激光擴束鏡可將準直輸入光束的直徑擴大到更大的準直輸出光束，常用于如激光掃描、干涉測量或遙測應(yīng)用中?，F(xiàn)在的激光擴束鏡都是從完善的光學望遠鏡基礎(chǔ)中發(fā)展而來的無焦系統(tǒng)設(shè)計。在此類系統(tǒng)中，物體光線以平行方式進入內(nèi)部光學元件的光軸中，并以平行方式離開。這意味著整個系統(tǒng)不具備焦距。

理論：望遠鏡

傳統(tǒng)上，光學望遠鏡主要用于觀察遠處的物體，例如宇宙中的天體。光學望遠鏡主要可分為兩大類：折射望遠鏡和反射望遠鏡。折射望遠鏡充分利用透鏡來折射或彎曲光線，而反射望遠鏡則是利用反射鏡來反射光線。

折射望遠鏡可分為兩類：開普勒式望遠鏡和伽利略式望遠鏡。開普勒式望遠鏡由正焦距的透鏡組成，透鏡按焦距總和分隔（圖1）。離被觀察物體或來源圖像近的透鏡被稱為物鏡，靠近人眼或成像的透鏡稱為成像透鏡。

圖1: 開普勒式望遠鏡

伽利略式望遠鏡由正透鏡和負透鏡組成，透鏡也按焦距總和分隔（圖2）。但是，由于其中一個透鏡為負透鏡，因此兩個透鏡之間的距離比開普勒式望遠鏡的透鏡距離短。使用兩個透鏡之間的有效焦距能夠很好地得出近似總長度，而使用后焦距則能夠獲得準確的長度。

圖2: 伽利略式望遠鏡

望遠鏡的放大倍數(shù)或放大倍數(shù)的倒數(shù)等于物鏡焦距和目鏡焦距的比值

如果放大倍數(shù)大于1，則望遠鏡會放大。如果放大倍數(shù)小于1，則望遠鏡會縮小。

理論：激光擴束鏡

在激光擴束鏡中，物鏡和成像透鏡的位置顛倒。開普勒式擴束鏡設(shè)計為使準直輸入光束集中在物鏡和成像透鏡之間的一個點上，進而形成一個激光能量聚焦的區(qū)域（圖3）。該集中的點會加熱透鏡之間的空氣，折射光路中的光線，而這有可能會造成波前誤差。在高功率激光應(yīng)用中，聚焦點處空氣的電離也可能是一個問題。有鑒于此，大部分擴束鏡都選擇使用伽利略式設(shè)計或其變體（圖4）。然而，開普勒式設(shè)計在需要空間濾光的激光應(yīng)用中仍然非常有用，因為它們提供了一個便于放置空間濾光片的焦點。

圖3: 開普勒式擴束鏡有一個內(nèi)部焦點，這不利于高功率應(yīng)用，但適用于低功率應(yīng)用的空間濾光

圖4: 伽利略式擴束鏡沒有內(nèi)部焦點，非常適合高功率激光器應(yīng)用

使用開普勒式或伽利略式設(shè)計于激光擴束鏡應(yīng)用時，重要的是能夠計算出輸出光束發(fā)散。這決定了與完美平行光線的偏差。光束發(fā)散取決于輸入激光光束直徑和輸出激光光束直徑。

放大倍數(shù) (MP) 現(xiàn)在可通過光束發(fā)散或光束直徑來表示。

解等式4和等式5時，可以發(fā)現(xiàn)輸出光束發(fā)散 (θO) 隨輸出光束直徑(DO) 增加而降低，反之亦然。所以，如果使用擴束鏡來縮小光束，光束直徑將會縮小，但激光的光束發(fā)散將會提高。小光束的代價就是形成很大的發(fā)散角。

除此之外，能夠計算特定工作距離 (L) 的輸出光束直徑也是極為重要的。輸出光束直徑是在特定工作距離 (L) 后的輸入光束直徑和光束發(fā)散的函數(shù)（圖 5）。

圖 5: 可以使用激光的輸入光束直徑和發(fā)散來計算特定工作距離下的輸出光束直徑

激光束發(fā)散用半角表示，因此，等式6的第二項需要因子2。

擴束鏡通過放大倍數(shù)增大輸入光束和減小輸入發(fā)散。將等式4和5代入等式6，結(jié)果如下：

應(yīng)用1：降低功率密度

擴束鏡以放大倍數(shù)的平方增加光束面積，而不會顯著影響光束中包含的總能量。這會降低光束的功率密度和輻照度，從而延長激光組件的壽命，降低出現(xiàn)激光誘導(dǎo)損傷的幾率，并允許使用更經(jīng)濟實惠的鍍膜和光學元件。

應(yīng)用2：大程度地降低特定距離下的光束直徑

盡管這似乎不太直觀，但使用擴束鏡增加激光的直徑可能會導(dǎo)致遠離激光光圈的光束直徑變小。擴束鏡會因特定的擴束功率而提高輸入激光光束，也會因相同的擴束功率而降低光束發(fā)散，進而在較大距離下形成較小的平行光束。