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，常用於(yu) 如激光掃描、幹涉測量或遙測應用中。現在的激光擴束鏡都是從(cong) 完善的光學望遠鏡基礎中發展而來的無焦係統設計。在此類係統中，物體(ti) 光線以平行方式進入內(nei) 部光學元件的光軸中，並以平行方式離開。這意味著整個(ge) 係統不具備焦距。

理論：望遠鏡

傳(chuan) 統上，光學望遠鏡主要用於(yu) 觀察遠處的物體(ti) ，例如宇宙中的天體(ti) 。光學望遠鏡主要可分為(wei) 兩(liang) 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(wei) 兩(liang) 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(ti) 或來源圖像近的透鏡被稱為(wei) 物鏡，靠近人眼或成像的透鏡稱為(wei) 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，由於(yu) 其中一個(ge) 透鏡為(wei) 負透鏡，因此兩(liang) 個(ge) 透鏡之間的距離比開普勒式望遠鏡的透鏡距離短。使用兩(liang) 個(ge) 透鏡之間的有效焦距能夠很好地得出近似總長度，而使用後焦距則能夠獲得準確的長度。

圖2: 伽利略式望遠鏡

望遠鏡的放大倍數或放大倍數的倒數等於(yu) 物鏡焦距和目鏡焦距的比值

如果放大倍數大於(yu) 1，則望遠鏡會(hui) 放大。如果放大倍數小於(yu) 1，則望遠鏡會(hui) 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。開普勒式擴束鏡設計為(wei) 使準直輸入光束集中在物鏡和成像透鏡之間的一個(ge) 點上，進而形成一個(ge) 激光能量聚焦的區域（圖3）。該集中的點會(hui) 加熱透鏡之間的空氣，折射光路中的光線，而這有可能會(hui) 造成波前誤差。在高功率激光應用中，聚焦點處空氣的電離也可能是一個(ge) 問題。有鑒於(yu) 此，大部分擴束鏡都選擇使用伽利略式設計或其變體(ti) （圖4）。然而，開普勒式設計在需要空間濾光的激光應用中仍然非常有用，因為(wei) 它們(men) 提供了一個(ge) 便於(yu) 放置空間濾光片的焦點。

圖3: 開普勒式擴束鏡有一個(ge) 內(nei) 部焦點，這不利於(yu) 高功率應用，但適用於(yu) 低功率應用的空間濾光

圖4: 伽利略式擴束鏡沒有內(nei) 部焦點，非常適合高功率激光器應用

使用開普勒式或伽利略式設計於(yu) 激光擴束鏡應用時，重要的是能夠計算出輸出光束發散。這決(jue) 定了與(yu) 完美平行光線的偏差。光束發散取決(jue) 於(yu) 輸入激光光束直徑和輸出激光光束直徑。

放大倍數 (MP) 現在可通過光束發散或光束直徑來表示。

解等式4和等式5時，可以發現輸出光束發散 (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(hui) 縮小，但激光的光束發散將會(hui) 提高。小光束的代價(jia) 就是形成很大的發散角。

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(wei) 重要的。輸出光束直徑是在特定工作距離 (L) 後的輸入光束直徑和光束發散的函數（圖 5）。

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

激光束發散用半角表示，因此，等式6的第二項需要因子2。

擴束鏡通過放大倍數增大輸入光束和減小輸入發散。將等式4和5代入等式6，結果如下：

應用1：降低功率密度

擴束鏡以放大倍數的平方增加光束麵積，而不會(hui) 顯著影響光束中包含的總能量。這會(hui) 降低光束的功率密度和輻照度，從(cong) 而延長激光組件的壽命，降低出現激光誘導損傷(shang) 的幾率，並允許使用更經濟實惠的鍍膜和光學元件。

應用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(hui) 導致遠離激光光圈的光束直徑變小。擴束鏡會(hui) 因特定的擴束功率而提高輸入激光光束，也會(hui) 因相同的擴束功率而降低光束發散，進而在較大距離下形成較小的平行光束。