激光扩束镜理论研究及选型指南

2021-12-14 11:53| 发布者: | 查看: |

激光扩束镜可将准直输入光束的直径扩大到更大的准直输出光束,常用于如激光扫描、干涉测量或遥测应用中。现在的激光扩束镜都是从完善的光学望远镜基础中发展而来的无焦系统设计。在此类系统中,物体光线以平行方式进入内部光学元件的光轴中,并以平行方式离开。这意味着整个系统不具备焦距。

理论:望远镜

传统上,光学望远镜主要用于观察远处的物体,例如宇宙中的天体。光学望远镜主要可分为两大类:折射望远镜和反射望远镜。折射望远镜充分利用透镜来折射或弯曲光线,而反射望远镜则是利用反射镜来反射光线。

折射望远镜可分为两类:开普勒式望远镜和伽利略式望远镜。开普勒式望远镜由正焦距的透镜组成,透镜按焦距总和分隔(图1)。离被观察物体或来源图像近的透镜被称为物镜,靠近人眼或成像的透镜称为成像透镜。

图1: 开普勒式望远镜

伽利略式望远镜由正透镜和负透镜组成,透镜也按焦距总和分隔(图2)。但是,由于其中一个透镜为负透镜,因此两个透镜之间的距离比开普勒式望远镜的透镜距离短。使用两个透镜之间的有效焦距能够很好地得出近似总长度,而使用后焦距则能够获得准确的长度。

图2: 伽利略式望远镜

望远镜的放大倍数或放大倍数的倒数等于物镜焦距和目镜焦距的比值

如果放大倍数大于1,则望远镜会放大。如果放大倍数小于1,则望远镜会缩小。

理论:激光扩束镜

在激光扩束镜中,物镜和成像透镜的位置颠倒。开普勒式扩束镜设计为使准直输入光束集中在物镜和成像透镜之间的一个点上,进而形成一个激光能量聚焦的区域(图3)。该集中的点会加热透镜之间的空气,折射光路中的光线,而这有可能会造成波前误差。在高功率激光应用中,聚焦点处空气的电离也可能是一个问题。有鉴于此,大部分扩束镜都选择使用伽利略式设计或其变体(图4)。然而,开普勒式设计在需要空间滤光的激光应用中仍然非常有用,因为它们提供了一个便于放置空间滤光片的焦点。

图3: 开普勒式扩束镜有一个内部焦点,这不利于高功率应用,但适用于低功率应用的空间滤光

图4: 伽利略式扩束镜没有内部焦点,非常适合高功率激光器应用

使用开普勒式或伽利略式设计于激光扩束镜应用时,重要的是能够计算出输出光束发散。这决定了与完美平行光线的偏差。光束发散取决于输入激光光束直径和输出激光光束直径。

放大倍数 (MP) 现在可通过光束发散或光束直径来表示。

解等式4和等式5时,可以发现输出光束发散 (θO) 随输出光束直径(DO) 增加而降低,反之亦然。所以,如果使用扩束镜来缩小光束,光束直径将会缩小,但激光的光束发散将会提高。小光束的代价就是形成很大的发散角。

除此之外,能够计算特定工作距离 (L) 的输出光束直径也是极为重要的。输出光束直径是在特定工作距离 (L) 后的输入光束直径和光束发散的函数(图 5)。

图 5: 可以使用激光的输入光束直径和发散来计算特定工作距离下的输出光束直径

激光束发散用半角表示,因此,等式6的第二项需要因子2。

扩束镜通过放大倍数增大输入光束和减小输入发散。将等式4和5代入等式6,结果如下:

应用1:降低功率密度

扩束镜以放大倍数的平方增加光束面积,而不会显著影响光束中包含的总能量。这会降低光束的功率密度和辐照度,从而延长激光组件的寿命,降低出现激光诱导损伤的几率,并允许使用更经济实惠的镀膜和光学元件。

应用2:大程度地降低特定距离下的光束直径

尽管这似乎不太直观,但使用扩束镜增加激光的直径可能会导致远离激光光圈的光束直径变小。扩束镜会因特定的扩束功率而提高输入激光光束,也会因相同的扩束功率而降低光束发散,进而在较大距离下形成较小的平行光束。

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