【光学基础技巧】激光扩束系统的设计与调试
摘要：
本文就基于望远镜原理的激光扩束技术为激光的从业人员提供一些最基本的技巧和方法。文章的基本脉络包括扩束的基本原理、调试方法、反射型和透射型的比较、激光准直的判据以及像传递系统的调节方法。
在激光技术中，激光束的空间尺寸变换是最常规的操作之一，如果不考虑光束的准直性，可以使用单透镜进行光束的聚焦和发散。而要得到近乎准直的激光光束, 使用光学扩（缩）束系统基本上是唯一的解决办法。光学扩束系统应用在激光领域的各个角落,比如：激光放大器各个级次之间的光斑扩束来避免光学的损伤以及优化填充因子；非线性变换中调节光斑的尺寸以得到最优化的转化效率；激光像传递来保证光束质量；聚焦系统中光斑尺寸和瑞利长度的优化等。图一为两种经典的激光扩束系统。
图一：两种经典的激光扩束系统。
注意：此图只是示意性，实际扩束系统中透镜的选择根据实际情况需要考虑像差等因素，因此不一定是简单的单透镜形式。
1. 基本原理
激光扩束系统的基本原理很简单，一般根据使用的透镜组的类型可以分为两类：开普勒型和伽利略型。如图一所示，开普勒型的扩束系统由两片正透镜组成，透镜之间有一个共同的实焦点，理想情况下透镜之间的距离为两个透镜的焦距之和。伽利略型的扩束系统由一片负透镜和一片正透镜组成，二者之间的距离为两个透镜焦距的绝对值之差。从几何结构上来看，伽利略型占用的空间距离要小于开普勒型，并且开普勒型中有一个实际存在的焦点，在强激光条件下会击穿空气，导致光束空间分布和波前的恶化，因此，一般情况下会更多地使用伽利略型进行激光的扩束。开普勒型的应用情况会在下文中的像传递部分进行详细介绍。此外，实验中也经常会使用带有曲率的反射镜片（球面镜、柱面镜、离轴抛物面镜）来进行激光的扩束。比如在强激光中，为了避免透射型扩束系统中的非线性效应，一般使用反射型进行扩束，但球面镜反射型扩束系统会引入更多像差，所以有时候会使用价格高，但是无像差离轴抛物面型扩束系统。扩束系统的选择往往需要综合考虑价格、像差以及是否有成像需要等因素。
2. 调试方法与技巧
扩束系统在搭建的过程中首先需要按照设计参数来大体确定两个透镜的位置和间距。扩束系统中经常会使用简单的平凸透镜，此时应当注意确定好透镜的凸面方向，使之朝向光入射的方向来减少球差。
定凸面的小技巧：如图二所示，使用一张干净的硬纸，边沿贴近透镜表面，如果发现两边有缝隙说明是凸面，反之为平面，但需要注意不要划伤透镜。
图二：平凸透镜的凸面确定小技巧
下一步按照同轴和过心的办法来保证透镜的姿态是正确的。这里需要注意一点，透镜的表面往往会有微弱的反射光，一般被称为“鬼点”，在大能量的激光器中，元件安全的优先级要高于像差的优化，所以透镜的姿态一般会人为的设置偏离理想姿态，来防止透镜返回光对上游光学元件的损伤。
调节过程中可使用红外卡片或者红外夜视仪来确定鬼点的位置从而作相应的防护措施（比如使用挡光板）。接下来按照同样的方法放入第二个透镜，然后调节其与第一个透镜的前后位置来保证光束的准直输出，准直光的判断下文会给出详细解释。准直以后如果测量得到两个透镜之间的距离偏离理想情况太多，原因可能是初始入射光并不是准直的，也可能是因为透镜的焦距选择不合适（比如购买的时候没有注意选择相应波长的焦距）。光束准直的判断一般情况下测量相隔较远距离的两个光斑尺寸来判断（比如用白色纸片由近至远的观察光斑的尺寸变化，如基本不变，则光束准直好了）。但是更加准确和简便的办法是使用剪切干涉仪（Shearing Interferometer）,如下图所示，根据干涉条纹的倾斜程度来判定准直的程度。不过需要注意的是，此方法不能够适用于干涉长度极短的宽带光源。
图三：使用干涉仪来判定光束的准直
3. 像传递
像传递系统一般使用开普勒型的正透镜组合将光束传递到实际应用的位置，最常用到激光放大器各个级次之间高质量的扩束，从而避免自由传播导致的衍射结构对光学元件的损伤。经常和像传递系统一起使用的是真空条件下的带有软边光阑的空间滤波器。
图四：带有空间滤波功能的像传递系统
