的发散度会增加。为小光束付出的代价是大发散角。

此外，能够计算出特定工作距离（L）下的输出光束直径也很重要。输出光束直径是输入光束直径和特定工作距离（L）后光束发散的函数（图5）。

一个激光器的输入光束直径和发散度可以用来计算特定工作距离下的输出光束直径

激光光束发散是以半角为单位的，这就是为什么在公式6的第二项中需要一个2的系数。

一个扩束器将增加输入光束，并通过放大倍数减少输入发散。将公式4和5代入公式6的结果如下。

应用1：降低功率密度

光束扩张器在不明显影响光束所含总能量的情况下，将光束面积按其放大倍数增加四倍。这导致了光束功率密度和辐照度的降低，从而增加了激光器件的使用寿命，减少了激光诱发损害的机会，并能使用更经济的涂层和光学器件。

虽然看起来很复杂，但使用扩束器增加激光器的直径可能会导致远离激光孔的光束直径变小。扩束器将通过特定的扩束功率增加输入的激光束，同时通过相同的扩束功率减少发散，从而在较远的距离上产生较小的准直光束。激光扩束器也可以反向使用，以减少光束直径，而不是扩大它。这将反转放大功率，但发散度会增加。

应用2：最小化聚焦光斑尺寸

光斑大小通常被定义为从最大辐照度的中心点到强度下降到初始值的1/e²处的径向距离（图6）。理想透镜的聚焦光斑尺寸可以通过使用波长（λ）、透镜的焦距（f）、输入光束直径（D_I）、透镜的折射率（n）和光束的M2因子（代表与理想高斯光束的差异程度）来计算。

斑点大小通常是在强度I(r)下降到初始值I₀的1/e²处测量的。

光斑大小从根本上是由衍射和像差的组合决定的，图7中的红色和蓝色分别说明了这一点。一般来说，当聚焦激光束时，球面像差被认为是唯一和主要的像差类型，这就是为什么公式11只考虑球面像差。关于衍射，焦距越短，光斑大小就越小。更重要的是，输入光束直径越大，光斑尺寸越小。

通过在系统内扩大光束，输入直径增加了MP的系数，发散度减少了MP的系数。当光束被聚焦到一个小光斑时，该光斑比理想的、衍射受限的光斑的未扩大的光束要小MP倍。然而，球面像差是有代价的，因为它随着输入光束直径的增加而增加。

应用3：补偿输入激光束的变化

大多数商业激光器规定了激光器在孔径处的输出光束直径，其公差通常在10%或以上。对于许多激光应用，在系统的末端需要一个特定的光束直径。可变扩束器可以插入系统中，以补偿单个激光器之间的差异，确保所有系统的最终光束直径一致。

光束扩展器的选择标准

在为某一应用选择扩束器时，必须确定某些标准，以实现正确的性能。

滑动与旋转的聚焦机制

用于聚焦扩束机或改变可变扩束机放大率的机械装置通常分为两种不同类型：滑动和旋转。旋转聚焦机构，如螺纹聚焦管，在平移过程中旋转光学元件。由于其简化的机械结构，它们的成本比滑动聚焦机构低，但由于元件旋转，它们会产生光束游移的可能性（图8）。

夸张地说明了旋转聚焦机构可能造成的光束漂移

滑动聚焦机构，如螺旋形镜筒，在不旋转内部光学器件的情况下进行平移，从而最大限度地减少光束漂移。然而，这需要比旋转聚焦机构更复杂的机械装置，增加了系统成本。设计不良的滑动光学器件也可能在力学上有太多的运动自由。虽然这些设计不良的设计的指向性误差在调整时不会旋转，但它会比旋转光学器件或正确设计的滑动光学器件更大。

内部聚焦：

开普勒扩束镜包含一个内部焦点，这在高功率系统中可能是有问题的。强烈的聚焦光斑会使空气发生电离，或者由于热量使光线发生偏转而导致波前误差。正因为如此，大多数扩束器是伽利略式的，以避免内部聚焦引起的复杂问题。然而，某些应用需要空间过滤，这只有在开普勒设计中才能实现，因为它具有内部聚焦能力。

反射式与透射式：

反射式扩束器利用曲面镜而不是透射式透镜来扩大光束（图9）。反射式扩束器比透射式扩束器要少得多，但有几个优点，使它们成为某些应用的正确选择。反射式扩束镜不存在色差问题，而透射式扩束镜的放大率和输出光束的准直与波长有关。虽然这与许多激光应用无关，因为激光器往往在单一波长上发光，但在宽带应用中，这可能是关键。反射式扩束器的消色差性能是多激光器系统、一些可调谐激光器和超快激光器所要求的。由于超快激光器的脉冲持续时间极短，其固有的波长范围比其他激光器更宽。量子级联激光器也受益于反射式扩束器，因为在其工作波长上可能不存在透射式选择。

与透射式扩束器不同，这款Canopus反射式扩束器的弧形镜面可以扩展入射激光束。扩束器侧面的孔是集成的安装功能

光束扩展器的应用

激光系统在从医疗到材料加工等各行业的应用中已经很普遍了。在大多数使用激光器或光源和光学器件的实验室中，光束扩展或缩小是一个常见的应用要求。激光扩束器往往是个别系统成功的关键因素。对于高功率的光源，增加一个扩束器可以提供一个可控的功率密度减少。减少发散可以帮助对准，减少光束最终焦点处的光斑尺寸。减少发散以控制准直也有利于要求高的激光应用，特别是在长路径长度的系统中。可变的激光扩束器可能是必要的，以补偿各单元之间激光源光束大小的变化。

多棱镜扩束器是一种独特的光束放大手段，它可以在不聚焦的情况下扩大光束，并有消色差的附加选择。 多棱镜扩束器通常部署两到五个棱镜，以产生大的、一维的光束扩展系数。这种扩束器的使用可以在以下应用中找到。天文学、干涉测量、腔内扩束、腔外扩束和显微镜。