设计折射式扩束系统：实例分享

1.双凸透镜扩束

采用双凸透镜设计一个如图9-10所示的扩束系统，第一个透镜的后焦点与第二个透镜的前焦点重合。入射的平行光束经过第一个透镜时会聚在第一个透镜的后焦点上，经过第二个透镜后又变成了平行光束。很容易计算出输出光束与输入光束的扩束率为

图9-10 双凸透镜扩束系统

式中，F₁、F₂分别为两个透镜的焦距；d为入射束宽；D为出射束宽。根据式（9-12）可以看出，只要合理选取两个不同焦距的透镜，就可以实现各种扩束率。

图9-11使用了双凸透镜实现了2倍扩束，透镜1的焦距F₁=49.75mm，透镜2的焦距F₂=99.5mm，扩束前后的光斑如图9-12所示。

图9-11 双凸透镜实现光束的2倍扩束

2.一凹一凸透镜扩束

使用双凸透镜进行扩束，入射光束首先会聚在第一个透镜的焦点上，如果入射光束能量很大，在这个焦点上的能量密度会很高，有时候会造成一些危害，因此这种情况共用的焦点为虚焦点更加合适，一凹一凸透镜构成的扩束系统的公共焦点是一个虚焦点。一凹一凸透镜构成的扩束系统如图9-13所示，与双凸透镜扩束原理类似，第一个透镜的前焦点与第二个透镜的前焦点重合作为一个共用的焦点。平行光束入射凹透镜后变得发散，发散光束的虚焦点位于共用焦点上，因此发散光束经过第二个凸透镜后变得平行，透镜的扩束率的计算仍可用式（9-12）。

图9-14为设计的一个凹透镜和一个凸透镜组成的扩束系统，凹透镜为平凹透镜，其焦距为-10mm；凸透镜为平凸透镜，其焦距为20mm。图9-14a和b分别为扩束系统的三维和二维视图。

使用图9-14中的扩束系统进行扩束，扩束前后的光斑分布如图9-15所示。(www.xing528.com)

图9-12 扩束前后的光斑图

a）扩束前 b）扩束后

图9-13 一凹一凸透镜构成的扩束系统

图9-14 一凹一凸透镜构成的扩束系统的光路图

图9-14 一凹一凸透镜构成的扩束系统的光路图（续）

图9-15 一凹一凸透镜扩束系统扩束前后光斑图

a）扩束前 b）扩束后