從激光器發出的激光束具有一定的發散角。對于激光加工，通過安裝擴束鏡使激光光束變為準直光束，能在聚焦之后，獲得高功率密度的光斑。
/ ZAMIA F8i CO2射頻激光器 + 激光擴束鏡 /
激光擴束鏡和光學望遠鏡（折射望遠鏡）的原理是在本質上是相同的。激光擴束鏡是將物鏡和成像透鏡的位置相互交換后的折射望遠鏡。因此，與折射望遠鏡相同，激光擴束鏡可以分為兩類：開普勒式和伽利略式。
開普勒式擴束系統由兩個正焦距的透鏡構成，兩透鏡焦點重合，分別布置在焦距之和的兩個位置，靠近物體一側的透鏡叫物鏡，另一側的透鏡叫成像鏡，在兩透鏡之間存在一個實像面（光線匯聚處）。
伽利略式擴束系統是由一個正透鏡和一個負透鏡組成，也是分布在兩透鏡焦距之和的位置，由于負透鏡的焦距為負值，因此兩透鏡之間的距離相比開普勒式較短。
由于開普勒式擴束系統在兩片透鏡之間會形成一個能量聚焦區域，加熱周圍的空氣，可能導致波前誤差，高功率的激光器甚至會導致空氣電離，因此，伽利略式擴束系統在大部分的應用場景中更加適用。
/ 伽 利 略 式 擴 束 系 統 示 意 圖 /
開普勒式擴束系統通常被應用在一些需要改變光束質量的空間濾波的場景中，因為該擴束系統在透鏡之間存在一個放置濾光片的焦點。
/ 開 普 勒 式 擴 束 系 統 示 意 圖 /
在激光加工的過程中，激光加工設備聚焦光斑的計算公式為：
公式中：D為聚焦光斑的大小，f為聚焦系統的有效焦距，θ為入射激光束的全角發散角
在激光器出口和聚焦系統之間，插入m倍的擴束鏡后，激光光斑將擴大m倍，相應的發散角會變為θ/m。例如，在激光系統中加入3倍的擴束鏡，聚焦光斑為D/3，為原來的1/3，明顯縮小。不過，按照上述公式，我們也可以使用焦距為f/m長的的聚焦系統得到同樣大小的聚焦光斑。那么，選用擴束鏡有何優勢？接下來，小特將分別針對激光切割機和激光打標機加以分析。
激光切割機選用擴束鏡的優勢：
激光切割機聚焦頭相對激光器出口的移動變化范圍很大。加入擴束鏡后，激光光束的發散角變小，在加工范圍內，入射到聚焦鏡的光斑變化相對更小，可以得到更加均勻的加工效果。同時，激光聚焦頭的工作距離長，利于保護聚焦鏡。
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對于激光切割機，在匹配擴束鏡時須注意以下幾點：
· 擴束鏡的鍍膜波長和激光器的波長匹配。
· 注意擴束鏡允許的入射光斑和出射光斑。激光光斑需小于入射光斑，并滿足擴束后的激光光斑不大于擴束鏡的出射光斑。
· 擴束后的光斑大小要和后續光路的45度反射鏡匹配，并且小于聚焦鏡的直徑。
· 擴束后的光斑，不大于聚焦鏡焦距的30%，如果光斑太大，對于平凸和彎月透鏡，由于球差的影響，光斑反而會變大。
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激光打標機選用擴束鏡的優勢：
相比于激光切割機，激光打標機的聚焦頭相對于激光器出口位置是比較固定的。激光打標機選用擴束鏡后可以使得激光聚焦頭的工作距離基本不變，打標范圍也不會變小。
/ CO2激光 - 激光打標 /
對于激光打標機系統，在匹配擴束鏡時須注意以下幾點：
· 擴束鏡的鍍膜波長和激光器的波長匹配。
· 注意擴束鏡允許的入射光斑和出射光斑。激光光斑需小于入射光斑，并滿足擴束后的激光光斑不大于擴束鏡的出射光斑。
· 擴束后的光斑大小要和振鏡的振鏡片匹配，不大于振鏡片允許的最大入射光斑。
· 擴束后的光斑大小要和F-θ場鏡允許的入射光斑匹配，不可大于場鏡允許的最大入射光斑。
· 如果是前聚焦打標機系統，擴束后的激光光斑不大于前聚焦系統允許的入射光斑。
在激光作業中，為了使激光光斑能得到更優質的聚焦效果，我們需要注意擴束鏡安裝位置。由于CO2射頻激光器內部傳輸光路的限制，在激光器出口位置，激光束并不是完美的基模高斯光束。以F系列射頻激光器為例，激光器出口位置的光場還未達到高斯分布，因此在該位置添加擴束鏡是不合適的。
/ ZAMIA F系列CO2射頻激光器 /
根據激光光束相干傳輸特性，激光束在空間自由傳輸一段距離后，將逐漸變為高斯光場分布。在光束變為高斯光場分布后，再添加擴束鏡，有利于獲得更優質的聚焦光斑。經實驗表明，在距離F系列射頻激光器出光口約為10cm外安裝擴束鏡，將獲得更優質的聚焦光斑。
/ F系列射頻激光器 - 擴束鏡安裝示意圖 /
對于Q系列的激光器，由于內置了光束整形系統，激光器輸出準基模圓對稱高斯光束。因此，對于安裝擴束鏡的位置相對不那么敏感。
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