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激光扩束器

光源发出的激光一般是一束准直的细圆柱光束，直径为1～2mm，而实际要求激光束有一定的宽度.下面讨论两种常用扩束方法.

1)棱镜扩束法
由于棱镜材料的折射，使出射光方向与入射光方向不同，其入射角与棱镜顶角的变化可以引起光束宽度的改变.棱镜扩束示意图如图1a.每个棱镜的扩束比为
D/d=M=cos［arcsin（sinφ/μp）］/cosφ′
式中D为出射光的宽度；d为入射光的宽度；M为扩束比；φ为入射角；φ′为折射角；μp是棱镜的折射率.玻璃棱镜的μp=1.54.根据现有的数据，d=2mm，D=47mm,则总的扩束比为
Mn=D/d=23.5

图1棱镜扩束系统
若想用3个棱镜完成扩束比，则每个棱镜的扩束比应为
M=M1/3n=2.8
由M=cos［arcsin(sinφ/μp)］/cosφ′=2.8，可近似算得φ=81°.由折射定律μp=sinφ/sinφ′,可得φ′=53°.在选择棱镜的顶角时，应使得出射光束尽可能垂直于出射面，以使这个出射面反射最小.由几何学可知，应取棱镜顶角ψ＝φ′＝53°.实际的棱镜扩束光路如图1b.和下面的透镜扩束相比，具有体积小，无象差等优点，并同时使入射光方向转了近90°，用在系统光路中即扩展了光束，也使光线方向发生改变，起到了扩束镜和反射镜的双重作用.总尺寸为10cm×10cm.
2)透镜扩束法设透镜的焦距为F，物距和象距分别为S01和S02，它们之间的关系为

当S01=F时，S02=∞,说明透镜焦点上的一个点光源经过透镜后为一平行光；当S02=F时，S01=∞,表明当入射光为一平行光时，经过透镜后，聚焦在透镜的焦点上，如图2所示.

图2透镜聚光原理
利用这一特点，采用两个焦距不同的透镜，可以构成如图3所示的扩束和准直系统.F1、F2分别为两个透镜的焦距，由几何光学原理很容易得出束宽放大比率为
M=F2/F1
设激光束直径为d，光束宽度为D，那么
M=D/d=F2/F1

图3扩束系统
和棱镜相比，透镜存在相差的影响，其中最主要的是球差.球差是由于非傍轴光线通过透镜时屈折得过分利害引起的，从而引起聚焦不好，如图4a.但是如果把一块透镜想象成两块棱镜在底部连接而成，那么明显的是：当入射光线同镜面和出射光线同镜面大致成同样大小的角度时，入射光线的偏转将最小，在图4b中，只要把透镜翻转过来，就使球差显著减小，当入射光是平行光时，对一个简单的凸透镜来说，若其后表面几乎为平面但不完全是平面时，将会有最小的球差.由于光路是可逆的，用两个透镜进行扩束时，应使两个透镜较平的一面相对，来减小相差.

图4一个平凸透镜的球差