從望遠鏡到雷射擴束系統

1.從望遠鏡說起

光學望遠鏡，是被用來觀察遠處物體的光學裝置，按其工作原理可以分為反射式望遠鏡和折射式望遠鏡，反射式望遠鏡是利用反射鏡作為工作元件反射光線，折射式是利用透鏡作為工作元件折射光線。

折射式望遠鏡按照透鏡結構又可分為兩類：克卜勒式和伽利略式。克卜勒式望遠鏡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，靠近眼睛的透鏡叫成像鏡，在兩透鏡之間存在一個實像面（光線匯聚處）。

伽利略式望遠鏡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，由於負透鏡的焦距為負值，因此兩透鏡之間的距離相比克卜勒式較短。

望遠鏡（尤其天文望遠鏡）的一個重要指標便是口徑，可進入光線的能量隨口徑增加成平方增長規律，也就是說口徑變為2倍，能量變為4倍。然後口徑越大，透鏡的的製造難度越大，與其對應的系統設計難度也增大，因此天文大孔徑望遠鏡都是採用反射式望遠鏡的結構。常見反射式望遠鏡卡薩格林結構、牛頓結構；從圖中不難看出這些系統次鏡都會擋住一部分射到主鏡上的光線，這從光學成像角度難免造成一些不良影響，為此出現一種更好的設計，離軸三反系統。離軸三反系統的設計是使的傳到每一面反射鏡的光線都不被遮擋，然而這種離軸設計卻對加工製造，以及裝調提出更加嚴格的要求，長春光機所是國內擅長離軸三反系統設計、加工、裝調的科研單位。

折射式望遠鏡

反射式望遠鏡

離軸三反系統

2.雷射擴束鏡

從原理上來講，雷射擴束系統的原理和望遠鏡的原理相同，只是將物鏡和成像透鏡的位置顛倒過來放置，克卜勒式擴束系統在兩片透鏡之間會形成一個能量聚焦區域，加熱周圍的空氣，可能造成波前誤差，高功率的雷射器甚至導致空氣電離，因此大部分擴束系統會採用伽利略式擴束系統，但有一些需要改變光束質量的空間濾波的擴束系統中，則使用克卜勒式擴束系統，由於克卜勒式擴束在透鏡之間存在一個便於放置濾光片的焦點。

雷射擴束直徑可由下述公式計算，其中MP是擴束放大倍數。

3.雷射擴束的應用

（1）雷射器的輸出光束直徑一般固定，為滿足不同需求，大都需要雷射擴束系統，雷射擴束首先可以將功率密度降低，從而降低雷射誘導損傷的概率，延長雷射組件的壽命

（2）在傳輸距離較遠時，最大限度的減小光束髮散。

舉例進行說明：假設一擴束系統參數如下，雷射擴束器放大倍數 = MP = 10X，輸入光束直徑 = 1mm，輸入光束髮散 = 0.5mrad，工作距離 = L = 100m。

則經擴束後光束輸出直徑為：

若不經擴束則：

可見使用擴束後 ，可極大的減小雷射長距離傳輸時的光束髮散程度。

（3）最大限度的減小聚焦光斑尺寸

光斑尺寸通常是以光束中心為圓心，強度為中心強度處作為圓的半徑，理想透鏡聚焦光斑尺寸通常可按如下公式算

光斑尺寸基本上由衍射和相差的組合決定，這其中相差又主要是指球差，因此公式列出了衍射項與球差項兩項。衍射項中可以看出，焦距越短，光斑越小，還有輸入直徑越大，光斑越小。從一方面講，經過擴束，使輸入直徑增加，衍射項減小，但隨之亦導致球差項增加，如圖所示，因此在實際應用中應根據實際情況進行權衡。

參考資源連結：

https://javalab.org/en/keplerian_telescope_en/

https://www.edmundoptics.cn/knowledge-center/application-notes/lasers/beam-expanders/

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