激光擴(kuò)束鏡的參數(shù)、原理和產(chǎn)品選型

激光擴(kuò)束鏡能夠改變激光光束直徑、發(fā)散角和強(qiáng)度分布，常用于激光掃描、激光諧振腔、激光干涉測量或遙測應(yīng)用中，以實(shí)現(xiàn)諸如降低光斑能量密度、降低特定距離下的光束直徑、減小聚焦光斑尺寸、激光束尺寸補(bǔ)償?shù)裙δ埽羌す庀到y(tǒng)中最廣泛使用的組件之一。

一、激光擴(kuò)束鏡的參數(shù)指標(biāo)

波長：激光波長是指激光所發(fā)射出來光波的空間頻率，主要的使用單位有nm和μm。擴(kuò)束鏡的波長針對所適用的激光器來設(shè)計(jì)，除非擴(kuò)束鏡本身是消色差的，否則不同的波長需選用不同的擴(kuò)束鏡。福晶科技的擴(kuò)束鏡波段涵蓋紫外（193nm、266nm、355nm）、可見光（532nm、632.8nm）及近紅外（1030nm、1064nm、1550nm），除此之外，也有一系列適用于寬波段的擴(kuò)束鏡產(chǎn)品。

功率密度或能量密度：單位面積內(nèi)的光學(xué)功率/能量，通常使用單位為MW/cm2或J/cm2；單位面積下功率/能量越高，功率/能量密度越大。為了防止高功率/能量密度對激光系統(tǒng)元件的損傷以及空氣電離，通常就會使用擴(kuò)束鏡放大光斑面積以減小密度，這時就要求擴(kuò)束鏡本身具有較高的損傷閾值。我司對于不同波段的擴(kuò)束鏡都有高損傷閾值要求，并配備損傷測試設(shè)備測試損傷閾值。

擴(kuò)束鏡的放大倍率：由物方透鏡和像方透鏡的焦距決定：

擴(kuò)束鏡輸出的發(fā)散角：與放大倍率成反比：

發(fā)散角是描述擴(kuò)束鏡性能的重要指標(biāo)之一。發(fā)散角是指光束在長距離傳播后由于衍射而相對于束腰的擴(kuò)散程度。光束發(fā)散角通常有激光的半角來定義，高斯光束的發(fā)散角（θ）定義為：

其中，λ為激光波長，ω0為激光束腰。

二、激光擴(kuò)束鏡的基本原理

激光擴(kuò)束鏡的原理與望遠(yuǎn)鏡的原理類似，同屬于無焦系統(tǒng)，平行光入射光學(xué)系統(tǒng)，并平行光出射。激光擴(kuò)束鏡可分為開普勒式和伽利略式兩種。

開普勒式由兩片正透鏡組成，兩個透鏡的焦點(diǎn)重合，兩個透鏡的間隔約等于兩個透鏡的焦距之和。當(dāng)準(zhǔn)直光入射后將兩透鏡之間形成一個能量匯聚焦點(diǎn)，在這個焦點(diǎn)上設(shè)置小孔光闌，可以實(shí)現(xiàn)空間濾波，提高激光的品質(zhì)，但在高功率應(yīng)用中，可能會產(chǎn)生自聚焦以及空氣電離的風(fēng)險。

圖 開普勒式擴(kuò)束鏡設(shè)計(jì)

伽利略式結(jié)構(gòu)由一個正透鏡一個負(fù)透鏡組成，兩透鏡間距為兩焦距之差。相較于開普勒式，兩個透鏡的光焦度更小，結(jié)構(gòu)更加緊湊，價格也更便宜。另外，由于正負(fù)透鏡的球差效應(yīng)相反，伽利略式可以減少一部分球差，更適用于大口徑以及非旋轉(zhuǎn)對稱光束。伽利略結(jié)構(gòu)內(nèi)部沒有聚焦點(diǎn)使其更適用于高功率激光應(yīng)用。

圖 伽利略式擴(kuò)束鏡設(shè)計(jì)

三、福晶科技激光擴(kuò)束鏡的產(chǎn)品類型

1. 常規(guī)產(chǎn)品

福晶科技的常規(guī)擴(kuò)束鏡產(chǎn)品類型豐富且交付周期短，如常見波段266nm、355nm、532nm和1064nm的定倍不可調(diào)光束發(fā)散角擴(kuò)束鏡、定倍可調(diào)光束發(fā)散角擴(kuò)束鏡、1-3X倍、2-10X倍手動變倍擴(kuò)束鏡等。

2.定制產(chǎn)品

福晶科技還可根據(jù)客戶的應(yīng)用需求，提供定制化的光束擴(kuò)束與整形的解決方案。比如高倍率擴(kuò)束鏡、消色差擴(kuò)束鏡、非球面擴(kuò)束鏡、柱面擴(kuò)束鏡、電動變倍擴(kuò)束鏡、水冷擴(kuò)束鏡以及勻光準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡等等。

1)在3D打印機(jī)和激光掃描中使用擴(kuò)束鏡時要求光斑連續(xù)可調(diào)，得益于福晶科技工程師團(tuán)隊(duì)成熟的電機(jī)編程與優(yōu)良的機(jī)械設(shè)計(jì)水平，公司可提供電動變倍擴(kuò)束鏡與水冷變倍擴(kuò)束鏡兩類產(chǎn)品。變倍擴(kuò)束鏡能實(shí)現(xiàn)在固定距離內(nèi)對光斑尺寸的調(diào)整；而增加水冷結(jié)構(gòu)能夠減少在高功率激光下鏡片的熱效應(yīng)。

2)在要求光束準(zhǔn)直的前提下需對光斑形狀做出優(yōu)化，通常我們會采用柱面透鏡或者非球面透鏡方案對光斑的快慢軸尺寸進(jìn)行優(yōu)化。

柱面擴(kuò)束鏡方案中，柱面透鏡將擴(kuò)展光束較窄的尺寸即光束慢軸，其優(yōu)勢在于聚焦慢軸尺寸的同時不會放大光的正交分量。兩軸發(fā)散角與焦距的關(guān)系式為：

圖 福晶科技的柱面擴(kuò)束鏡

非球面擴(kuò)束鏡方案基于福晶科技具有卓越的非球面加工與光學(xué)設(shè)計(jì)能力，為勻光準(zhǔn)直鏡的定制化提供了強(qiáng)有力的支持。

該方案在傳統(tǒng)準(zhǔn)直擴(kuò)束的同時，對激光光束的能量分布進(jìn)行均勻化。經(jīng)勻光準(zhǔn)直鏡后的光線強(qiáng)度分布均勻，光斑能量分布接近平頂光束，使其在激光雕刻與焊接中，有著不俗的表現(xiàn)。

圖 勻光準(zhǔn)直鏡加入前后光線的光強(qiáng)分布

四、嚴(yán)格的質(zhì)量管理

福晶科技注重產(chǎn)品的質(zhì)量管控，我們確保每一件擴(kuò)束鏡產(chǎn)品出廠前都經(jīng)過嚴(yán)格的生產(chǎn)和檢測過程控制。為保證擴(kuò)束鏡表面的質(zhì)量，擴(kuò)束鏡的裝配與檢測全過程都在高度無塵的潔凈室中完成；在檢測環(huán)節(jié)，我們會對擴(kuò)束鏡產(chǎn)品的光潔度、波前、光束質(zhì)量等指標(biāo)進(jìn)行嚴(yán)格的檢測與管控，所用的檢測儀器包括但不限于Zygo測量平臺、金相顯微鏡、自準(zhǔn)直儀和光束分析儀等，力?？蛻裟塬@得最佳的使用體驗(yàn)。

在福晶科技，我們始終堅(jiān)持以客戶需求為導(dǎo)向，依靠不斷突破技術(shù)創(chuàng)新和提高產(chǎn)品質(zhì)量，從而為客戶提供更好的使用體驗(yàn)。獲取更多更詳細(xì)的激光擴(kuò)束鏡相關(guān)的產(chǎn)品信息以及技術(shù)方案定制咨詢請和我們的銷售團(tuán)隊(duì)聯(lián)系:

審核編輯：湯梓紅