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                激光擴束器(Beam Expander)設計

                時間:2021-09-22 來源:光明大神 訪問量:1540

                常規的激光擴束器,主要的作用就是利用光學透鏡改變輸入光斑的空間形狀分布。比如把小的圓形光斑改成大的圓形光斑,把圓形光斑調制成橢圓形光斑,改變矩形光斑的長寬比等等。本期介紹了四種激光擴束的設計思路,感興趣的朋友們多多交流。

                激光擴束器

                方案1:利用兩組正透鏡實現圓形準直光斑的擴束

                系統的光路圖如下,在兩組透鏡的公共焦點位置,安裝針孔遮擋雜散光。

                利用兩組正透鏡實現圓形準直光斑的擴束

                整個系統的放大率關系如下所示:

                利用兩組正透鏡實現圓形準直光斑的擴束放大率關系

                從系統長度的關系可以看出:

                從系統長度的關系

                方案2:利用一正一負透鏡組合實現圓形準直光斑的擴束

                系統的光路圖如下所示,和兩組正透鏡方案類似,一正一負兩組透鏡的配置依然是共焦點的。

                利用一正一負透鏡組合實現圓形準直光斑的擴束

                一正一負兩組透鏡設計方案的放大率計算公式如下所示:

                一正一負兩組透鏡設計方案的放大率計算公式

                從系統長度的關系可以看出:

                系統長度

                從方案1和方案2的對比可知,相同參數要求下,方案2比方案1的整體長度要短:

                知,相同參數要求下,方案2比方案1的整體長度要短

                方案3:利用柱透鏡把圓形光斑整形成橢圓光斑

                輸入光斑想要在某個方向上壓縮的到橢圓光斑,就可以利用cylinder透鏡。比如下圖所示,圓形準直光斑輸入,在X方向上保持準直特性不變,在Y方向進行壓縮得到橢圓光斑。

                對於激光器出射後的橢圓光斑,也可以利用柱透鏡整形成為圓形光斑。

                對於激光器出射後的橢圓光斑,也可以利用柱透鏡整形成為圓形光斑

                除了圓形光斑,如果需要對矩形光斑改變長寬比,也可以利用類似的思路,如下所示。

                除了圓形光斑,如果需要對矩形光斑改變長寬比

                比如之前有朋友咨詢,對於入射圓形準直光斑,是否可以用兩塊柱面透鏡實現,光斑在Y方向上聚焦,光斑在X方向上長度連續變焦。

                用相同的兩塊柱透鏡,通過改變兩個透鏡之間的距離,是完全可以實現的,如下圖所示。

                用相同的兩塊柱透鏡,通過改變兩個透鏡之間的距離,是完全可以實現的

                方案4:利用棱鏡組合進行擴束設計

                除了透鏡方案外,還可以利用棱鏡方案進行擴束設計,如下圖所示。

                可以利用棱鏡方案進行擴束設計

                筆者喜歡用兩組相同的棱鏡設計,這裏的相同有雙重含義,第一指的是兩個透鏡的形狀完全相同,可以在節省加工成本。第二指的是棱鏡相對於入射光線的擺位完全相同,這樣子很方便計算,只需要計算一組結果即可,第二組棱鏡直接斜邊朝著入射光直立放置即可,光路配置非常方便。

                先計算光線經過第一個棱鏡的放大率,則整個系統的放大率就是已知的,假設棱鏡對折射率n已知,且入射光線和棱鏡斜面的夾角已知,根據三角關系,可以直到光束擴展倍率:

                根據三角關系,可以直到光束擴展倍率

                由於兩個棱鏡是串聯的,因此整個系統的擴束倍率為:

                擴束倍率

                這種棱鏡實現的功能和柱面透鏡相同,可以改變光斑兩個方向上的尺寸比,也就是說,既可以把圓形光斑整形為橢圓光斑,也可以對矩形光斑進行整形。但是這種組合有個明顯的劣勢,系統的光軸是偏心的,所以沒有特別的要求,不建議使用這種optical axis shift的設計方案。

                再補充:如下圖所示,由於激光很容易產生幹涉,因此如果光學系統表面不做鍍膜處理,很容易會造成局部能量集中,幹涉造成的局部能量欺負差異會達到20%,因此不管從系統的能量閾值安全性方面考慮,還是從系統探測的準確度方面考慮,激光類應用的光學系統表面都需要鍍增透膜。

                鍍增透膜

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