激光擴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，對于激光加工來說，只有通過擴束鏡的調(diào)節(jié)使激光光束變?yōu)闇手惫馐?，才能利用聚焦鏡獲得細小的高功率密度光斑。
/ ZAMIA F8i CO2射頻激光器 + 激光擴束鏡 /
在激光作業(yè)過程中，使用激光擴束鏡進行擴束，獲得更小的光斑，得到越來越廣泛的應用。
激光擴束鏡和光學望遠鏡（折射望遠鏡）的原理是在本質(zhì)上是相同的。我們可以簡單地理解為，激光擴束鏡是將物鏡和成像透鏡的位置顛倒過來放置的折射望遠鏡。因此，激光擴束鏡按照透鏡結(jié)構(gòu)也可以分為兩類：開普勒式和伽利略式。
開普勒式擴束系統(tǒng)由兩個正焦距的透鏡構(gòu)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(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實像面（光線匯聚處）。
伽利略式擴束系統(tǒng)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，由于負透鏡的焦距為負值，因此兩透鏡之間的距離相比開普勒式較短。
由于開普勒式擴束系統(tǒng)在兩片透鏡之間會形成一個能量聚焦區(qū)域，加熱周圍的空氣，可能導致波前誤差，高功率的激光器甚至導致空氣電離，因此，在大部分的應用場景中，伽利略式擴束系統(tǒng)更被大家所青睞。
/ 伽 利 略 式 擴 束 系 統(tǒng) 示 意 圖 /
但是，在一些需要改變光束質(zhì)量的空間濾波的擴束系統(tǒng)中，由于開普勒式擴束在透鏡之間存在一個放置濾光片的焦點，則通常會使用開普勒式擴束系統(tǒng)。
/ 開 普 勒 式 擴 束 系 統(tǒng) 示 意 圖 /
在激光加工的過程中，激光加工設備聚焦光斑的計算公式為：
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倍的擴束鏡后，激光光斑將擴大m倍，相應的發(fā)散角則會變?yōu)?theta;/m。例如，在激光系統(tǒng)中加入3倍的擴束鏡，聚焦光斑為D/3，為原來的1/3，明顯縮小。不過，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長的的聚焦系統(tǒng)。那么，選用擴束鏡的優(yōu)勢在在哪？小特將針對激光切割機和激光打標機加以分析。
激光切割機選用擴束鏡的優(yōu)勢：
激光切割機聚焦頭相對激光器出口的移動，變化范圍很大，加入擴束鏡后，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，激光聚焦頭的工作距離長，利于保護聚焦鏡。
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對于激光切割機，在匹配擴束鏡時須注意以下幾點：
· 擴束鏡的鍍膜波長和激光器的波長匹配。
· 注意擴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，并滿足擴束后的激光光斑不大于擴束鏡的出射光斑。
· 擴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。
· 擴束后的光斑，不大于聚焦鏡焦距的30%，如果光斑太大，對于平凸和彎月透鏡，由于球差的影響，光斑反而會變大。
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激光打標機選用擴束鏡的優(yōu)勢：
相比于激光切割機，激光打標機的聚焦頭相對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)，激光打標機選用擴束鏡后可以使得打標范圍不會變小以及激光聚焦頭的工作距離基本不變。
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對于激光打標機系統(tǒng)，在匹配擴束鏡時須注意以下幾點：
· 是擴束鏡的鍍膜波長和激光器的波長匹配。
· 注意擴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，并滿足擴束后的激光光斑不大于擴束鏡的出射光斑。
· 擴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。
· 擴束后的光斑大小要和F-θ場鏡允許的入射光斑匹配，不可大于場鏡允許的最大入射光斑。
· 如果是前聚焦打標機系統(tǒng)，擴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還未達到高斯分布，因此在該位置添加擴束鏡是不合適的。
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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)楦咚构鈭龇植?。在光束變?yōu)楦咚构鈭龇植己螅偬砑訑U束鏡，便可以獲得更優(yōu)質(zhì)的聚焦光斑。經(jīng)實驗表明，在距離F系列射頻激光器出光口約為10cm外安裝擴束鏡，將獲得更優(yōu)質(zhì)的聚焦光斑。
/ F系列射頻激光器 - 擴束鏡安裝示意圖 /
對于Q系列的激光器，因為內(nèi)置的光束整形系統(tǒng)（點擊了解），經(jīng)過光束整型后輸出準基模圓對稱高斯光束。因此對于安裝擴束鏡的位置相對不那么敏感。
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而N30Pro+射頻激光器提供的內(nèi)置擴束鏡（3/4/5倍可選），不僅為用戶解決了擴束鏡匹配的繁瑣工序，整機裝配時間提升了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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