【光學(xué)基礎(chǔ)技巧】激光擴束系統(tǒng)的設(shè)計與調(diào)試
摘要：
本文就基于望遠鏡原理的激光擴束技術(shù)為激光的從業(yè)人員提供一些最基本的技巧和方法。文章的基本脈絡(luò)包括擴束的基本原理、調(diào)試方法、反射型和透射型的比較、激光準直的判據(jù)以及像傳遞系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法。
在激光技術(shù)中，激光束的空間尺寸變換是最常規(guī)的操作之一，如果不考慮光束的準直性，可以使用單透鏡進行光束的聚焦和發(fā)散。而要得到近乎準直的激光光束, 使用光學(xué)擴（縮）束系統(tǒng)基本上是唯一的解決辦法。光學(xué)擴束系統(tǒng)應(yīng)用在激光領(lǐng)域的各個角落,比如：激光放大器各個級次之間的光斑擴束來避免光學(xué)的損傷以及優(yōu)化填充因子；非線性變換中調(diào)節(jié)光斑的尺寸以得到最優(yōu)化的轉(zhuǎn)化效率；激光像傳遞來保證光束質(zhì)量；聚焦系統(tǒng)中光斑尺寸和瑞利長度的優(yōu)化等。圖一為兩種經(jīng)典的激光擴束系統(tǒng)。
圖一：兩種經(jīng)典的激光擴束系統(tǒng)。
注意：此圖只是示意性，實際擴束系統(tǒng)中透鏡的選擇根據(jù)實際情況需要考慮像差等因素，因此不一定是簡單的單透鏡形式。
1. 基本原理
激光擴束系統(tǒng)的基本原理很簡單，一般根據(jù)使用的透鏡組的類型可以分為兩類：開普勒型和伽利略型。如圖一所示，開普勒型的擴束系統(tǒng)由兩片正透鏡組成，透鏡之間有一個共同的實焦點，理想情況下透鏡之間的距離為兩個透鏡的焦距之和。伽利略型的擴束系統(tǒng)由一片負透鏡和一片正透鏡組成，二者之間的距離為兩個透鏡焦距的絕對值之差。從幾何結(jié)構(gòu)上來看，伽利略型占用的空間距離要小于開普勒型，并且開普勒型中有一個實際存在的焦點，在強激光條件下會擊穿空氣，導(dǎo)致光束空間分布和波前的惡化，因此，一般情況下會更多地使用伽利略型進行激光的擴束。開普勒型的應(yīng)用情況會在下文中的像傳遞部分進行詳細介紹。此外，實驗中也經(jīng)常會使用帶有曲率的反射鏡片（球面鏡、柱面鏡、離軸拋物面鏡）來進行激光的擴束。比如在強激光中，為了避免透射型擴束系統(tǒng)中的非線性效應(yīng)，一般使用反射型進行擴束，但球面鏡反射型擴束系統(tǒng)會引入更多像差，所以有時候會使用價格高，但是無像差離軸拋物面型擴束系統(tǒng)。擴束系統(tǒng)的選擇往往需要綜合考慮價格、像差以及是否有成像需要等因素。
2. 調(diào)試方法與技巧
擴束系統(tǒng)在搭建的過程中首先需要按照設(shè)計參數(shù)來大體確定兩個透鏡的位置和間距。擴束系統(tǒng)中經(jīng)常會使用簡單的平凸透鏡，此時應(yīng)當注意確定好透鏡的凸面方向，使之朝向光入射的方向來減少球差。
定凸面的小技巧：如圖二所示，使用一張干凈的硬紙，邊沿貼近透鏡表面，如果發(fā)現(xiàn)兩邊有縫隙說明是凸面，反之為平面，但需要注意不要劃傷透鏡。
圖二：平凸透鏡的凸面確定小技巧
下一步按照同軸和過心的辦法來保證透鏡的姿態(tài)是正確的。這里需要注意一點，透鏡的表面往往會有微弱的反射光，一般被稱為“鬼點”，在大能量的激光器中，元件安全的優(yōu)先級要高于像差的優(yōu)化，所以透鏡的姿態(tài)一般會人為的設(shè)置偏離理想姿態(tài)，來防止透鏡返回光對上游光學(xué)元件的損傷。
調(diào)節(jié)過程中可使用紅外卡片或者紅外夜視儀來確定鬼點的位置從而作相應(yīng)的防護措施（比如使用擋光板）。接下來按照同樣的方法放入第二個透鏡，然后調(diào)節(jié)其與第一個透鏡的前后位置來保證光束的準直輸出，準直光的判斷下文會給出詳細解釋。準直以后如果測量得到兩個透鏡之間的距離偏離理想情況太多，原因可能是初始入射光并不是準直的，也可能是因為透鏡的焦距選擇不合適（比如購買的時候沒有注意選擇相應(yīng)波長的焦距）。光束準直的判斷一般情況下測量相隔較遠距離的兩個光斑尺寸來判斷（比如用白色紙片由近至遠的觀察光斑的尺寸變化，如基本不變，則光束準直好了）。但是更加準確和簡便的辦法是使用剪切干涉儀（Shearing Interferometer）,如下圖所示，根據(jù)干涉條紋的傾斜程度來判定準直的程度。不過需要注意的是，此方法不能夠適用于干涉長度極短的寬帶光源。
圖三：使用干涉儀來判定光束的準直
3. 像傳遞
像傳遞系統(tǒng)一般使用開普勒型的正透鏡組合將光束傳遞到實際應(yīng)用的位置，最常用到激光放大器各個級次之間高質(zhì)量的擴束，從而避免自由傳播導(dǎo)致的衍射結(jié)構(gòu)對光學(xué)元件的損傷。經(jīng)常和像傳遞系統(tǒng)一起使用的是真空條件下的帶有軟邊光闌的空間濾波器。
圖四：帶有空間濾波功能的像傳遞系統(tǒng)
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