激光擴束器

激光擴束器設計用于擴大平行輸入光束的直徑較大的平行輸出光束。激光擴束器常用于如激光掃描、干涉測量或遙測應用中。現在的激光擴束器都是采用從完善的光學望遠鏡基礎中發展而來的無焦系統設計。在此類系統中，位于無窮遠的物體光線，以平行的方式進入內部光學件的光軸中，同時也以平行的方式離開。這意味著整個系統不具備焦距。

理論：望遠鏡

傳統上，光學望遠鏡主要用于觀察遠處的目標，例如宇宙中的天體。光學望遠鏡主要可分為兩大類：折射望遠鏡和反射望遠鏡。折射望遠鏡充分利用透鏡來折射或彎曲光線，而反射望遠鏡則是利用反射鏡來反射光線。

折射望遠鏡可分為以下兩類：開普勒式望遠鏡和伽利略式望遠鏡。開普勒式望遠鏡由焦距為正的透鏡組合而成，而透鏡是通過焦距總和分割（圖1）。離來源圖像或被觀察物體近的透鏡被稱為物鏡，而靠近人眼或成像的透鏡則成為成像透鏡。

圖1: 開普勒式望遠鏡

伽利略式望遠鏡由正透鏡和負透鏡組合而成，透鏡也是通過焦距總和分割（圖2）。但是，由于其中一個透鏡為負透鏡，因此兩個透鏡之間的距離比開普勒式望遠鏡的透鏡距離短。需要注意的是，使用兩個透鏡之間的有效焦距能夠獲得出色的近似總長度，而使用后焦距則能夠獲得準確的結果。

圖2: 伽利略式望遠鏡

望遠鏡的放大倍數或放大倍數的倒數等于物鏡焦距和目鏡焦距的比值。

若放大倍數大于1，則望遠鏡將物體放大；若放大倍數小于1，則望遠鏡將物體縮小。

理論：

在結構中，物鏡和成像透鏡的位置顛倒。平行輸入光束在開普勒式中集中在物鏡和成像透鏡之間的一個點上，進而形成一個激光能量聚焦的區域（圖3）。該集中的點會加熱透鏡之間的空氣，折射光路中的光線，而這有可能會造成波前誤差。有鑒于此，大部分都選擇使用伽利略式設計或其變體（圖4）。

圖3： 開普勒式

圖4：伽利略式

使用開普勒式或伽利略式設計于應用時，重要的是能夠計算出輸出光束發散，這將決定了平行光線的偏差。光束發散取決于輸出激光光束直徑和輸出激光光束直徑。

放大倍數(MP)現在即可依據光束發散或光束直徑來表示。

解上述方程式時，可以看到輸出光束直徑(DO)提高時，則輸出光束發散減少，以此類推。所以，如果您將來縮小激光光束，光束直徑將會縮小，但激光的光束發散將會提高。小光束的代價就是形成很大的擴張角。

除此之外，能夠在特定工作距離(L)計算出輸出光束直徑也是極為重要的。輸出光束直徑是在特定工作距離(L)后輸入光束直徑和光束發散的函數（圖5）。

Figure 5: Calculating the Output Beam Diameter at a Specific Working Distance

激光光束發散是以全角的，所以上述方程式是以θI表示，而非θI/2.。

由于會隨放大倍數而提高輸入光束，以及降低輸入光束發散，因此將方程式(4)和(5)代入方程式(6)會獲得如下結果。

應用示例

示例1

以數值示例探究先前所述的方程式。

初始參數 放大倍數 = MP = 10X
輸入光束直徑 = 1mm
輸入光束發散 = 1mrad
工作距離 = L = 100m

計算參數
輸出光束直徑

在不具備使用方程式(6)的的情況下，將此與光束直徑相比較。

雖然會因特定的擴束功率而提高輸入激光光束，但它也會因相同的擴束功率而降低光束發散，進而在較大距離下形成較小的平行光束。

示例2

使用在長工作距離中降低激光光束發散的理論示例。

為改善光束準直，可用于集中激光光束。下表顯示了5X、10X和20X的的模擬聚焦性能。光斑尺寸的量度單位為微米，假設M2=1，使用直徑為0.63mm，波長為632.8nm的激光光束，以此計算得出平行的輸入光束。

注意：上表所列的1/e2 光斑直徑是從以下方程式計算得出：2 * f/# * 波長，f/#為工作f/#。