Rozszerzacz wiązki

Ekspandery wiązki nie tylko zwiększają średnicę skolimowanej wiązki laserowej, ale także zmniejszają rozbieżność wiązki. Średnica wiązki wejściowej to średnica wiązki laserowej wchodzącej do ekspandera wiązki. Ten parametr jest kluczowy, ponieważ określa niezbędne specyfikacje ekspandera wiązki, aby osiągnąć pożądaną średnicę wiązki wyjściowej. Cały system nie ma ogniskowej, tj. zarówno wiązka wejściowa, jak i wiązka wyjściowa są skolimowane w systemie ekspandera wiązki. W przypadku wielu zastosowań wejściowa wiązka laserowa ma przestrzennie zmieniający się „szum” intensywności, a do systemu ekspandera wiązki dodawany jest filtr przestrzenny w celu uzyskania czystej wiązki laserowej.

Teleskop Keplera
Ekspander wiązki jest często teleskopem optycznym, utworzonym z dwóch soczewek. Dwie najszerzej stosowane konfiguracje obejmują tzw. teleskop Keplera i teleskop Galileusza.

Teleskop Keplera może być najłatwiejszym ekspanderem wiązki, jaki można zbudować. W tej konfiguracji dwie płasko-wypukłe (zbieżne) soczewki są ustawione tak, że odległość między nimi jest równa sumie ich ogniskowych. Ognisko połączonego układu będzie znajdować się w szczelinie między soczewkami. Ponieważ wysoka gęstość energii impulsu w tym punkcie może powodować łukowanie, nie zalecamy stosowania ekspanderów wiązki Keplera w przypadku laserów o wysokiej energii. Jednakże ekspandery wiązki o konstrukcji Keplera są dobrym wyborem do zastosowań laserowych, jeśli wymagane jest filtrowanie przestrzenne. Punkt ogniskowania jest odpowiednim miejscem do umieszczenia filtra przestrzennego.

Należy również pamiętać, że ekspander wiązki keplerowskiej odwróci i przywróci obraz. W razie potrzeby można użyć trzeciej soczewki, aby to skorygować.

Teleskop Galileusza
Teleskop galileuszowy składa się z jednej soczewki płasko-wypukłej i jednej płasko-wklęsłej. Soczewki te są również ułożone tak, że odległość między nimi jest równa ich ogniskowej; chociaż tutaj ogniskowa jednej z soczewek jest ujemna. Odległość między soczewkami może być krótsza niż w przypadku ekspandera wiązki keplerowskiej, co prowadzi do bardziej zwartego układu. Ekspander wiązki o konstrukcji galileuszowej nie odwraca obrazu.

Konstrukcja ekspandera lub reduktora wiązki nie zawsze ma znaczenie dla zastosowania, ale wybór może być podyktowany czynnikami takimi jak łatwiejsze ustawienie i bardziej intuicyjna konstrukcja urządzeń keplerowskich oraz kompaktowe wymiary urządzeń galileuszowskich. Ponadto urządzenie keplerowskie skupia światło między dwiema soczewkami, a następnie wyprowadza odwróconą wiązkę. Urządzenie galileuszowskie utrzymuje orientację wiązki i zapewnia możliwość wyboru soczewek w celu zmniejszenia ilości aberracji sferycznej w wiązce wyjściowej.

Ekspandery i reduktory wiązki są zazwyczaj używane tylko z wiązkami kolimowanymi, a nie z wiązkami rozbieżnymi, a te konstrukcje czerpią inspirację z teleskopów keplerowskich i galileuszowych. W obu przypadkach powiększenie jest równe ogniskowej soczewki wyjściowej podzielonej przez ogniskową soczewki wejściowej.

Charakterystyka projektu Keplera
W najprostszym projekcie keplerowskim dwie soczewki dodatnie są oddzielone odległością równą sumie ich ogniskowych (rysunek 1). Projekt oparty na teleskopie keplerowskim nigdy nie będzie krótszy niż suma ogniskowych dwóch soczewek, a wiązka wyjściowa jest odwrócona względem wiązki wejściowej.

Wiązka dociera do ogniska między dwiema soczewkami. Daje to możliwość przestrzennego filtrowania wiązki. Na przykład filtr otworkowy można umieścić w ognisku wiązki, aby poprawić jakość wiązki. Z dala od ogniska średnica wiązki rozszerza się w miarę zbliżania się do soczewki wyjściowej. Aby zwiększyć średnicę skolimowanej wiązki dostarczanej przez soczewkę wyjściową, konieczne jest przesunięcie soczewki wyjściowej dalej od ogniska. Ponieważ odległość między ogniskiem a soczewką wyjściową jest równa ogniskowej, wymaga to użycia soczewki o dłuższej ogniskowej.

Konstrukcja kepleriańska nie jest zazwyczaj preferowana w przypadku wiązek o wysokiej energii, takich jak impulsowe wiązki laserowe o dużej mocy stosowane w niektórych zastosowaniach cięcia i innych zastosowaniach produkcyjnych. Skupianie impulsów o czasie trwania nanosekund i mocy optycznej około ~1 mW lub wyższej, na przykład, może jonizować powietrze i tworzyć iskrę, co niepożądanie zmniejsza moc impulsu i może negatywnie wpłynąć na jakość wiązki.

Charakterystyka projektu Galileusza
Podstawowy teleskop galileuszowy zawiera również dwie soczewki, ale jedna jest ujemna, a druga dodatnia (rysunek 2). Soczewki są ustawione tak, że odległość między nimi jest równa różnicy ich ogniskowych, co skutkuje bardziej zwartą konstrukcją niż podejście keplerowskie.

Podejście Galileusza można również wykorzystać do zminimalizowania aberracji sferycznej wywołanej przez ekspander lub reduktor wiązki. Wszystkie soczewki sferyczne wprowadzają aberrację sferyczną, a jedną z konsekwencji jest rozproszenie ogniska wiązki wzdłuż osi optycznej. W przypadku dodatniej soczewki sferycznej równoległe promienie padają bliżej zewnętrznego ogniska obwodu soczewki do punktu na osi optycznej bliższego soczewki, w porównaniu z równoległymi promieniami padają w pobliżu środka soczewki. Ponieważ ujemna soczewka sferyczna ma odwrotny efekt, ujemna soczewka w konstrukcji Galileusza może być wykorzystana do zniwelowania części aberracji sferycznej wywołanej przez soczewkę dodatnią.

Gdy urządzenie jest używane jako ekspander wiązki, wiązka o mniejszej średnicy pada na soczewkę ujemną. Rozbieżna wiązka dostarczana przez soczewkę ujemną zwiększa średnicę, gdy zbliża się do soczewki dodatniej, zamiast skupiać się między dwiema soczewkami. Tę rozbieżną wiązkę można opisać jako mającą wirtualne ognisko, które znajduje się po przeciwnej stronie soczewki ujemnej, jak pokazano na rysunku. Ponieważ soczewka dodatnia jest oddalona o jedną ogniskową (f2) od tego wirtualnego ogniska, soczewka dodatnia wyprowadza wiązkę skolimowaną, która nie jest odwrócona w porównaniu z wiązką wejściową. Jeśli wiązka nie jest obrotowo symetryczna, orientacja wyjściowa wiązki może mieć znaczenie dla zastosowania.