什么是扩束镜？原理、类型及应用全解析

什么是扩束镜？原理、类型及应用全解析

扩束镜是一种能够改变光束直径和发散角的光学元件，在激光加工、天文观测、光学测量和激光通信等领域有着广泛的应用。本文将详细介绍扩束镜的基本概念、功能、类型及其具体应用场景。

一、扩束镜的定义

扩束镜通常由一组透镜组成，可以将输入的激光束或其他光束进行扩束，使其直径增大，同时也可能改变光束的发散角。不同类型的扩束镜设计和结构有所不同，但它们的共同目的都是为了调整光束的特性以满足特定的应用需求。

二、扩束镜的功能

改变光束直径

在许多光学应用中，需要特定直径的光束。例如，在激光加工中，较大直径的光束可以覆盖更大的加工区域。通过使用扩束镜，可以将原本较细的光束扩大到所需的尺寸。对于一些需要均匀照明的场合，如显微镜照明系统，扩束镜可以将光源发出的光束扩大，以提供更均匀的照明。

调整光束发散角

光束的发散角对于光学系统的性能至关重要。扩束镜可以减小光束的发散角（公式：θ ≈ λ / (π * D)），使得光束更加平行，从而提高光束的传输距离和聚焦性能。在光通信系统中，需要低发散角的光束以确保信号的稳定传输。扩束镜可以对输入的光束进行调整，使其满足光通信系统的要求。

实现高精度光学操作

一些高精度的光学系统，如光镊系统，需要精确控制光束的特性。扩束镜可以作为光镊光束操控系统的一部分，与其他光学元件协同工作，以保证物镜后瞳充满的前提下实现光镊阱位操控。在纳米尺度定位和高精度光束整形中，扩束镜可以与超声电机等驱动器配合使用，实现对光束的精确控制。

适应不同波长的应用

在多波长光学系统中，如多波长激光雷达，传统的简单结构传输扩束器由于色差的影响，难以同时在多个波长上实现光束扩展。为了解决这个问题，可以设计特定的扩束镜，如离轴反射式扩束镜，应用于多波长激光雷达系统中。

优化光学系统性能

在大口径非球面哈特曼扩束器的设计中，为了校正大相对孔径透镜产生的像差，在扩束器的物镜中引用了高次非球面，从而优化了光学系统的性能。对于一些特殊的光学系统，如引力波探测器中的迈克尔逊干涉仪，安装带有角度的扩束镜望远镜可以减小光束尺寸和分束器的大小，同时提高观测时间效率，并提供所需的光束诊断点和方便的自由度用于光束对准。

三、扩束镜的类型

扩束镜主要分为折射型（凸透镜类型）和反射型（反射镜类型）两大类。

1. 折射型扩束镜（凸透镜类型）

折射型扩束镜基于透镜的折射原理，通常由两个或多个透镜组成，常见的有伽利略式扩束镜和开普勒式扩束镜。

2. 反射型扩束镜（反射镜类型）

反射型扩束镜基于反射镜的反射原理，通常由两个或多个曲面反射镜组成，常见的有离轴反射式扩束镜和同轴反射式扩束镜。

3. 折射型与反射型扩束镜的对比

四、应用实例

• 激光加工：折射型扩束镜用于激光切割和焊接，反射型扩束镜用于高功率激光加工。
• 天文观测：反射型扩束镜用于望远镜系统，扩大观测视场。
• 光学测量：折射型扩束镜用于激光干涉仪和光学实验。
• 激光通信：折射型扩束镜用于光束准直和扩束。