扩束（缩束）系统是一种可将准直输入光束的直径成比例扩大（缩小）的系统，常用于激光扫描、干涉测量或遥测应用中。扩束器主要分两种：折射式扩束器与反射式扩束器，折射式扩束器利用透镜实现扩束功能，反射式则需要配合反射镜。

现有的折射式扩束器均以望远镜的无焦系统为模型，常见的望远镜结构可分为开普勒式和伽利略式两种。

开普勒式望远镜由两个正焦透镜组成，中间具有一个焦平面，且输出光束相对输入光束倒立。相较于伽利略式望远镜，在高功率下，焦平面是一个明显的缺点，高功率会使空气会离子化，降低能量传输效率，还可能会损害系统。在低功率下，焦平面可以放置小孔，可以滤除光源边缘的无用光束，或放置分划板，用于校准。

伽利略式望远镜由一个负焦透镜与一正焦透镜组成，系统内部无焦点。相较于开普勒式系统，在相同的放大倍率下，伽利略式望远镜能够保持光束的方向，系统长度更短，同时正负透镜组合可以降低系统的球差，得到较高的波前质量。

开普勒式望远系统更容易对准且设计更直观，而伽利略式望远系统具有紧凑型尺寸，功率较高时，优先选择伽利略式望远系统，实际选型时可以根据不同系统要求选择更合适的结构。

对于高斯光束，其束腰半径越小，其发散角越大，当高斯光束通过扩束系统后，输出束腰直径大于输入束腰直径，输出发散角小于输入发散角。但当高斯光束经过缩束系统后，输出束腰直径小于输入束腰直径，输出发散角大于输入发散角。由于输出光束的发散角明显变大，所以当需要进行缩束时，需要根据应用减小光源的发散角。

开普勒式扩束器与伽利略式扩束器的系统长度L与放大倍数M与组成系统的透镜焦距有关，具体关系如下：

扩束器和缩束器均为无焦系统，设计用于输入和输出平行光束。尽管光束是准直的，但由于衍射效应，光束直径在传播时会发生变化。光束的束腰直径(2ω₀)和发散角(θ)都会受到扩束器和缩束器的影响。经过扩束系统的光束发散角会减小，反之，经过缩束系统的光束发散角会变大。输出束腰直径为扩束比与输入束腰直径的乘积；输出光束的发散角等于输入光束的发散角除以扩束比。同样的，可以用输入光束与输出光束发散角或光束束腰直径来表示放大倍率M： 

当现有扩束器无法满足工作需求时，我们可以尝试利用现有透镜配合以达到控制光斑大小的目的。一般的，会优先考虑目前现有的产品，这样可以降低成本以及交期时间。设计之前，需要考虑以下三点：

（1）系统长度与结构。当放大倍数较小时有较多的透镜组合可做选择，同样的放大倍数，伽利略式会得到更小的系统长度，系统的设计难度随着系统长度的减小而增加。

（2）需要满足特定波长或是某个波长范围、特定输入光束直径。特定波长易于实现，但设计难度随着波长范围变宽而相应增加，若在宽谱波段下使用，应考虑色差的影响。另外，较小的光束直径更易于得到更好的波前质量。光束质量通常用波前像差来表示，波前像差越小，系统的成像质量越好。按照瑞利（Rayleigh）判据，当光学系统的最大波像差小于λ/4时，其成像是完善的，通常认为其具有衍射极限。

（3）成本与性能之间的平衡。N-BK7是最常见的透镜材料，成本低，多用于可见光和近红外应用领域，是一种理想的材料。而熔融石英，由于其低热膨胀系数和高激光损伤阈值，适用于高标准的应用。整体透射率主要受到增透膜的影响。除材料外，镀膜以及尺寸也是影响成本的两大因素。当光束直径较大时，为保证波前质量，则需要选择更大口径的透镜。未镀膜的光学元件虽然可以降低成本，但也降低了系统整体的透射率。

例如现在需要设计一个2倍的扩束器来满足工作需求，要求系统长度不超过85 mm，波前畸变≤λ/5，激光器输出为633 mm连续激光，光斑尺寸2.3 mm。

根据设计要求，有（10.0 mm、20.0 mm）、（15 mm、 30 mm）、（20.0 mm、40.0 mm）和（25.0 mm、50.0 mm）可选，因为相对于两个表面均为曲面的透镜，使用带有平表面的透镜，会有更好的波前质量，同时考虑到机械元件的厚度，为了便于安装，选择焦距为25.0 mm与50.0 mm的镀400 nm-700 nm增透膜的平凸透镜进行设计，透镜型号分别为CX10305-A和CX10610-A。

利用Zemax快速仿真设计。图4和图5分别为系统的镜头参数和评价函数参数。 

图4.镜头参数编辑器。

图5.评价函数编辑器。

将透镜参数输入至镜头参数编辑器中，设置入瞳大小和工作波长，设置两透镜间距离为变量，插入评价函数对两透镜之间的距离进行优化。在评价函数编辑器中参考质心光线，利用操作数TTHI提取系统长度，操作数OPLT控制系统长度不超过85 mm；操作数REAY控制输出光斑半径，保证放大倍率。图6为优化后的系统结构图。

图7与图8分别为系统的点列图与波前图，系统仍可以达到衍射极限，波峰到波谷为0.036λ，远小于λ/5，满足设计需求。

图7.点列图。

以上为开普勒式扩束器的设计方法，该方法对于两片式伽利略式扩束器是通用的。在设计之前，需要对各方面因素进行综合考量，选取适合的光学元件进行设计，以满足工作中的各种需求。