从望远镜到激光扩束系统

1.从望远镜说起

光学望远镜，是被用来观察远处物体的光学装置，按其工作原理可以分为反射式望远镜和折射式望远镜，反射式望远镜是利用反射镜作为工作元件反射光线，折射式是利用透镜作为工作元件折射光线。

折射式望远镜按照透镜结构又可分为两类：开普勒式和伽利略式。开普勒式望远镜由两个正焦距的透镜构成，两透镜焦点重合，分别布置在焦距之和的两个位置，靠近物体一侧的透镜叫物镜，靠近眼睛的透镜叫成像镜，在两透镜之间存在一个实像面（光线汇聚处）。

伽利略式望远镜是由一个正透镜和一个负透镜组成，也是分布在两透镜焦距之和的位置，由于负透镜的焦距为负值，因此两透镜之间的距离相比开普勒式较短。

望远镜（尤其天文望远镜）的一个重要指标便是口径，可进入光线的能量随口径增加成平方增长规律，也就是说口径变为2倍，能量变为4倍。然后口径越大，透镜的的制造难度越大，与其对应的系统设计难度也增大，因此天文大孔径望远镜都是采用反射式望远镜的结构。常见反射式望远镜卡萨格林结构、牛顿结构；从图中不难看出这些系统次镜都会挡住一部分射到主镜上的光线，这从光学成像角度难免造成一些不良影响，为此出现一种更好的设计，离轴三反系统。离轴三反系统的设计是使的传到每一面反射镜的光线都不被遮挡，然而这种离轴设计却对加工制造，以及装调提出更加严格的要求，长春光机所是国内擅长离轴三反系统设计、加工、装调的科研单位。

折射式望远镜

反射式望远镜

离轴三反系统

2.激光扩束镜

从原理上来讲，激光扩束系统的原理和望远镜的原理相同，只是将物镜和成像透镜的位置颠倒过来放置，开普勒式扩束系统在两片透镜之间会形成一个能量聚焦区域，加热周围的空气，可能造成波前误差，高功率的激光器甚至导致空气电离，因此大部分扩束系统会采用伽利略式扩束系统，但有一些需要改变光束质量的空间滤波的扩束系统中，则使用开普勒式扩束系统，由于开普勒式扩束在透镜之间存在一个便于放置滤光片的焦点。

激光扩束直径可由下述公式计算，其中MP是扩束放大倍数。

3.激光扩束的应用

（1）激光器的输出光束直径一般固定，为满足不同需求，大都需要激光扩束系统，激光扩束首先可以将功率密度降低，从而降低激光诱导损伤的概率，延长激光组件的寿命

（2）在传输距离较远时，最大限度的减小光束发散。

举例进行说明：假设一扩束系统参数如下，激光扩束器放大倍数 = MP = 10X，输入光束直径 = 1mm，输入光束发散 = 0.5mrad，工作距离 = L = 100m。

则经扩束后光束输出直径为：

若不经扩束则：

可见使用扩束后 ，可极大的减小激光长距离传输时的光束发散程度。

（3）最大限度的减小聚焦光斑尺寸

光斑尺寸通常是以光束中心为圆心，强度为中心强度处作为圆的半径，理想透镜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组合决定，这其中相差又主要是指球差，因此公式列出了衍射项与球差项两项。衍射项中可以看出，焦距越短，光斑越小，还有输入直径越大，光斑越小。从一方面讲，经过扩束，使输入直径增加，衍射项减小，但随之亦导致球差项增加，如图所示，因此在实际应用中应根据实际情况进行权衡。