激光擴(kuò)束鏡的功能與用途

激光擴(kuò)束鏡是能夠改變激光光束直徑和發(fā)散角的透鏡組件。從激光器發(fā)出的激光束具有一定的發(fā)散角，對(duì)于激光加工來說，只有通過擴(kuò)束鏡的調(diào)節(jié)使激光光束變?yōu)闇?zhǔn)直(平行)光束才能利用聚焦鏡獲得細(xì)小的高功率密度光斑;因而擴(kuò)束鏡也稱準(zhǔn)直鏡，最常用的擴(kuò)束鏡是一個(gè)伽利略望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，通常由一個(gè)負(fù)透鏡和正透鏡組成，且兩個(gè)透鏡是共焦的。

這類擴(kuò)束鏡的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、體積較小，已廣泛用于激光打標(biāo)中。

通常我們以光束的發(fā)散參數(shù)作為完美的高斯激光束的特征。發(fā)散是指光波在其空間傳播過程中以一定角度展開。甚至完美的沒有任何異常的光線也會(huì)由于衍射效應(yīng)經(jīng)歷某些光束的發(fā)散。衍射是指光線在被不透明的物體，比如刀鋒切斷的時(shí)候產(chǎn)生的彎曲效應(yīng)。展開(spreading)產(chǎn)生于在切斷的邊緣發(fā)出的次級(jí)波面陣。這些次級(jí)波和主波會(huì)發(fā)生干涉，同時(shí)相互也會(huì)產(chǎn)生干涉，在某些時(shí)候就會(huì)形成復(fù)雜的衍射圖案。

伽利略擴(kuò)束鏡最通用的擴(kuò)束鏡類型起源于伽利略望遠(yuǎn)鏡，通常包括一個(gè)輸入的凹透鏡和一個(gè)輸出的凸透鏡。輸入鏡將一個(gè)虛焦距光束傳送給輸出鏡。一般的低倍數(shù)的擴(kuò)束鏡都用該原理制造，因?yàn)樗?jiǎn)單、體積小、價(jià)格也低。一般的盡可能的被設(shè)計(jì)為小的球面像差，低的波前變形和消色差。它的局限性在于不能容納空間濾波或者進(jìn)行大倍率的擴(kuò)束。

開普勒擴(kuò)束鏡事實(shí)上在需要空間濾波或者進(jìn)行大倍率的擴(kuò)束的時(shí)候，人們一般使用開普勒設(shè)計(jì)的望遠(yuǎn)鏡。開普勒望遠(yuǎn)鏡一般有一個(gè)凸透鏡作為輸入鏡片，把實(shí)焦距聚焦的光束發(fā)送到輸出元件上。另外，可以通過在第一個(gè)透鏡的焦點(diǎn)上放置小孔來實(shí)現(xiàn)空間濾波。

激光擴(kuò)束鏡主要有兩個(gè)用途：其一是擴(kuò)展激光束的直徑;其二是減小激光束的發(fā)散角。因此，它被用于遠(yuǎn)距離照明或投影，以及聚焦系統(tǒng)。一束被擴(kuò)束的光束的發(fā)散角，和擴(kuò)束比成反比例變化。和未經(jīng)擴(kuò)束的光束相比，擴(kuò)束后的光束可被聚焦得更小。 激光擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡的倍率即光束直徑的放大倍率。

從激光器輸出的激光束的光斑尺寸和發(fā)散角乘積是光學(xué)不變量，近似為一定值。當(dāng)束腰半徑擴(kuò)大x倍時(shí)，其發(fā)散角相應(yīng)壓縮為原來的1/x，壓縮發(fā)散角實(shí)際就是激光的準(zhǔn)直。

壓縮發(fā)散角并不能改善光束質(zhì)量，光束質(zhì)量是束腰半徑和發(fā)散角的乘積;壓縮發(fā)散角的同時(shí)將伴隨束腰半徑的增加，則光斑尺寸增大。激光標(biāo)記機(jī)中常和平場(chǎng)聚焦透鏡配合起來使用。