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激光擴束鏡理論研究及選型指南

時間:2021-11-25 來源(yuan):番茄app社区光電 訪(fang)問量:3974

激光擴束鏡(jing)可將準直輸入(ru)光(guang)束(shu)的直(zhi)徑擴(kuo)大到(dao)更(geng)大(da)的準直輸出光束。擴束鏡常用(yong)於如(ru)激光掃描(miao)、幹涉測量(liang)或遙測(ce)應用中(zhong)。現(xian)在的激(ji)光擴束鏡都是從(cong)完(wan)善(shan)的光學(xue)望遠鏡基礎中發(fa)展而來(lai)的無焦係(xi)統(tong)設計(ji)。在此(ci)類(lei)係統中,物(wu)體光線以平行方(fang)式進入內部光學元件(jian)的光軸(zhou)中,並(bing)以平(ping)行(xing)方式離開(kai)。這(zhe)意味著(zhu)整(zheng)個(ge)係統不具(ju)備焦距(ju)。

理論:望遠鏡

傳(chuan)統上,光學望(wang)遠鏡主要(yao)用於(yu)觀察遠處的物體,例(li)如宇宙(zhou)中的天(tian)體。光學望遠(yuan)鏡主要可分為兩(liang)大類:折射(she)望遠鏡和反射望遠鏡。折射望遠鏡充(chong)分(fen)利(li)用透鏡來折射或(huo)彎曲光線(xian),而反射望遠鏡則是利用反(fan)射鏡來反射光線。

折射望遠鏡可(ke)分為兩類:開普勒式望遠鏡和伽利略式望遠鏡。開普(pu)勒(lei)式望遠鏡由(you)正焦(jiao)距的透鏡組(zu)成(cheng),透鏡按(an)焦距總和(he)分隔(ge)(圖1)。離被觀(guan)察物體或來源圖(tu)像(xiang)最(zui)近(jin)的透鏡被稱(cheng)為(wei)物鏡,最靠近人(ren)眼(yan)或成像的透鏡稱為成像透(tou)鏡。

開普勒式望遠鏡

圖1: 開普勒式望遠鏡

伽利略式望遠鏡由正(zheng)透鏡和負透鏡組成,透鏡也(ye)按焦距總(zong)和分隔(圖2)。但是,由於其(qi)中一個透鏡為負(fu)透鏡,因(yin)此兩個透鏡之間的距離(li)比(bi)開普勒式望遠鏡的透鏡距離短。使用兩個透鏡之間的有效焦距能(neng)夠很好地得出(chu)近似總長(zhang)度,而使用後焦距則能夠(gou)獲得(de)最準(zhun)確(que)的長度。

伽利略式望遠鏡

圖2: 伽利略式望遠鏡

望遠鏡的放大倍數(shu)或放(fang)大倍數的倒數等(deng)於物鏡焦距和目鏡焦距的比值(zhi)

望遠鏡的放大倍數或放大倍數的倒數等於物鏡焦距和目鏡焦距的比值

如果放大倍數大於1,則(ze)望遠鏡會(hui)放大。如果放大倍數小(xiao)於1,則望遠鏡會縮(suo)小。

理論:激光擴束鏡

在(zai)激光擴束鏡中,物鏡和成像透鏡的位置(zhi)顛(dian)倒。開普勒式擴束鏡設計為使(shi)準直輸入光束集(ji)中在物鏡和成像透鏡之(zhi)間的一個點(dian)上,進而(er)形(xing)成一(yi)個激光能量聚(ju)焦的區(qu)域(yu)(圖3)。該集中的點會加熱(re)透鏡之間的空氣(qi),折(zhe)射光路(lu)中的光線,而這有可能會造成波(bo)前誤(wu)差(cha)。在高功(gong)率激光應用中,聚焦點處(chu)空氣的電(dian)離也可能是(shi)一個問題。有鑒於此,大部(bu)分擴束鏡都選(xuan)擇(ze)使用伽利略式設(she)計或其變(bian)體(圖4)。然而,開普勒式設計在需要空(kong)間濾(lv)光的激光應用中仍然(ran)非常(chang)有用,因為它們提供(gong)了(le)一個便於放置空間濾光片的焦點。

開普勒式擴束鏡

圖3: 開普勒式(shi)擴束鏡有(you)一個內(nei)部焦點,這不利於高功率(lv)應用,但適用於低(di)功率應(ying)用的空間濾光

伽利略式擴束鏡

圖4: 伽利略式擴束鏡沒有內部焦點,非(fei)常適合高(gao)功率激光器(qi)應用

使用開普勒式或伽利略式設計於激光擴束鏡應用時(shi),重要的是能夠計算(suan)出輸(shu)出光束發散。這決(jue)定(ding)了與完美平行光線的偏差。光束發散取決於輸入激光光束直徑和輸出激光光束直徑。

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放大倍數 (MP) 現在可通過(guo)光束發散或光束直徑(jing)來表示(shi)。

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解(jie)等式4和等式5時,可以(yi)發現輸出光束發散 (θO) 隨輸出光束直徑(DO) 增加而降低,反之亦(yi)然。所(suo)以,如果使用擴束鏡來縮小光束,光束直徑將(jiang)會縮小,但(dan)激光的光束發散將會提高。小光束的代(dai)價(jia)就(jiu)是形成很(hen)大的發散(san)角(jiao)。

除(chu)此之外,能夠計算特(te)定工(gong)作(zuo)距離 (L) 的輸出光束直徑也是極為重(zhong)要的。輸出光束直徑是在特定工作距離 (L) 後的輸入光束直徑和光束發散的函(han)數(圖 5)。

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圖 5: 可以使用激光的輸入光束直徑和發散來計算特定工作距離下(xia)的輸出光束直徑

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激光束發散用半(ban)角表示,因此,等式6的第二項(xiang)需要因子2。

擴束鏡通過放大倍數增(zeng)大輸入光束和減小輸入發散。將等式4和5代入等式6,結(jie)果如下:

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應用1:降低功率密度

擴束鏡以放大倍(bei)數的平方增加光束麵(mian)積,而不會顯著影(ying)響(xiang)光束中包含(han)的總能量。這會降低光束的功率密(mi)度(du)和輻(fu)照(zhao)度,從而延(yan)長激光組件的壽命,降(jiang)低出現激光誘導(dao)損(sun)傷(shang)的幾率,並允許使用更經(jing)濟實惠的鍍(du)膜和光學元件。

應用2:最大程度地降低特定距離下的光束直徑

盡管(guan)這似乎不(bu)太直觀,但使用擴束鏡增加(jia)激光的直徑可能會導致遠離激光光圈(quan)的光束直徑變小。擴束鏡會因特定的擴束功率而提(ti)高輸入激光光束,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

以數值示例探究(jiu)先前所述(shu)的激光擴束鏡等式:

初始參數

  • 激光擴束鏡放大倍數=MP=10X

  • 輸入光束直徑=1mm

  • 輸入光束發散=0.5mrad

  • 工作距離=L=100m

計算參(can)數

輸出光束直徑

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使用等式6,無需使用擴束鏡即(ji)可將此值與光束直徑相(xiang)比較(jiao)。

與不使用擴束鏡的相同激光器相比,使用10X擴束鏡的輸出光束直徑減(jian)少(shao)了100m,減(jian)少(shao)了5倍多(duo)。

應用3:最大程度地減小聚焦光斑尺寸

光斑尺寸(cun)通常指(zhi)從最大輻照度中心點到強(qiang)度降為初(chu)始值1/e2的點的徑向(xiang)距離 (圖6)。理(li)想透鏡的聚焦光斑尺寸可以通過使用波長 (λ)、透鏡的焦距 (f)、輸入光束直徑 (DI)、透鏡的折射率 (n) 和光束的M2因子(zi)(代表與理想高斯(si)光束的變異程(cheng)度)計算。

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圖6: 光斑尺(chi)寸通(tong)常在強度 I(r) 下降到初始值I0的1/e2時測量

光斑尺寸基本(ben)上(shang)由衍射和像差的組合決定,二(er)者在圖7中分別以紅色(se)和藍色描述。一般來說(shuo),在聚焦激光束時,球(qiu)麵像差被認為是唯(wei)一且(qie)主要的像差類型,這就是等式 11 隻考(kao)慮球麵像差的原(yuan)因。在衍射中,焦距越短(duan),光斑尺寸越(yue)小。更重要的是,輸入光束直徑越大,光斑尺寸越(yue)小。

通過在係統內擴展光束,使用因數m使輸入直徑(D) 增加,同(tong)時使發散減小。光束聚焦成一個小光斑(ban)時,這個以m為因數的光斑比未(wei)擴束的理想衍(yan)射極限(xian)光斑更小。然而,由於球麵像差隨輸入光束直徑的增大而增大,因此需要對(dui)其進(jin)行權衡(heng)。

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圖7: 在較小的輸入光束直徑下,聚焦光斑尺寸受(shou)到衍射限製。隨著輸入光束直徑的增加,球差開始控製光斑大小

應用4:激光束尺寸補償

在實際(ji)應用中,常采(cai)用可調激光擴束鏡來規範激光束的尺寸。激光產生指定光束直徑,但對該直徑也有一定允差。為了在多個係統中實現沿光學路徑進一步延伸的固(gu)定光束直徑,可以使用可調擴束鏡來補償光束大小這種激光到激光的變化(hua)。

擴束鏡選擇條件

為應用選擇擴束鏡時,必(bi)須(xu)確定特定條(tiao)件以獲得適(shi)當的性能。

滑動和旋轉對焦機製

用於聚焦擴束鏡或改變可調擴束鏡放大倍率的結構(gou)通常分為兩種類型:滑(hua)動型和旋(xuan)轉型(xing)。旋轉(zhuan)聚焦機製,如螺紋聚焦管,在平移過程中旋轉光學元件。由於它們(men)的結構簡(jian)單(dan),因此成本比滑動聚焦結構更低,但元(yuan)件旋轉可能會導致光束漂(piao)移(圖8)。

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圖8: 可能由於旋轉對焦機製(zhi)導致的光束漂移(yi)的放大說明

滑動聚焦結構,如螺(luo)旋筒,在不旋轉的情(qing)況(kuang)下平移內部光學元件,從而最大程度地(di)減少光束漂移。不過,這需要比旋轉聚焦機製更複雜的結構,會增加係統成本。設計不佳的滑動(dong)光學元件在力學上也可能會過度移動自由。盡(jin)管經過調(diao)整後(hou),這些(xie)設計不佳(jia)的設計中的指向誤差不會導致旋轉,但它將大於旋轉光學元件或正確設計的滑動光學元件。

內部對焦

開普勒式擴束鏡包含一個內部焦點,這在高功率係統中可能會出現問題(ti)。密集的聚焦光斑可以電離空氣或由於熱偏(pian)轉光線導致波前(qian)誤差。因此,大多數擴束鏡都是伽利略(lve)式的,以避免內部對焦帶來的複雜(za)問題。不過,某些應用需要空間(jian)濾光,這隻能通過具有內部對焦能力的開普勒式設計實現

反射式和透射式

反射式擴束鏡使用曲(qu)麵鏡,而不是透射透鏡來擴展光束(圖 9)。反射式擴束鏡遠不如透射式擴束鏡常見(jian),但一些優(you)點使其成為某些應用的正確選擇。反射式擴束鏡不存(cun)在色差,而透射式擴束鏡的放大和輸出光束準直與(yu)波長有關(guan)。盡管這與許多激光應用無(wu)關,因為激光往(wang)往在單一波長下發射,但它在寬(kuan)帶應用中可能至(zhi)關重要。多激光係統、一些可調諧(xie)激光器和超快激光器需要反射式擴束鏡的消色差特性(xing)。由於超(chao)快激光器的脈(mai)衝(chong)持(chi)續(xu)時間極(ji)短,因此其固有波長範圍比其他激光器更寬。量子級聯激光器也得益(yi)於反射式擴束鏡,因為在它們的工作波長下,可能不存在透射選項。

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圖9:與透射式擴束鏡不同,卡(ka)諾(nuo)普斯反射式擴束鏡的曲麵鏡可擴展入射激光束。擴束鏡側麵的孔具有集成安(an)裝(zhuang)功能

激光擴束鏡選擇指南

適用於各種波長的可調擴束鏡,無限可調的擴束鏡可確保(bao)符合激光材料(liao)加工中所需的高精度要求(qiu)。

1x-8x可調擴束鏡-適用於大功率係統

1x-8x可調擴束鏡是SilverlineTM高功率透鏡係列的一部分,專(zhuan)為355或1030-1080nm波長範(fan)圍內的激光應用而設計。

1x-8x擴束鏡

物鏡的光學係統的設計方式是在整個擴展範圍(wei)內實現衍射極限的圖像質量。優化的塗(tu)層(ceng)可確保在355和1030–1080nm的波長範圍內實現最高的透射率和最小的熱效(xiao)應。 全(quan)石英的使用保證(zheng)了高損傷閾值,因此透鏡甚至可以承(cheng)受高功率激光應用。

創(chuang)新(xin)的框(kuang)架(jia)概念(nian)意(yi)味(wei)著擴束鏡的結構極其緊湊(cou)和堅固。 這些鏡頭非常適合(he)SilverlineTM係列中的F-theta物鏡。它們用於生(sheng)產(chan)不同材料的微觀結構、標(biao)記和銘(ming)文。

Steadfast 1x-4x可調擴束鏡-非常堅(jian)固的熔(rong)融石(shi)英係統

Steadfast 1x-4x可調擴束鏡擁有創新的機(ji)械(xie)設計:移動的光學組件沿直線穩(wen)定引(yin)導。 這減少了機械製造公(gong)差的影響,並在改變放大倍數和/或發散度時提高了光束穩定性。 擴束鏡實(shi)現了小於1毫弧度的高光束穩定性。

1x-4x擴束鏡

還可以鎖(suo)定新設計的擴束鏡上的設置。 這最大限度地減少了係統的振(zhen)動和加速度等影響,使用起來既簡單又安全,可將設置時間降至最低。

1x-4x可調擴束鏡-熔融石英(ying)係統

適用於355nm、532nm和1030-1080nm波長的1x-4x可調擴束鏡可提供高圖像質量和非常緊湊的長度。所有版(ban)本都(dou)可以在1到4倍的擴展(zhan)係數之間連(lian)續調整。擴展的光束越大,F-Theta透鏡可以生成的結構就越小。聚焦環(huan)可以有針對性地調整激光束發散度,從而補(bu)償整個係統中的焦距公差。也可以根據(ju)掃(sao)描係統改(gai)變圖像平麵的位置。

1x-4x可變擴束鏡

憑借(jie)優化的結構設計,擴束鏡非常堅固和緊湊,因此在設置更改期間透鏡不會旋轉。這提高了光束穩定性。擴束鏡具有擴散限製設計,並針對355nm、532nm或1030–1080nm的相應應用波長進行了調溫(wen)。可以使用直接(jie)刻(ke)在擴束鏡上的縮放和聚焦刻度來調整設置。

2x-10x可調擴束鏡-大倍率變焦範圍

波長為355nm、532nm和1030–1080nm的可調擴束鏡具有特別大的變焦範圍。所有版本都可以在擴展係數的2到 10倍之間連續調整。這些擴束鏡專為極大擴展光束直徑有益的應用而設計。擴展的光束越大,F-Theta透鏡可以生成的結構就越小。

2x-10x可變擴束鏡

聚焦環可以有針(zhen)對性地調整激光束發散度,從而補償(chang)整個係統中的焦距公差。也可以根據掃描係統改變圖像平麵的位置。憑借優化的結構設計,擴束鏡非常堅固和緊(jin)湊,因此在設置更改期(qi)間透鏡不會旋轉。這提高了光束穩定性。擴束鏡具有擴散限製設計,並針對355nm、532nm或1030–1080nm的相應應用波長進行了調溫。可以使用直接刻在擴束鏡上的縮放和聚焦刻度來調整設置。

1x-8x新型電動擴束鏡-使用智(zhi)能擴束鏡進行自動配置設置

1x-8x新型電動擴束鏡簡化了激光材(cai)料加工的生產步驟(zhou),光束擴展可以使用軟(ruan)件命令(ling)從1x連續調整到8x。

1x-8x新型電動擴束鏡

最佳光斑尺寸在運行過程中可調。可以精確調整激光束的發散度,以在整個係統中實現公差補償,例如補償熱效應。控製發散度還可以更改工作平麵的位置,例如用於3D處理。當激光束縮小或增大時,透鏡不會旋轉,而是在線性導軌(gui)內移動,從而實現出色的光束穩定性和始(shi)終如一的高質(zhi)量。這些功能還減少了設置時間並提高了生產效率,新型電動擴束鏡可以輕(qing)鬆(song)集成到任(ren)何激光材料加工係統中。

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