光学设计分享——无焦扩束变倍光路（一）——开普勒结构

Question

如题所述

Answer 1

在激光技术的世界里，扩束光路就像一柄神奇的放大镜，能够将高斯光束的发散角巧妙地缩小，广泛应用于激光准直、照明、切割和焊接等诸多领域，发挥着至关重要的作用。

其中，开普勒和伽利略两种扩束结构各具特色。伽利略结构在激光光路中常用于定焦扩束，以其无焦、扩束比大和体积紧凑的特点受青睐。然而，当需要随需求灵活调节扩束比时，开普勒结构的无焦扩束变倍光路就显得尤为独特。

这种光路设计采用正-负-正的精妙布局，如同一场光学的交响乐。起始，第一片正透镜作为固定基石，紧接着是负透镜作为变倍的调色盘，最后是补偿组作为稳定器，共同协作实现光束的精确调控。在实际操作中，变倍透镜的移动如同指挥家的手指，补偿组随之调整，确保输出的始终是那束平行且稳定的激光。

借助Zemax的强大功能，我们对这一无焦变倍扩束光路进行了深度优化，其变倍范围可达1.0X至4.5X，犹如一个精密的光学魔术箱。通过全球面透镜设计，优化后的光路在2.5X扩束比下，波像差几乎微乎其微，确保激光波前传输的完美无瑕，如同丝般顺滑。

让我们通过视觉来感受这一魔法：当变倍调整到2.5X时，波像差的精密度可见一斑。而这些精心设计的透镜参数，就像乐谱上的每一个音符，共同构建了这一无焦变倍扩束的和谐乐章。

尽管开普勒结构的无焦变倍扩束方案以其简单光路和连续变倍的特性吸引人，但我们也需留意，它的大扩束比变倍能力有所限制，而且光路长度较长，这在某些空间紧凑的环境中可能并不适用。然而，正是这种灵活性与精确性的平衡，使得开普勒结构在特定应用场景中独树一帜。