激光擴(kuò)束鏡是能夠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(duì)于激光加工來(lái)說(shuō)，只有通過(guò)擴(kuò)束鏡的調(diào)節(jié)使激光光束變?yōu)闇?zhǔn)直光束，才能利用聚焦鏡獲得細(xì)小的高功率密度光斑。
/ ZAMIA F8i CO2射頻激光器 + 激光擴(kuò)束鏡 /
在激光作業(yè)過(guò)程中，使用激光擴(kuò)束鏡進(jìn)行擴(kuò)束，獲得更小的光斑，得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。
激光擴(kuò)束鏡和光學(xué)望遠(yuǎn)鏡（折射望遠(yuǎn)鏡）的原理是在本質(zhì)上是相同的。我們可以簡(jiǎn)單地理解為，激光擴(kuò)束鏡是將物鏡和成像透鏡的位置顛倒過(guò)來(lái)放置的折射望遠(yuǎn)鏡。因此，激光擴(kuò)束鏡按照透鏡結(jié)構(gòu)也可以分為兩類：開(kāi)普勒式和伽利略式。
開(kāi)普勒式擴(kuò)束系統(tǒng)由兩個(gè)正焦距的透鏡構(gòu)成，兩透鏡焦點(diǎn)重合，分別布置在焦距之和的兩個(gè)位置，靠近物體一側(cè)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(gè)實(shí)像面（光線匯聚處）。
伽利略式擴(kuò)束系統(tǒng)是由一個(gè)正透鏡和一個(gè)負(fù)透鏡組成，也是分布在兩透鏡焦距之和的位置，由于負(fù)透鏡的焦距為負(fù)值，因此兩透鏡之間的距離相比開(kāi)普勒式較短。
由于開(kāi)普勒式擴(kuò)束系統(tǒng)在兩片透鏡之間會(huì)形成一個(gè)能量聚焦區(qū)域，加熱周圍的空氣，可能導(dǎo)致波前誤差，高功率的激光器甚至導(dǎo)致空氣電離，因此，在大部分的應(yīng)用場(chǎng)景中，伽利略式擴(kuò)束系統(tǒng)更被大家所青睞。
/ 伽 利 略 式 擴(kuò) 束 系 統(tǒng) 示 意 圖 /
但是，在一些需要改變光束質(zhì)量的空間濾波的擴(kuò)束系統(tǒng)中，由于開(kāi)普勒式擴(kuò)束在透鏡之間存在一個(gè)放置濾光片的焦點(diǎn)，則通常會(huì)使用開(kāi)普勒式擴(kuò)束系統(tǒng)。
/ 開(kāi) 普 勒 式 擴(kuò) 束 系 統(tǒng) 示 意 圖 /
在激光加工的過(guò)程中，激光加工設(shè)備聚焦光斑的計(jì)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(kuò)束鏡后，激光光斑將擴(kuò)大m倍，相應(yīng)的發(fā)散角則會(huì)變?yōu)?theta;/m。例如，在激光系統(tǒng)中加入3倍的擴(kuò)束鏡，聚焦光斑為D/3，為原來(lái)的1/3，明顯縮小。不過(guò)，我們從公式中也不難看出，想要得到同樣大小的聚焦光斑，也可以使用焦距為f/m長(zhǎng)的的聚焦系統(tǒng)。那么，選用擴(kuò)束鏡的優(yōu)勢(shì)在在哪？小特將針對(duì)激光切割機(jī)和激光打標(biāo)機(jī)加以分析。
激光切割機(jī)選用擴(kuò)束鏡的優(yōu)勢(shì)：
激光切割機(jī)聚焦頭相對(duì)激光器出口的移動(dòng)，變化范圍很大，加入擴(kuò)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更小，可以得到更加均勻的加工效果。同時(shí)，激光聚焦頭的工作距離長(zhǎng)，利于保護(hù)聚焦鏡。
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對(duì)于激光切割機(jī)，在匹配擴(kuò)束鏡時(shí)須注意以下幾點(diǎn)：
· 擴(kuò)束鏡的鍍膜波長(zhǎng)和激光器的波長(zhǎng)匹配。
· 注意擴(kuò)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(kuò)束后的激光光斑不大于擴(kuò)束鏡的出射光斑。
· 擴(kuò)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(kuò)束后的光斑，不大于聚焦鏡焦距的30%，如果光斑太大，對(duì)于平凸和彎月透鏡，由于球差的影響，光斑反而會(huì)變大。
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激光打標(biāo)機(jī)選用擴(kuò)束鏡的優(yōu)勢(shì)：
相比于激光切割機(jī)，激光打標(biāo)機(jī)的聚焦頭相對(duì)于激光器出口位置是比較固定的，但是相較于調(diào)整聚焦系統(tǒng)，激光打標(biāo)機(jī)選用擴(kuò)束鏡后可以使得打標(biāo)范圍不會(huì)變小以及激光聚焦頭的工作距離基本不變。
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對(duì)于激光打標(biāo)機(jī)系統(tǒng)，在匹配擴(kuò)束鏡時(shí)須注意以下幾點(diǎn)：
· 是擴(kuò)束鏡的鍍膜波長(zhǎng)和激光器的波長(zhǎng)匹配。
· 注意擴(kuò)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(kuò)束后的激光光斑不大于擴(kuò)束鏡的出射光斑。
· 擴(kuò)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(kuò)束后的光斑大小要和F-θ場(chǎng)鏡允許的入射光斑匹配，不可大于場(chǎng)鏡允許的最大入射光斑。
· 如果是前聚焦打標(biāo)機(jī)系統(tǒng)，擴(kuò)束后的激光光斑不大于前聚焦系統(tǒng)允許的入射光斑。
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為了在激光作業(yè)中光斑可以得到更優(yōu)質(zhì)的聚焦效果，擴(kuò)束鏡安裝的位置也尤為重要。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(chǎng)還未達(dá)到高斯分布，因此在該位置添加擴(kuò)束鏡是不合適的。
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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?chǎng)分布。在光束變?yōu)楦咚构鈭?chǎng)分布后，再添加擴(kuò)束鏡，便可以獲得更優(yōu)質(zhì)的聚焦光斑。經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，在距離F系列射頻激光器出光口約為10cm外安裝擴(kuò)束鏡，將獲得更優(yōu)質(zhì)的聚焦光斑。
/ F系列射頻激光器 - 擴(kuò)束鏡安裝示意圖 /
對(duì)于Q系列的激光器，因?yàn)閮?nèi)置的光束整形系統(tǒng)（點(diǎn)擊了解），經(jīng)過(guò)光束整型后輸出準(zhǔn)基模圓對(duì)稱高斯光束。因此對(duì)于安裝擴(kuò)束鏡的位置相對(duì)不那么敏感。
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而N30Pro+射頻激光器提供的內(nèi)置擴(kuò)束鏡（3/4/5倍可選），不僅為用戶解決了擴(kuò)束鏡匹配的繁瑣工序，整機(jī)裝配時(shí)間提升了30%以上；還能使激光器的光束能量分布更加均勻，加工精度更高。
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