扩束器结构原理

扩束器用于增加准直光束（例如激光束）的直径，同时保持其准直。它通常用于激光光学和其他需要修改光束大小或发散度的应用。

 

在典型的扩束器中，输入光束是准直激光器，或光束进入第一个光学元件。当光束开始膨胀时，第一个光学元件改变入射光束的发散度，第二个光学元件重新准直光束，从而产生更大的直径。光束扩展比 M 由两个透镜或反射镜的焦距决定：

 

其中 f1 和 f2 是第一和第二光学元件的焦距。

Zemax 序列模式下的扩束器

在 Zemax OpticStudio 中创建扩束器模型时，主要是在序列模式下，通常涉及设置扩展准直光束的透镜或反射镜。序列模式非常适合基于透镜的扩束镜设计。下面是一个示例。在系统浏览器中定义系统波长 （550 um） 和入射光瞳直径 （10 mm） 到初始光束直径，即可定义两个透镜。光束定义为高斯切趾，系数为 2。由于扩束器的输出是准直光束，因此应选择“无焦像空间”。

 

扩束镜的透镜数据如下所示。应用两个由 N-BK7 制成的透镜，两个单透镜的所有四个半径都设置为可变。两个透镜之间的距离（此处设置为 200 mm）在几何上与光束从输入的扩展有关。

 

由此产生的扩束器结构如下所示，其中有 45 条环形射线。

 

这里应用了一些评价函数操作数来限制和优化这种扩束器结构。REAY 在表面 6（图像平面）以镜头单位读取局部真实光线 y 坐标。该操作数直接将输出光束宽度定义为 15 mm，是输入光束宽度 5 mm 的 3 倍。MNCA 和 MXCA 将距离（即整个透镜的空气中心厚度（从表面 1 到 5）限制在 0.5 mm 到 1 m 的范围内。第二个镜头到图像平面之间的空气的最小边缘厚度由 MNEA 设置为 0.5 mm。两个透镜的中心厚度都受操作数 MNCG 和 MXCG 的限制，限制为 2 mm 到 15 mm。MNEG 将两个组件的边缘厚度限制为 2 mm 以上。

 

上述所有命令在优化后都导致评价函数为 0.0003。限制和要求是合理且可执行的。

 

处方数据和图像干扰

优化后，物体和图像空间中的焦距都趋向于无限大，表明无焦系统优化成功。

 

出于制造目的，两个镜头元件的体积和质量按以下格式估算。密度数以 g/cc 为单位，可从材料库中导出。

 

由于输入是相干光，即单波长，如果存在倾斜光入射，像平面将带有干涉。干涉图如下所示，Y轴倾斜2.5度时的出瞳形状，表明扩束器会引起细光束的干扰。