激光擴(kuò)束鏡的參數(shù)、原理和產(chǎn)品選型

激光擴(kuò)束鏡能夠改變激光光束直徑、發(fā)散角和強(qiáng)度分布，常用于激光掃描、激光諧振腔、激光干涉測量或遙測應(yīng)用中，以實(shí)現(xiàn)諸如降低光斑能量密度、降低特定距離下的光束直徑、減小聚焦光斑尺寸、激光束尺寸補(bǔ)償?shù)裙δ�，是激光系統(tǒng)中最廣泛使用的組件之一。

圖1 福晶科技的非球面高倍率擴(kuò)束鏡

一、激光擴(kuò)束鏡的參數(shù)指標(biāo)

波長：激光波長是指激光所發(fā)射出來光波的空間頻率，主要的使用單位有nm和μm。擴(kuò)束鏡的波長針對(duì)所適用的激光器來設(shè)計(jì)，除非擴(kuò)束鏡本身是消色差的，否則不同的波長需選用不同的擴(kuò)束鏡。福晶科技的擴(kuò)束鏡波段涵蓋紫外（193nm、266nm、355nm）、可見光（532nm、632.8nm）及近紅外（1030nm、1064nm、1550nm），除此之外，也有一系列適用于寬波段的擴(kuò)束鏡產(chǎn)品。

功率密度或能量密度：單位面積內(nèi)的光學(xué)功率/能量，通常使用單位為MW/cm²或J/cm²；單位面積下功率/能量越高，功率/能量密度越大。為了防止高功率/能量密度對(duì)激光系統(tǒng)元件的損傷以及空氣電離，通常就會(huì)使用擴(kuò)束鏡放大光斑面積以減小密度，這時(shí)就要求擴(kuò)束鏡本身具有較高的損傷閾值。我司對(duì)于不同波段的擴(kuò)束鏡都有高損傷閾值要求，并配備損傷測試設(shè)備測試損傷閾值。

擴(kuò)束鏡的放大倍率：由物方透鏡和像方透鏡的焦距決定：

擴(kuò)束鏡輸出的發(fā)散角：與放大倍率成反比：

發(fā)散角是描述擴(kuò)束鏡性能的重要指標(biāo)之一。發(fā)散角是指光束在長距離傳播后由于衍射而相對(duì)于束腰的擴(kuò)散程度。光束發(fā)散角通常有激光的半角來定義，高斯光束的發(fā)散角（θ）定義為：

其中，λ為激光波長，ω0為激光束腰。

二、激光擴(kuò)束鏡的基本原理

激光擴(kuò)束鏡的原理與望遠(yuǎn)鏡的原理類似，同屬于無焦系統(tǒng)，平行光入射光學(xué)系統(tǒng)，并平行光出射。激光擴(kuò)束鏡可分為開普勒式和伽利略式兩種。

開普勒式由兩片正透鏡組成，兩個(gè)透鏡的焦點(diǎn)重合，兩個(gè)透鏡的間隔約等于兩個(gè)透鏡的焦距之和。當(dāng)準(zhǔn)直光入射后將兩透鏡之間形成一個(gè)能量匯聚焦點(diǎn)，在這個(gè)焦點(diǎn)上設(shè)置小孔光闌，可以實(shí)現(xiàn)空間濾波，提高激光的品質(zhì)，但在高功率應(yīng)用中，可能會(huì)產(chǎn)生自聚焦以及空氣電離的風(fēng)險(xiǎn)。

圖 2 開普勒式擴(kuò)束鏡設(shè)計(jì)

伽利略式結(jié)構(gòu)由一個(gè)正透鏡一個(gè)負(fù)透鏡組成，兩透鏡間距為兩焦距之差。相較于開普勒式，兩個(gè)透鏡的光焦度更小，結(jié)構(gòu)更加緊湊，價(jià)格也更便宜。另外，由于正負(fù)透鏡的球差效應(yīng)相反，伽利略式可以減少一部分球差，更適用于大口徑以及非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱光束。伽利略結(jié)構(gòu)內(nèi)部沒有聚焦點(diǎn)使其更適用于高功率激光應(yīng)用。

圖 3 伽利略式擴(kuò)束鏡設(shè)計(jì)

三、福晶科技激光擴(kuò)束鏡的產(chǎn)品類型

1. 常規(guī)產(chǎn)品

福晶科技的常規(guī)擴(kuò)束鏡產(chǎn)品類型豐富且交付周期短，如常見波段266nm、355nm、532nm和1064nm的定倍不可調(diào)光束發(fā)散角擴(kuò)束鏡、定倍可調(diào)光束發(fā)散角擴(kuò)束鏡、1-3X倍、2-10X倍手動(dòng)變倍擴(kuò)束鏡等。

圖 4  福晶科技的變倍擴(kuò)束鏡

2. 定制產(chǎn)品

福晶科技還可根據(jù)客戶的應(yīng)用需求，提供定制化的光束擴(kuò)束與整形的解決方案。比如高倍率擴(kuò)束鏡、消色差擴(kuò)束鏡、非球面擴(kuò)束鏡、柱面擴(kuò)束鏡、電動(dòng)變倍擴(kuò)束鏡、水冷擴(kuò)束鏡以及勻光準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡等等。

1) 在3D打印機(jī)和激光掃描中使用擴(kuò)束鏡時(shí)要求光斑連續(xù)可調(diào)，得益于福晶科技工程師團(tuán)隊(duì)成熟的電機(jī)編程與優(yōu)良的機(jī)械設(shè)計(jì)水平，公司可提供電動(dòng)變倍擴(kuò)束鏡與水冷變倍擴(kuò)束鏡兩類產(chǎn)品。變倍擴(kuò)束鏡能實(shí)現(xiàn)在固定距離內(nèi)對(duì)光斑尺寸的調(diào)整；而增加水冷結(jié)構(gòu)能夠減少在高功率激光下鏡片的熱效應(yīng)。

圖 5 福晶科技的電動(dòng)變倍擴(kuò)束鏡

圖 6 福晶科技的水冷變倍擴(kuò)束鏡

2) 在要求光束準(zhǔn)直的前提下需對(duì)光斑形狀做出優(yōu)化，通常我們會(huì)采用柱面透鏡或者非球面透鏡方案對(duì)光斑的快慢軸尺寸進(jìn)行優(yōu)化。

柱面擴(kuò)束鏡方案中，柱面透鏡將擴(kuò)展光束較窄的尺寸即光束慢軸，其優(yōu)勢在于聚焦慢軸尺寸的同時(shí)不會(huì)放大光的正交分量。兩軸發(fā)散角與焦距的關(guān)系式為：

圖 7  福晶科技的柱面擴(kuò)束鏡

非球面擴(kuò)束鏡方案基于福晶科技具有卓越的非球面加工與光學(xué)設(shè)計(jì)能力，為勻光準(zhǔn)直鏡的定制化提供了強(qiáng)有力的支持。

圖 8 福晶科技的非球面擴(kuò)束鏡

該方案在傳統(tǒng)準(zhǔn)直擴(kuò)束的同時(shí)，對(duì)激光光束的能量分布進(jìn)行均勻化。經(jīng)勻光準(zhǔn)直鏡后的光線強(qiáng)度分布均勻，光斑能量分布接近平頂光束，使其在激光雕刻與焊接中，有著不俗的表現(xiàn)。

圖 9 勻光準(zhǔn)直鏡加入前后光線的光強(qiáng)分布

文章轉(zhuǎn)自：福建福晶科技股份有限公司

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