激光擴束鏡是改變激光光束直徑和發(fā)散角的透鏡組件。從激光器發(fā)出的激光束具有一定的發(fā)散角。對于激光加工，通過安裝擴束鏡使激光光束變?yōu)闇手惫馐茉诰劢怪螅@得高功率密度的光斑。
/ ZAMIA F8i CO2射頻激光器 + 激光擴束鏡 /
激光擴束鏡和光學望遠鏡（折射望遠鏡）的原理是在本質(zhì)上是相同的。激光擴束鏡是將物鏡和成像透鏡的位置相互交換后的折射望遠鏡。因此，與折射望遠鏡相同，激光擴束鏡可以分為兩類：開普勒式和伽利略式。
開普勒式擴束系統(tǒng)由兩個正焦距的透鏡構成，兩透鏡焦點重合，分別布置在焦距之和的兩個位置，靠近物體一側的透鏡叫物鏡，另一側的透鏡叫成像鏡，在兩透鏡之間存在一個實像面（光線匯聚處）。
伽利略式擴束系統(tǒng)是由一個正透鏡和一個負透鏡組成，也是分布在兩透鏡焦距之和的位置，由于負透鏡的焦距為負值，因此兩透鏡之間的距離相比開普勒式較短。
由于開普勒式擴束系統(tǒng)在兩片透鏡之間會形成一個能量聚焦區(qū)域，加熱周圍的空氣，可能導致波前誤差，高功率的激光器甚至會導致空氣電離，因此，伽利略式擴束系統(tǒng)在大部分的應用場景中更加適用。
/ 伽 利 略 式 擴 束 系 統(tǒng) 示 意 圖 /
開普勒式擴束系統(tǒng)通常被應用在一些需要改變光束質(zhì)量的空間濾波的場景中，因為該擴束系統(tǒng)在透鏡之間存在一個放置濾光片的焦點。
/ 開 普 勒 式 擴 束 系 統(tǒng) 示 意 圖 /
在激光加工的過程中，激光加工設備聚焦光斑的計算公式為：
公式中：D為聚焦光斑的大小，f為聚焦系統(tǒng)的有效焦距，θ為入射激光束的全角發(fā)散角
在激光器出口和聚焦系統(tǒng)之間，插入m倍的擴束鏡后，激光光斑將擴大m倍，相應的發(fā)散角會變?yōu)棣?m。例如，在激光系統(tǒng)中加入3倍的擴束鏡，聚焦光斑為D/3，為原來的1/3，明顯縮小。不過，按照上述公式，我們也可以使用焦距為f/m長的的聚焦系統(tǒng)得到同樣大小的聚焦光斑。那么，選用擴束鏡有何優(yōu)勢？接下來，小特將分別針對激光切割機和激光打標機加以分析。
激光切割機選用擴束鏡的優(yōu)勢：
激光切割機聚焦頭相對激光器出口的移動變化范圍很大。加入擴束鏡后，激光光束的發(fā)散角變小，在加工范圍內(nèi)，入射到聚焦鏡的光斑變化相對更小，可以得到更加均勻的加工效果。同時，激光聚焦頭的工作距離長，利于保護聚焦鏡。
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對于激光切割機，在匹配擴束鏡時須注意以下幾點：
· 擴束鏡的鍍膜波長和激光器的波長匹配。
· 注意擴束鏡允許的入射光斑和出射光斑。激光光斑需小于入射光斑，并滿足擴束后的激光光斑不大于擴束鏡的出射光斑。
· 擴束后的光斑大小要和后續(xù)光路的45度反射鏡匹配，并且小于聚焦鏡的直徑。
· 擴束后的光斑，不大于聚焦鏡焦距的30%，如果光斑太大，對于平凸和彎月透鏡，由于球差的影響，光斑反而會變大。
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激光打標機選用擴束鏡的優(yōu)勢：
相比于激光切割機，激光打標機的聚焦頭相對于激光器出口位置是比較固定的。激光打標機選用擴束鏡后可以使得激光聚焦頭的工作距離基本不變，打標范圍也不會變小。
/ CO2激光 - 激光打標 /
對于激光打標機系統(tǒng)，在匹配擴束鏡時須注意以下幾點：
· 擴束鏡的鍍膜波長和激光器的波長匹配。
· 注意擴束鏡允許的入射光斑和出射光斑。激光光斑需小于入射光斑，并滿足擴束后的激光光斑不大于擴束鏡的出射光斑。
· 擴束后的光斑大小要和振鏡的振鏡片匹配，不大于振鏡片允許的最大入射光斑。
· 擴束后的光斑大小要和F-θ場鏡允許的入射光斑匹配，不可大于場鏡允許的最大入射光斑。
· 如果是前聚焦打標機系統(tǒng)，擴束后的激光光斑不大于前聚焦系統(tǒng)允許的入射光斑。
在激光作業(yè)中，為了使激光光斑能得到更優(yōu)質(zhì)的聚焦效果，我們需要注意擴束鏡安裝位置。由于CO2射頻激光器內(nèi)部傳輸光路的限制，在激光器出口位置，激光束并不是完美的基模高斯光束。以F系列射頻激光器為例，激光器出口位置的光場還未達到高斯分布，因此在該位置添加擴束鏡是不合適的。
/ ZAMIA F系列CO2射頻激光器 /
根據(jù)激光光束相干傳輸特性，激光束在空間自由傳輸一段距離后，將逐漸變?yōu)楦咚构鈭龇植肌Ｔ诠馐優(yōu)楦咚构鈭龇植己螅偬砑訑U束鏡，有利于獲得更優(yōu)質(zhì)的聚焦光斑。經(jīng)實驗表明，在距離F系列射頻激光器出光口約為10cm外安裝擴束鏡，將獲得更優(yōu)質(zhì)的聚焦光斑。
/ F系列射頻激光器 - 擴束鏡安裝示意圖 /
對于Q系列的激光器，由于內(nèi)置了光束整形系統(tǒng)，激光器輸出準基模圓對稱高斯光束。因此，對于安裝擴束鏡的位置相對不那么敏感。
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