扩束器——用于扩大平行输入光束的直径至较大的平行输出光束

时间:2021-07-22 来源:新特光电 访问量:1165

在激光技术和通用光学中,人们经常使用准直光束,根据定义,在一定长度上具有大致恒定的光束半径。有时,有必要显着修改波束半径,例如以实现减小的波束发散以在更大的距离上传输波束。为此,可以构建扩束器,也可以作为固定光学组件使用。扩束器常用于如激光扫描、干涉测量或遥测应用中。现在的扩束器都是采用从完善的光学望远镜基础中发展而来的无焦系统设计。

在大多数情况下,扩束器被实现为由两个透镜(或在某些情况下由两个曲面镜)组成的光学望远镜。两种不同的配置是常见的:

  • 开普勒望远镜由两个聚焦透镜组成,其中两个透镜之间的距离是它们的焦距之和。然后在透镜之间有一个束腰。如果工具焦距值不同,则修改该望远镜后的光束半径。例如,如果第二个透镜的焦距是第一个透镜的两倍,则可实现两倍的光束半径。

  • 一个伽利略望远镜由一个聚焦透镜和八个聚焦透镜组成。同样,透镜之间的距离等于焦距的总和——但其中一个焦距为负(散焦透镜的焦距)。这种望远镜的优点是可以更紧凑。

开普勒望远镜2倍光束扩展时光束半径的计算演变

开普勒望远镜2倍光束扩展时光束半径的计算演变。

为了获得给定的放大倍数(膨胀比、光束半径比),可以使用不同的焦距值。大多数紧凑型解决方案都可以使用小焦距,但也存在局限性。特别是,如果同时需要大的输出光束半径,则可能需要具有非常高数值孔径的透镜。因此,用于大光束操作的扩束器暂时更长。当然,扩束器也可以反向操作。

可变扩束镜

有可变光束扩展器(变焦扩展器),即可以在一定范围内(例如从 2 × 到 5 × 或从 5 × 到 10 ×)调整放大倍率的设备。那些至少包含三个镜头和一些精细的机械装置来调整其中至少一个的位置。

放大倍数可调的扩束镜

放大倍数可调的扩束镜

单向扩束镜

使用柱面透镜,可以实现只在一个方向工作的扩束镜。为此,还可以使用变形棱镜对。

不合适的输入光束

扩束器一般不设计用于发散光束,而仅用于准直光束,并且只能在一定的光束半径范围内使用。否则,可能会获得剪裁效果和/或无法输出准直光束。显然,光束只有在束腰足够大的情况下才能在一定长度上进行准直。例如,图 3 显示了图 1 中考虑的同一扩束器中光束半径的演变,但初始光束半径小 5 倍。在这里,光束不能再被视为准直光束。熟悉高斯光束是理解扩束器和类似设备操作的良好基础。

对于太小的输入光束半径,光束半径与位置的关系

对于太小的输入光束半径,光束半径与位置的关系

波长范围

为了使光功率损失最小,镜片通常配备有抗反射涂层。然而,这些仅在有限的波长范围内起作用。

光学损伤

对于脉冲激光应用,所使用的镜片镀膜还应具有足够高的光学损伤阈值。此外,应避免使用未对准的高功率光束进行操作,这可能导致某些部件过热。

对于非常高的激光功率,使用纯反射光束扩展器(用镜子代替透镜)。这是因为反射镜上的热效应(如热透镜效应)较弱。此外,这样可以避免任何寄生反射。然而,缺点是反射镜通常会引入一定量的散光。

光束指向角

在修改光束半径时,还可以修改光束指向偏差的强度。例如,光束半径加倍意味着输出光束的角度变化强度仅为输入光束的一半。

业纳Jenoptik激光扩束器

德国业纳Jenoptik集团,其前身是东德国知名光学公司卡尔蔡司公司,东德国与西德国合并后,政府令其更名,于1991年确名业纳Jenoptik公司。JENOPTIK集团下设激光与材料加工、光学系统、工业测量系统、交通解决方案、国防与民用设施五大事业部。其中激光与材料加工事业部专业从事激光器研发制造、激光精密材料加工等。新特光电作为其在国内的战略合作伙伴、国内授权一级代理商,授权为国内客户提供激光扩束器物镜等,这些物镜和扩束器极其耐用和高效,广泛应用于高精密激光材料的加工中。

适用于各种波长的可变扩束器

扩束器增加或减小激光光束的直径,可让光学系统的各类元件彼此校准。在激光输出处的激光光束的直径可根据物镜输入端所需的直径进行调整。扩束器主要用于激光材料加工。无限可调的扩束器可确保符合激光材料加工中所需的高精度要求。其中1x-4x和2x-10x扩束器适用的激光波长为355、532和1030至1080 纳米。扩展的缩放范围使得10倍扩束成为可能。所有型号均可从最小系数无限扩展至最大系数。扩展和分散是分开调整的。这意味着扩束器可对整个光学系统进行聚焦校正。扩束器结构非常坚实和紧凑。镜片元件在更改设置的过程中不会发生旋转。这将确保极高的光束稳定性。扩束器采用衍射极限的设计:激光光束的直径仅受光的衍射的限制。缩放和聚焦刻度雕刻在扩束器的表面,因此可快速轻松地进行手动调节。

可变扩束器

手动可调和电动可调激光扩束器

可变扩束器的优势

  • 高精度:优化并满足激光材料加工中所需的高精度要求。

  • 坚固紧凑:镜片元件在更改设置的过程中不会发生旋转。

  • 优化:经改进的光束稳定性

  • 灵活:可以单独调整扩展和分散。

  • 无限可调:从1倍至10倍的扩展因子

  • 快速手动调整:附带雕刻的缩放和聚焦刻度

应用范围

  • 微电子学:例如,玻璃微结构

  • 半导体工业:例如,微加工

  • 汽车工业:例如,切割和构建复合材料

  • 医疗:例如,在治疗应用中除去纱布

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