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扩束镜是激光光路中最容易被”随便选一个”的元件，但它对加工效果的影响，远比很多人想象的大。选错了波长，透过率断崖式下降；选错了倍数，光束要么不够粗、要么被振镜截断；选错了材质，高功率下镜片直接烧毁；选错了结构类型，还可能出现空气击穿……
这篇文章，我们把扩束镜选型拆成7个关键维度，每个维度给具体数字和判断标准，帮你一次性选对。
在进入7大要点之前，先掌握3个核心公式——它们是整篇文章的理论基础，后面的所有选型建议都围绕这3个公式展开。
🔥 核心公式与配比定律
理解这3个公式，你就理解了扩束镜选型的底层逻辑。
公式1：聚焦光斑直径
2w₀ = (4M²λf) / (πD)
聚焦光斑直径 = 4 × 光束质量 × 波长 × 焦距 / (π × 光束直径)
参数说明：
- 2w₀ = 聚焦光斑直径（1/e²定义），单位与D同量级
- M² = 光束质量参数（理想高斯光束M²=1，实际激光器M²>1）
- λ = 激光波长
- f = 透镜（场镜）焦距
- D = 入射到场镜的光束直径（即扩束后的光束直径）
① 透镜不能有严重的像差
② 透镜直径至少应为入射光束直径的两倍，这样才不会截断高斯分布的边缘部分
公式2：焦深（景深DOF）
DOF = 2zR = 2πw₀² / (M²λ)
焦深 = 2π × 聚焦光斑半径² / (光束质量 × 波长)
参数说明：
- DOF = 景深（瑞利范围的两倍）
- w₀ = 聚焦光斑半径
- M² = 光束质量参数
- λ = 激光波长
公式3：配比定律（红线约束！）
激光器出射光束直径 × 扩束倍数 ≤ 振镜光斑 ≤ 场镜入瞳
这个配比定律是扩束镜选型不可逾越的红线！无论你想要多大的倍数，都必须在配比定律的约束下去选。违反配比定律，光束就会被振镜或场镜截断，加工效果必然出问题。
📊 三个公式的关系总结：
- 公式1告诉你：扩束倍数越大，聚焦光斑越小 → 我们想选大倍数
- 公式2告诉你：扩束倍数越大，焦深越小 → 倍数不能无限大
- 公式3告诉你：扩束倍数受振镜和场镜约束 → 在配比定律约束下，尽量选大倍数
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输入你的参数，实时计算聚焦光斑直径和焦深：
💡 提示：修改参数后点击”计算”按钮即可获得结果。M²=1为理想高斯光束，实际激光器M²通常在1.1~2.0之间。
一、波长要选对——镀膜是针对性的，用错波长约等于”裸奔”
扩束镜的镜片表面镀有增透膜（AR Coating），这个镀膜是针对特定波长范围优化的。波长不匹配，增透膜不仅不起作用，反而可能产生强烈的反射，导致透过率大幅下降。
常见激光波长及对应的镜片材质和镀膜：
1064nm和532nm的材质选择：这两个波长都可以用K9或熔石英，选择依据是激光功率和峰值功率：
- 低功率、低峰值功率 → K9即可满足，性价比高
- 高功率、高峰值功率 → 必须用熔石英，K9扛不住
具体的功率分档标准，我们在第三节详细说明。
用错波长的后果有多严重？
举个例子：你把一支1064nm镀膜的扩束镜用在532nm绿光上。1064nm的增透膜在532nm处非但不增透，还可能形成反射峰。实测透过率可能从99%降到80%以下——也就是说，20%以上的光功率被反射回来，不仅功率白白损失，反射光还可能损伤激光器输出头。
同样，把532nm镀膜用在1064nm上，透过率也可能只有85%-90%，远低于设计值。
二、倍数要合适——配比定律是核心约束
扩束镜倍数的定义很简单：
扩束倍数 = 输出光束直径 ÷ 输入光束直径
比如入射光束4mm，用5X扩束镜，输出光束就是20mm。
倍数选择的逻辑：
- 倍数越大 → 输出光束越粗 → 根据公式1，经过聚焦镜后光斑越小
- 倍数越大 → 根据公式2，焦深越小，对离焦更敏感
- 所以，我们一般尽量选大一点的倍数，以获得更细的聚焦光斑
但倍数不是越大越好！关键约束在于配比定律：
激光器出射光束直径 × 扩束倍数 ≤ 振镜光斑 ≤ 场镜入瞳
配比定律的含义：
- 扩束后的光束直径不能超过振镜的通光孔径，否则光束被振镜截断
- 振镜光斑不能超过场镜入瞳，否则场镜会截断边缘光束
- 在配比定律的约束下，我们尽量选大倍数，让聚焦光斑更细
举例计算：
📌 案例1：激光器出射光束4mm，振镜光斑14mm，场镜入瞳16mm。
- 根据配比定律：扩束倍数 ≤ 14/4 = 3.5X
- 可选3X：4mm × 3 = 12mm < 14mm振镜，✅ 余量充足
- 选4X：4mm × 4 = 16mm > 14mm振镜，❌ 光束超出振镜孔径，不行
→ 所以这个配置选3X最稳。
📌 案例2：出射光4mm，振镜20mm，场镜25mm。
- 扩束倍数 ≤ 20/4 = 5X
- 可选5X：4mm × 5 = 20mm，刚好等于振镜光斑，没有余量，不推荐
- 选4X更稳妥：4mm × 4 = 16mm，振镜余量4mm ✅
常见扩束倍数：2X、3X、4X、5X、6X、8X、10X等
三、根据激光功率选择材质和冷却方式——不同波长分档标准不同
这一条是很多人踩坑的地方，尤其是脉冲激光器用户。不同波长的激光器，材质选择和冷却方式的要求差别很大，必须分波长、分功率档位来选。
1. 1064nm材质选择规则
2. 532nm材质选择规则
3. 355nm材质选择规则
4. 脉冲激光器：必须关注峰值功率！
这是最容易踩的坑。一支50W平均功率的皮秒激光器，脉冲宽度10ps，重复频率200kHz，单脉冲能量0.25mJ。算一下峰值功率：
峰值功率 = 0.25mJ ÷ 10ps = 25MW（2.5×10⁷W）！
25MW的峰值功率打在镜片镀膜上，如果镀膜的激光损伤阈值（LIDT）不够高，膜层会瞬间被烧蚀——不是慢慢热坏的，是一个脉冲直接打穿的。
超快激光扩束镜的特殊要求：
- 高激光损伤阈值镀膜：普通1064nm镀膜LIDT可能只有5-10 J/cm²，超快专用镀膜需要达到15-30 J/cm²以上
- 低色散设计：飞秒激光脉冲很窄（百飞秒级），经过普通扩束镜后色散会导致脉冲展宽，峰值功率下降。超快专用扩束镜需要采用消色差或低色散设计
- 进口石英材质：飞秒激光器需要康宁(Corning)、小原(OHARA)或贺利氏(Heraeus)等进口石英
四、扩束镜镜片尺寸要合适——光束超出口径后果很严重
扩束镜有两个镜片：入口端（小镜片/负透镜）和出口端（大镜片/正透镜）。两个镜片的有效通光直径都要满足要求。
入口端：有效口径要大于入射光束直径
入口小镜片的有效通光直径要大于进来的光束直径，且建议留有盈余量。
如果入口口径不够，入射光束边缘被截断，会导致：
- 功率损失
- 衍射效应 → 光束质量变差 → 聚焦光斑变形
出口端：光束超出口径的连锁后果
出口端更关键：入射光束直径 × 扩束倍数 = 输出光束直径，输出光束直径必须小于出口镜片的有效直径。
如果入射光×倍数 ≥ 出口镜片有效直径，光束会打到扩束镜的外壳上，引发以下连锁后果：
⚠ 链条式后果（渐进恶化）：
- ① 扩束镜外壳发烫 — 光束边缘打在金属外壳上，光能转化为热能
- ② 进而镜片发烫 — 热量从外壳传导到镜片安装座，镜片温度升高
- ③ 出光口镜片热效应变形 — 镜片受热后折射率变化，产生热透镜效应
- ④ 最终影响光束质量 — 输出光束质量恶化，聚焦光斑变大变差，加工效果显著下降
这个链条式后果是渐进的：从外壳发烫开始，一步步恶化，最终整个光路质量崩塌。而且这个过程是缓慢发生的，可能运行一段时间后才显现，非常容易被忽略。
📌 计算示例：入射光束6mm，选4X扩束镜：
- 输出光束直径 = 6 × 4 = 24mm
- 出口镜片有效直径至少要 > 24mm
- 实际应选25mm或30mm口径的扩束镜（留余量）
如果出口镜片有效直径只有22mm，24mm的光束就会打到外壳上，产生上述连锁后果！
五、扩束镜的固定方式——接口要匹配，螺纹规格要选对
扩束镜不是拧上去就完事的，固定方式和安装精度直接影响光路质量。
常见固定方式
常见螺纹规格详解
螺纹连接是最常用的固定方式，但螺纹规格有很多种，必须选对：
调心的重要性
扩束镜安装后必须调心——确保光束中心与扩束镜光轴同轴。如果光束偏心：
- 输出光斑不对称
- 功率分布不均匀
- 严重时部分光束被截断
六、振镜匹配要留余量——没有余量，调光难度暴增
振镜的”光斑数”其实就是振镜反射镜的通光孔径，它决定了能通过的最大光束直径。
常见振镜光斑规格
匹配原则：必须留余量！
从扩束镜出来的光束直径必须小于振镜标称光斑，而且一定要留有余量。
回顾配比定律：
激光器出射光束直径 × 扩束倍数 ≤ 振镜光斑 ≤ 场镜入瞳
为什么要留余量？
- 振镜反射镜在工作时有一定偏转角度，光束在反射镜上的投影是椭圆
- 如果没有余量，边缘光会被反射镜截断，导致光斑变形、功率损失
- 如果没有余量或余量太小，调光难度会大幅增加——稍微偏一点就截光，现场调试非常痛苦
计算示例：
14mm光斑振镜，有效通光直径按85%算为11.9mm：
- 入射光束4mm → 最大可用倍数 = 11.9/4 ≈ 2.97X → 选2X或3X
- 入射光束6mm → 最大可用倍数 = 11.9/6 ≈ 1.98X → 选2X
- 入射光束8mm → 最大可用倍数 = 11.9/8 ≈ 1.49X → 不建议扩束，或选1.5X
七、结构类型：伽利略式 vs 开普勒式——激光应用首选伽利略式
扩束镜按光学结构分为两大类：伽利略式（Galilean）和开普勒式（Keplerian）。选错结构类型，可能导致严重的系统问题。
开普勒式（Keplerian）：正透镜 + 正透镜
开普勒式扩束镜由两片正透镜组成，光路中间有一个实焦点。
优点：
- 可以在焦点位置放置空间滤波器（针孔），滤除高频噪声，获得非常干净的光束
- 适合需要大倍数的场景
- 非激光应用中表现优秀
致命缺点：
- 中间有焦点，激光在焦点处功率密度极高，可能导致空气击穿
- 空气击穿会产生等离子体，破坏光束质量，甚至损坏镜片
- 不适合激光应用！
伽利略式（Galilean）：负透镜 + 正透镜
伽利略式扩束镜由一片负透镜和一片正透镜组成，光路中间没有焦点。
优点：
- 无中间焦点——不会出现空气击穿问题，这是激光应用最关键的优点
- 结构更短——没有焦点意味着两个镜片之间的距离更短，整体长度更紧凑
- 更适合激光加工系统集成
缺点：
- 无法放置空间滤波器
- 大倍数设计相对困难
选择建议
🏆 结论：激光应用一般首选伽利略式扩束镜。原因很简单——无中间焦点，不会有空气击穿的风险，而且结构短，更容易集成到激光加工系统中。开普勒式只适合非激光应用或需要空间滤波的特殊场景。
选型流程总结
按以下7步走，基本不会选错：
- 确认波长 → 选对应镀膜的扩束镜（355nm必须熔石英）
- 选择结构类型 → 激光应用首选伽利略式
- 量入射光束直径 → 确认入口镜片口径够大
- 确认振镜光斑和场镜入瞳 → 按配比定律计算最大可用扩束倍数
- 选择扩束倍数 → 不超过最大可用倍数，尽量选大，但要留余量
- 确认激光功率和类型 → 按波长分档选材质和冷却方式（脉冲看峰值功率，飞秒要进口石英）
- 确认接口和固定方式 → 与激光器和振镜的螺纹规格匹配
常见选型错误汇总
结语
扩束镜选型，说到底就是7个关键词：波长、倍数、功率、口径、接口、振镜、结构。7个维度都选对了，你的光路才稳、加工效果才好。任何一个维度出了问题，都可能成为整条光路的短板。
记住核心配比定律：
激光器出射光束直径 × 扩束倍数 ≤ 振镜光斑 ≤ 场镜入瞳
这是选型不可逾越的红线。在配比定律的约束下，根据聚焦光斑公式（2w₀ = 4M²λf/πD）尽量选大倍数获得更细光斑，同时注意焦深（DOF = 2πw₀²/M²λ）会随倍数增大而减小，需要在光斑大小和焦深之间做平衡。
希望这篇指南能帮你在选型时少走弯路。如果还有具体选型疑问，欢迎联系我们，我们提供免费的技术选型支持。
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