如何利用現貨標準光學元件設計擴束鏡

擴束鏡通常用於干涉測量、遙感、雷射材料加工和雷射掃描應用，準直光進入系統，透過擴束鏡擴展為更大的準直光束輸出。雖然有很多現貨擴束鏡可供選擇，但有時這些標準擴束鏡可能無法滿足特別應用需求。客製款擴束鏡可以靈活地隨具體應用規格進行設計，而使用現貨標準光學元件可以縮短從設計到原型製造的時間。此外，當您準備投入量產時，使用現貨標準光學元件有助於迅速擴大產量。

設計要求

選擇部件組建擴束鏡之前，有一些要求需要考慮，包括系統成本，機械約束條件和系統性能。建議在開始前，先分配每個需求的優先順序。列出要求後，會發現在組建特定應用時，或多或少需要考慮下列事項。

考慮系統成本時，最重要的是實現成本和性能之間的平衡。未鍍膜光學元件，光學鍍膜以及光學元件鏡座的成本將受數量，材料選擇和精度的影響。N-BK7，由於其波長範圍廣，且成本低廉，是一種理想的材料。而熔融石英，由於其低熱膨脹係數和高雷射損傷閾值，適用於高標準的應用。如果擴束鏡要在各種波長下使用，應考慮色差的影響。例如，N-SF11和N-BK7在小波長範圍內擁有消色差功能。在確定透鏡是否適合用於擴束鏡時，請務必檢查所選材料。

通常，擴束鏡需要在限定區域內進行裝配，系統的總體直徑和長度會受到限定。有一點需要注意，較大的光束需要較大的擴束鏡，這需要更大（和更昂貴）的光學元件和更大的金屬外殼。

另外，某些設計可能需要用到聚焦裝置來調整光束發散。旋轉聚焦裝置（螺紋聚焦管等），由於成本低廉而很受歡迎。然而，這些裝置在進行平移時需要旋轉光學元件，因而輸出光束會產生漂移。螺旋筒等滑動機構，可使光學元件垂直於光軸平移，而無需旋轉，可使光束漂移最小化，但會增加系統成本。

在設計擴束鏡之前，請注意系統性能要求。擴束鏡設計需要滿足特定波長或波長範圍，特定輸入光束直徑和最小可接受穿透率。較大的波長範圍更難設計，增加了設計的複雜性和成本，而較小的輸入孔徑更易於保持性能要求。整體穿透率主要受到抗反射鍍膜的影響; 未鍍膜的光學元件降低了成本，但也降低了總穿透（並可能在擴束鏡中產生有害反射）。而簡單的鍍膜，如單層MgF₂可以提供90％及以上的穿透率。光束質量通常用波前畸變來表示， 如峰 - 谷值（PV）小於λ/4，通常認為其具有繞射極限。

我們很難在不影響其他參數的情況下調整另一個參數。例如，選擇不同的透鏡組來改善波前質量，可能會增加系統成本或影響整個系統尺寸。還有一點需要注意，增加輸入光束直徑對穿透波前的質量具有指數效應，因此越大的輸入光束就越難設計。還需注意元件的公差 - 公差越嚴，系統就越昂貴。

克卜勒擴束鏡與伽利略擴束鏡兩種設計

使用現貨標準透鏡設計擴束鏡可以大大縮短交期，加快設計時間。使用Zemax透鏡目錄，可助您輕鬆選擇合適的透鏡，並可依照您的設計標準調整間距。可以選擇愛特蒙特光學業界領先的現貨標準透鏡，也可以選擇克卜勒設計和伽利略設計。克卜勒設計的系統長度更長，有內部焦點，而伽利略設計更短小，並且沒有內部焦點。

克卜勒擴束鏡設計有中間聚焦平面。這使得其相較伽利略設計，既有優勢又有劣勢。在高功率下，焦平面是明顯的缺點，因為空氣會離子化，從而減少能量傳輸，還可能會產生有害的能量水平。而在低功率下，焦平面是放置空間濾光片的理想位置，可以輕鬆有效的去除無用光束。在放大倍率相同的情況下，伽利略設計通常比克卜勒設計短。

通用伽利略擴束鏡設計要素

伽利略擴束鏡的放大倍數由以下公式確定。

其中$ \small{f_1}$是正透鏡的焦距，$ \small{f_2}$是負透鏡的焦距。使用現貨標準光學元件可以使設計變得更加簡單，只需選擇滿足放大倍數要求（公式1）而不超過系統長度要求（公式2）的正透鏡和負透鏡即可。這兩個連立方程是一階方程，透鏡厚度和焦點優化將使得最終結果與理想值之間有輕微偏差。

選擇時還需要考慮透鏡的通光孔徑，因為負透鏡必須足夠大，以容納輸入光束，而正透鏡也須足夠大，使得輸出放大光束不產生漸暈。

例如，3mm輸入光束射入5倍放大系統中，10mm直徑的正透鏡將導致漸暈，因為輸出光束的直徑為15mm。現有大量現貨透鏡，各種直徑和焦距可供選擇，可以滿足大多數客戶的放大率要求。

設計5倍伽利略擴束鏡

假設有應用需要設計系統長度不超過75mm的5倍擴束鏡。需要用到兩個單片伽利略透鏡，以下是可行的現貨透鏡組合：-6mm和30mm，-9mm和45mm，-12mm和60mm，以及-15mm和75mm。請注意，-25mm /125mm，-20mm /100mm組合無法滿足系統長度小於75mm的要求。雖然-18mm /90mm組合原則上可以滿足要求，但很可能由於系統的金屬部分以及實際透鏡厚度的增加，使得系統超過要求的長度。

在由兩個單片透鏡組成的伽利略擴束鏡設計中，波前品質將隨著光學軌道的增加而增加。換句話說，-20mm和100mm透鏡組合將具有比-6mm和30mm組合更好的波前。此外，使用帶有平表面（平凸或平凹等）的透鏡相對於兩個表面均為曲面的透鏡，有更好的波前質量。如果使用平面透鏡和伽利略設計，將平面朝向輸入光束方向，就可以平衡球面像差，從而改善波前質量。但如果使用高功率雷射器，即使透鏡鍍有抗反射膜，來自第一個平面的反射也可能會損壞雷射器。

使用Zemax優化

選擇具有-12mm焦距（#45-008）的6mm直徑平凹透鏡和具有60mm焦距（#45-127）的25mm直徑平凸透鏡作為組建5倍系統的示例。由於使用了現貨標準透鏡，所以唯一要考慮的變數是兩個透鏡之間的距離：表面3的厚度。如圖1所示，這是Zemax透鏡資料編輯器。圖2顯示在無焦模式下，擴束鏡的透鏡結構布局。

圖 1：透鏡資料編輯器

圖 2：擴束鏡結構布局

Zemax中的光圈值必須設定為想優化的輸入光束直徑。本例是針對3mm輸入光束進行優化，輸出光束將為15mm。雖然這是設計輸入光束直徑，但最大輸入直徑會受到前透鏡的通光孔徑限制。假設輸入光束是高斯光束，擴束鏡直接安裝到雷射上，入射角簡化為0度。最後，假設雷射器採用氦氖（HeNe）設計，並且針對632.8nm的設計波長進行優化。

由於擴束鏡是無焦系統，因此請確保在Zemax透鏡資料編輯器中選擇了「無焦像方空間」。度量單位將由距離變為角度。無焦系統不含有效焦距，因此不提供入射光束的淨收斂或發散。擴束鏡和相機變焦鏡頭是常見的無焦系統。

 圖3為Zemax優值函數編輯器，該優值函數是十分簡單的函數，是所有無焦系統的基礎。下面進一步解釋運算數。

圖 3：優值函數編輯器

• RAED運算數用於優化垂直於鏡頭表面的實際光線角度，在正透鏡的最後一個表面後方添加了一個虛擬表面，示例中為表面7。我們希望輸出光束是準直的，其法線與虛擬表面的夾角應該盡可能小，因為如果夾角是0，則表明系統確實無焦點。
• REAY運算數用於檢查某個表面的實際光線高度。優值函數中設定了一個零權重REAY運算數; 用於測量系統的第一表面和最後一個表面處的實際光線高度，也就是輸入和輸出光束的尺寸。注意，運算數測量的是半徑而不是直徑。
• 使用預設優值函數來優化RMS波前誤差。

優化之後，系統應達到繞射限制或接近這個值，如圖4和5所示，顯示的是光斑尺寸和波前。如果系統未達到預期，需要考慮很多因素。光的波長是否與所選擇的玻璃材料相容（例如，N-BK7不會穿透266nm波長的光）？兩個透鏡之間的間距是否約等於焦距之和？所選前透鏡的光束直徑是否過大？嘗試更改並重新優化，以獲得與顯示結果相似的結果。

圖 4：光斑尺寸

圖 5：波前3D圖

以上就是適用於3mm直徑，632.8nm波長雷射光束的5倍擴束鏡的快速設計方法。所選光學元件均有庫存，可以立即訂購，組建原型系統。使用現貨標準光學元件進行快速設計時，選擇備有各種光學元件的供應商對於快速開發來說至關重要。愛特蒙特光學擁有行業領先的現貨標準光學元件，通常可次日交付，以便提供快速原型開發所需的元件。原型製作完成後，現貨標準光學元件還可量產，以滿足最小的延期和庫存要求。