擴(kuò)束鏡通常用于激光打標(biāo)機(jī)、激光切割機(jī)、激光焊接機(jī)等設(shè)備中，準(zhǔn)直光進(jìn)入系統(tǒng)，通過擴(kuò)束鏡擴(kuò)大為更大的準(zhǔn)直光束輸出。現(xiàn)在雖然有很多現(xiàn)貨擴(kuò)束鏡可供選用，但有時(shí)這些標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)束鏡可能無法滿足客戶的應(yīng)用需求。 定制款擴(kuò)束鏡可以靈活地根據(jù)您的具體應(yīng)用規(guī)格進(jìn)行設(shè)計(jì)，而使用現(xiàn)貨光學(xué)鏡片可以縮短從設(shè)計(jì)到原型制造的時(shí)間。此外，當(dāng)您準(zhǔn)備投入量產(chǎn)時(shí)，使用光學(xué)鏡片可助您迅速擴(kuò)大產(chǎn)量。
在選擇部件組建擴(kuò)束鏡之前，有一些要求需要考慮，包括系統(tǒng)成本，機(jī)械尺寸約束條件和系統(tǒng)性能。建議您在開始前，分配每個(gè)需求的優(yōu)先級。列出您的要求，您會(huì)發(fā)現(xiàn)在組建特定應(yīng)用時(shí)，或多或少需要考慮下列事項(xiàng)。
當(dāng)您考慮系統(tǒng)成本時(shí)，最重要的是實(shí)現(xiàn)成本和性能之間的平衡。鏡片的材料，鏡片尺寸的大小，光學(xué)鍍膜以及光學(xué)件安裝座的參數(shù)等都影響成本和性能。N-BK7材質(zhì)，由于其波長范圍寬，成本低，是一種比較理想的材料，但是對于高功率的激光來說，不太適合。而熔融石英，由于其低熱膨脹系數(shù)和高激光損傷閾值，適用于高標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用。如果一個(gè)擴(kuò)束鏡要在各種波長下使用，應(yīng)考慮色差的影響。例如，N-SF11和N-BK7在小波長范圍內(nèi)擁有消色差功能。在確定透鏡是否適合用于擴(kuò)束鏡時(shí)，請務(wù)必檢查所選材料。
通常，擴(kuò)束鏡需要在一個(gè)有限的空間進(jìn)行裝配，所以擴(kuò)束鏡的總體直徑和長度以及連接螺紋會(huì)受到限定。有一點(diǎn)需要注意，較大的入射光束和較大的倍數(shù)，需要較大的擴(kuò)束鏡，這需要更大直徑（和更昂貴）的光學(xué)件和更大的金屬外殼。
另外，某些設(shè)計(jì)可能需要用擴(kuò)束鏡來調(diào)整光束發(fā)散。 那么建議把小目鏡放在一個(gè)可以通過螺紋前后移動(dòng)的裝置里，這樣可以通過旋動(dòng)螺紋來調(diào)整目鏡與物鏡之間的距離，實(shí)現(xiàn)對發(fā)散角的調(diào)整。
在設(shè)計(jì)擴(kuò)束鏡之前，請注意系統(tǒng)性能要求。 一、擴(kuò)束鏡是用于什么波長或者某個(gè)波長范圍，常見波長（如532nm、1064nm）和單一波長（不是一個(gè)寬波長范圍的光）的擴(kuò)束鏡比較好找到適合的鏡片，而寬波段或者幾個(gè)波段范圍需要照顧的話，就比較難找到合適的鏡片；二、目鏡要滿足輸入光斑的大小，物鏡的通光孔徑要大于輸入光斑大小與倍數(shù)的乘積；三、對整個(gè)擴(kuò)束鏡要求透過率達(dá)到多少？最小可接受透射率是多少? 所以一般要找已經(jīng)鍍膜好需求波長增透膜的鏡片，沒有鍍膜的鏡片就必然透過率會(huì)低很多。
我們很難在不影響其他參數(shù)的情況下調(diào)整另一個(gè)參數(shù)。例如，選擇不同的透鏡組來改善波前質(zhì)量，可能會(huì)增加系統(tǒng)成本或影響整個(gè)系統(tǒng)尺寸。還有一點(diǎn)需要注意，增加輸入光束直徑對透射波前的質(zhì)量具有指數(shù)效應(yīng)，因此，更大的輸入光束就更難以設(shè)計(jì)。還需注意組件的公差 - 公差越嚴(yán)，系統(tǒng)就越昂貴。總之整個(gè)擴(kuò)束鏡的設(shè)計(jì)就是一個(gè)取舍的過程，魚和熊掌不可兼得。尺寸、價(jià)格、性能是要求一個(gè)平衡。
選開普勒設(shè)計(jì)還是伽利略設(shè)計(jì)的擴(kuò)束鏡
開普勒設(shè)計(jì)具有更長的系統(tǒng)長度，以及內(nèi)部聚焦；而伽利略設(shè)計(jì)更短小，并且沒有內(nèi)部焦點(diǎn)。
開普勒擴(kuò)束鏡設(shè)計(jì)具有一個(gè)中間焦平面。這使得其相較伽利略設(shè)計(jì)，既有優(yōu)勢又有劣勢。在高功率下，焦平面是一個(gè)明顯的缺點(diǎn)，因?yàn)榭諝鈺?huì)離子化，從而減少能量傳輸，還可能會(huì)產(chǎn)生有害的能量水平。但是開普勒設(shè)計(jì)也有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即低功率下，焦平面是放置空間濾光片的理想位置，可以輕松有效的去除無用光束。在放大倍率相同的情況下，伽利略設(shè)計(jì)通常比開普勒設(shè)計(jì)短。簡單一點(diǎn)說，就是伽利略設(shè)計(jì)比開普勒設(shè)計(jì)更適合我們激光行業(yè)。一般情況下，我們都建議使用伽利略設(shè)計(jì)來做擴(kuò)束鏡。
通用伽利略擴(kuò)束鏡設(shè)計(jì)要素
伽利略擴(kuò)束鏡的放大倍數(shù)由以下公式確定。
(1)
放大率=f1f2" role="presentation" style="box-sizing: border-box; display: inline-block; line-height: 0; font-size: 17.55px; word-wrap: normal; word-spacing: normal; float: none; direction: ltr; max-width: none; max-height: none; min-width: 0px; min-height: 0px; border-width: 0px; border-style: initial; border-color: initial; padding-top: 1px; padding-bottom: 1px;">放大率
=
f
1
f
2
放大率=f1f2
(2)
光學(xué)軌道長度=f1+f2" role="presentation" style="box-sizing: border-box; display: inline-block; line-height: 0; font-size: 17.55px; word-wrap: normal; word-spacing: normal; float: none; direction: ltr; max-width: none; max-height: none; min-width: 0px; min-height: 0px; border-width: 0px; border-style: initial; border-color: initial; padding-top: 1px; padding-bottom: 1px;">光學(xué)軌道長度
=
f
1
+
f
2
光學(xué)軌道長度=f1+f2
其中f1是正透鏡的焦距，f2是負(fù)透鏡的焦距。使用現(xiàn)貨光學(xué)件可以使設(shè)計(jì)變得更加簡單，只需選擇滿足放大倍數(shù)要求（公式1）而不超過系統(tǒng)長度要求（公式2）的正透鏡和負(fù)透鏡即可。這兩個(gè)方程是一階方程，透鏡厚度和焦點(diǎn)優(yōu)化將使得最終結(jié)果和理想值之間有輕微偏差。
在選擇時(shí)您還需要考慮透鏡的通光孔徑，因?yàn)樨?fù)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(chǎn)生漸暈。
例如，3mm輸入光束射入5倍放大系統(tǒng)中，10mm直徑的正透鏡將導(dǎo)致漸暈，因?yàn)檩敵龉馐闹睆綖?5mm。那么物鏡必須大約在20mm以上，保證在用螺紋環(huán)壓住鏡片后還能保證15mm激光的輸出，并且不產(chǎn)生漸暈。
設(shè)計(jì)5倍伽利略擴(kuò)束鏡
假設(shè)一個(gè)應(yīng)用需要您設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)長度不超過75mm的5倍1064nm擴(kuò)束鏡。您需要用到兩個(gè)單片伽利略透鏡，我們目鏡的焦距選項(xiàng)有：-6mm，-9mm，-12mm、-15mm，-20mm、-25mm；物鏡的焦距選項(xiàng)有：30mm、45mm、60mm，75mm，100mm，125mm。以下是可行的現(xiàn)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(tǒng)長度小于75mm的要求。雖然-18mm /90mm組合原則上可以滿足要求，但是，很可能由于系統(tǒng)的金屬部分以及實(shí)際透鏡厚度的增加，使得系統(tǒng)超過要求的長度。
在由兩個(gè)單片透鏡組成的伽利略擴(kuò)束鏡設(shè)計(jì)中，波前質(zhì)量將隨著光學(xué)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組合更好的波前質(zhì)量。 此外，使用帶有平表面（例如平凸或平凹）的透鏡相對于兩個(gè)表面均為曲面的透鏡，有更好的波前質(zhì)量。換句話說：雙凹的小目鏡沒有平凹的小目鏡效果好，雙凸的物鏡沒有平凸的物鏡好。 如果使用平面透鏡和伽利略設(shè)計(jì)，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(zhì)量。換句話說，裝配擴(kuò)束鏡的鏡片的時(shí)候，鏡片平的一面朝激光來的方向。 然而，如果您使用高功率激光器，即使透鏡鍍有增透膜，來自個(gè)平面的反射也可能會(huì)損壞激光器。換句話說，就是兩片鏡片都要鍍有增透膜。
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