激光擴(kuò)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(duì)于激光加工，通過(guò)安裝擴(kuò)束鏡使激光光束變?yōu)闇?zhǔn)直光束，能在聚焦之后，獲得高功率密度的光斑。
/ ZAMIA F8i CO2射頻激光器 + 激光擴(kuò)束鏡 /
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。激光擴(kuò)束鏡是將物鏡和成像透鏡的位置相互交換后的折射望遠(yuǎn)鏡。因此，與折射望遠(yuǎn)鏡相同，激光擴(kuò)束鏡可以分為兩類(lèi)：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，另一側(cè)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?chē)目諝?，可能?dǎo)致波前誤差，高功率的激光器甚至?xí)?dǎo)致空氣電離，因此，伽利略式擴(kuò)束系統(tǒng)在大部分的應(yīng)用場(chǎng)景中更加適用。
/ 伽 利 略 式 擴(kuò) 束 系 統(tǒng) 示 意 圖 /
開(kāi)普勒式擴(kuò)束系統(tǒng)通常被應(yīng)用在一些需要改變光束質(zhì)量的空間濾波的場(chǎng)景中，因?yàn)樵摂U(kuò)束系統(tǒng)在透鏡之間存在一個(gè)放置濾光片的焦點(diǎn)。
/ 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)散角會(huì)變?yōu)棣?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)，按照上述公式，我們也可以使用焦距為f/m長(zhǎng)的的聚焦系統(tǒng)得到同樣大小的聚焦光斑。那么，選用擴(kuò)束鏡有何優(yōu)勢(shì)？接下來(lái)，小特將分別針對(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相對(duì)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(mǎn)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。激光打標(biāo)機(jī)選用擴(kuò)束鏡后可以使得激光聚焦頭的工作距離基本不變，打標(biāo)范圍也不會(huì)變小。
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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)：
· 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(mǎn)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。
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(kuò)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(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。
/ 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?chǎng)分布。在光束變?yōu)楦咚构鈭?chǎng)分布后，再添加擴(kuò)束鏡，有利于獲得更優(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，由于內(nèi)置了光束整形系統(tǒng)，激光器輸出準(zhǔn)基模圓對(duì)稱(chēng)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。
/ ZAMIA Q系列射頻激光器 - 集成光束整形系統(tǒng) /N30Pro+射頻激光器提供的內(nèi)置擴(kuò)束鏡（3/4/5倍可選），為用戶(hù)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；同時(shí)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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