开普勒或伽利略式设计对扩束器或缩束器的影响

扩束器或缩束器的设计对应用并不总是至关重要，但进行选择时可能会受到一些因素的影响，比如开普勒式装置更容易对准且设计更直观，而伽利略式装置具有紧凑型尺寸。此外，开普勒式装置在其两个透镜之间聚焦光束，从而输出倒立光束。伽利略式装置保持光束的方向，并且可选择透镜，以减少输出光束中的球面像差。

扩束器和缩束器通常仅用于准直光束，而不是发散光束，它们的设计灵感来自于开普勒望远镜和伽利略望远镜。这两种情况所提供的放大倍率都等于输出透镜的焦距除以输入透镜的焦距。

图1：最简单的开普勒式扩束器或缩束器包含两个正透镜。透镜1和透镜2的焦距分别为f₁和f₂。透镜之间的距离等于它们的焦距之和(f₁ + f₂)，并且输出光束相对输入光束倒立。

图2：基本的伽利略式扩束器或缩束器包含一个焦距为f₁的负透镜和一个焦距为f₂的正透镜。透镜的位置使得两个透镜之间的距离等于它们的焦距之差(f₂ - f₁)。相较于开普勒式设计，伽利略式设计不会在两个透镜之间聚焦光束，可保持光束方向，并且长度更短。

开普勒式设计的特性
对于最简单的开普勒式设计，两个正透镜之间的距离等于它们的焦距之和(图1)。基于开普勒望远镜的设计长度永远不会短于两个透镜的焦距之和，并且输出光束相对输入光束倒立。

光束在两个透镜之间聚焦。这提供了空间滤波的机会。例如，可以在光束焦点处放置一个针孔以提高光束质量。通过焦点后，光束直径会随着与输出透镜距离的减小而增加。为了增大输出透镜所产生的准直光束直径，可将输出透镜放置在距离焦点更远处。由于焦点和输出透镜之间的距离等于透镜焦距，因此需要使用焦距更长的透镜。

开普勒式设计通常不适用于高能量光束，比如在一些切割和其他制造应用中所使用的高功率脉冲激光束。具有纳秒脉宽且光功率约1 MW或更高的聚焦脉冲会电离空气并产生火花，这样会降低脉冲功率，并对光束质量产生负面影响。

伽利略式设计的特性
基本的伽利略望远镜包含两个透镜，一个为负透镜，另一个为正透镜(图2)。透镜摆放的位置是两个透镜之间的距离等于它们的焦距之差，因此伽利略式设计比开普勒式更为紧凑。

伽利略式设计还可用于最小化由扩束器或缩束器引起的球面像差。所有球面透镜都会引入球面像差，其中的一个后果是光束焦点会沿光轴移动。对于正球面透镜，与入射到透镜中心附近的平行光线相比，入射到透镜边缘的平行光线会聚焦到光轴上更靠近透镜的一点。由于负球面透镜具有相反的效果，因此伽利略式设计中的负透镜可用于抵消由正透镜引入的部分球面像差。

用作扩束器时，具有较小直径的光束入射到负透镜上。负透镜输出的发散光束在传播至正透镜时直径增加，而不是在两个透镜之间聚焦。这种发散光束可以被认为有一个虚焦点，它位于负透镜的另一侧，如图2所示。由于正透镜与这个虚焦点相距一倍焦距(f₂)，因此正透镜可输出准直光束，且相对输入光束没有倒立。如果光束非旋转对称，那么光束的输出方向可能对应用而言很重要。

扩束比
扩束器和缩束器设计用于接收和提供准直光束。尽管光束是准直的，但由于衍射效应，光束直径在传播时会发生变化。理想情况下，如图1和图2所示，输入束腰位于输入透镜一倍焦距处。则输出束腰距离输出透镜一倍焦距。如果输入束腰距离输入透镜并非一倍焦距，则输出束腰的位置、输出束腰直径和/或输出光束的发散角可能都与估计值不匹配。

光束的束腰直径(2W_o )和发散角(θ )都会受到扩束器和缩束器的影响。这两个光束参数的变化都可以使用装置的扩束比(m )来估算。输出束腰直径为扩束比与输入光束直径的乘积。输出光束的发散角等于输入光束的发散角除以扩束比。

当装置包含两个透镜时，对于开普勒式和伽利略式设计，计算扩束比的公式相同。扩束比等于输出透镜的焦距除以输入透镜的焦距。当图1和图2所示的装置作为扩束器时，光入射在焦距为f₁的透镜1上。第二个透镜(透镜2)的焦距为f₂，则扩束比(m₁₂)为

如果将图1和图2中的装置用作缩束器，则光从相反方向入射到透镜2。那么，透镜1为输出透镜，扩束比变为m₂₁ ，即f₁除以f₂。

来自：thorlabs