LBTEK 消色差定倍扩束镜——技术说明

一、概述

LBTEK 消色差定倍扩束镜（Fixed Magnification Achromatic Beam Expander，FBE）是一种基于伽利略望远镜结构，可将平行入射光束的直径扩大（或缩小）至固定倍数的光学系统。采用低像差的消色差设计，经优化，能够提供小于λ/4的透射波前差，并将对扩大光束的M²值的影响降到最小。

二、产品结构

LBTEK 消色差定倍扩束镜基于伽利略望远镜结构设计，由一组高透光学材质的负透镜和一组消色差双胶合正透镜制成。腰部的调节环用于调节出射光束的发散角，兼顾对于非准直扩束的需求。在调节环的转动过程中，通过特殊的机械设计，内部透镜仅会发生前后位置平移而不随机械环的转动而转动。该设计能够有效减小发散角调节过程中的光束位置偏移，使扩束镜的使用效果更加稳定可靠。输入端输出端设计有不同规格的螺纹；腰部可通过夹持件抱持的方式进行安装。

三、光学性能

1、定倍扩束

固定倍率激光扩束镜，是一种基于望远镜结构，针对特定工作波长的激光，将平行入射光斑的直径以固定的倍率扩大（或缩小）的光学系统。按望远镜系统分类，激光扩束镜也可以分为开普勒式和伽利略式两种，其中开普勒式由两凸透镜组合而成，在其系统内存在焦点（如图1所示），从而使得开普勒式扩束镜在系统内存在一个激光能量聚焦的区域，该点会加热透镜之间的空气，折射光路中的光线，从而可能会造成波前误差。特别是在高功率激光应用中，聚焦点处会电离空气并产生火花，从而降低脉冲功率，对光束质量产生负面影响，故此大部分扩束镜采用伽利略式，其由凹透镜和凸透镜组成（如图2所示）。

图1 开普勒式扩束镜光路示意图

图2  伽利略式扩束镜光路示意图

2、消色差

色差是源于不同波长的光线在玻璃里折射率的差异，从而导致不同波长的光线有不同的焦点。当扩束镜需考虑多波长扩束或适用于宽波段扩束时，必须校正各个波长激光经扩束镜后的色差。利用不同材料的搭配，如使用折射率较小而色散本领较大的冕玻璃与折射率较大而色散本领较小火石玻璃在凸透镜和凹透镜中的搭配，每种玻璃的色散可以被另一种玻璃所补偿，从而使得综合色差降至最低，最终达到消色差的效果。对于色差的校正，此处使用双胶合消色差透镜，使扩束（或缩束）后的透射波前差<λ/4。

四、参数说明

1、透镜焦距f₁和f₂

 f1、f2分别为扩束镜输入端和输出端透镜的焦距。由于开普勒式扩束镜由两凸透镜组成，故此时f1和f2均为正；由于伽利略式扩束镜由凹透镜和凸透镜组成，故此时凹透镜对应的f1为负，凸透镜所对应的f2为正。

2、输入/输出光束直径D_I/D_O

输入光束直径D_I：入射激光光斑直径大小；

输出光束直径D_O：入射光经激光扩束系统后输出的光斑直径大小。

3、输入/输出光束发散角θ_I/θ_O

θ_I表示输入光束发散角；

θ_O表示输出光束发散角；

在国际标准中，采用M2或BPP来描述激光的光束质量，通常是用来度量在某个条件下聚焦的最小光斑尺寸。其中BPP是束腰半径与远场发散角的乘积，是光学不变量，故存在2*BPP=D_O*θ_O=D_I*θ_I的关系。从而发散角与光束直径有以下关系D_O/D_I=θ_I/θ_O。输出光束发散角θ_O随输出光束直径D_O的扩大而减少，反之亦然。所以，在选用扩束镜来扩缩小光束时应注意，小光束的实现代价时形成较大的发散角。

4、扩束镜的放大倍数M

如图1所示，开普勒式扩束镜光路结构中，前后两透镜焦点重合，物体的放大倍率M由两透镜的焦距比决定，具体表达式为M=f₂/f₁，其中f₁，f₂分别为扩束镜输入端和输出端透镜的焦距。同时伽利略式扩束镜系统中，物体的放大倍率M同样由两透镜的焦距比决定，具体表达式为M=-f₂/f₁。其次，从实际扩束结果上来看，扩束镜的放大倍数M也可由光束发散角或光束直径来表示，具体表达式为M=D₀/D₁=θ₁/θ₀。