Designul expandorului sau reductorului de fascicul nu contează întotdeauna pentru aplicație, dar alegerea poate fi influențată de factori precum alinierea mai ușoară și designul mai intuitiv al dispozitivelor Kepleriene și dimensiunile compacte ale dispozitivelor galileene. În plus, un dispozitiv Keplerian concentrează lumina între cele două lentile ale sale și apoi emite un fascicul inversat. Un dispozitiv Galileian menține orientarea fasciculului și oferă opțiunea de a selecta lentile pentru a reduce cantitatea de aberație sferică din fasciculul de ieșire.
Expansoarele și reductoarele de fascicul sunt de obicei utilizate numai cu fascicule colimate, mai degrabă decât cu fascicule divergente, iar aceste modele se inspiră din telescoapele Kepleriane și Galileene. Mărirea furnizată în ambele cazuri este egală cu distanța focală a lentilei de ieșire împărțită la distanța focală a lentilei de intrare.
Caracteristicile designului Keplerian
În cel mai simplu design Keplerian, două lentile pozitive sunt separate de o distanță egală cu suma distanțelor lor focale. Un design bazat pe telescopul Keplerian nu va fi niciodată mai scurt decât suma distanțelor focale ale celor două lentile, iar fasciculul de ieșire este inversat față de fasciculul de intrare.
Fasciculul ajunge la o focalizare între cele două lentile. Acest lucru oferă posibilitatea de a filtra spațial fasciculul. De exemplu, un filtru pinhole ar putea fi plasat la punctul focal al fasciculului pentru a îmbunătăți calitatea fasciculului. Departe de focalizare, diametrul fasciculului se extinde pe măsură ce se apropie de lentila de ieșire. Pentru a crește diametrul fasciculului colimat furnizat de lentila de ieșire, este necesar să deplasați lentila de ieșire mai departe de focalizare. Deoarece distanța dintre focalizare și obiectivul de ieșire este egală cu distanța focală, acest lucru necesită utilizarea unui obiectiv cu o distanță focală mai mare.
Designul Keplerian nu este de obicei preferat pentru fasciculele cu energie înaltă, cum ar fi fasciculele laser pulsate de mare putere utilizate în unele aplicații de tăiere și alte aplicații de producție. Focalizarea impulsurilor cu durată de nanosecundă și puteri optice în jur de ~1 MW sau mai mare, de exemplu, poate ioniza aerul și poate crea o scânteie, care reduce în mod nedorit puterea pulsului și poate afecta negativ calitatea fasciculului.
Caracteristicile designului galilean
Un telescop galileian de bază include și două lentile, dar una este negativă, în timp ce cealaltă este pozitivă. Lentilele sunt poziționate astfel încât distanța dintre ele să fie egală cu diferența de distanțe focale, rezultând un design mai compact decât abordarea Kepleriană.
Abordarea galileană poate fi folosită și pentru a minimiza aberația sferică indusă de expansorul sau reductorul fasciculului. Toate lentilele sferice introduc aberația sferică și o consecință este răspândirea focalizării fasciculului de-a lungul axei optice. În cazul unei lentile sferice pozitive, razele paralele incidente mai aproape de perimetrul exterior al lentilei se concentrează pe un punct de pe axa optică mai aproape de lentilă, în comparație cu razele paralele incidente în apropierea centrului lentilei. Deoarece o lentilă sferică negativă are efectul opus, lentila negativă din designul Galileian poate fi utilizată pentru a anula o parte din aberația sferică indusă de lentila pozitivă.
Când dispozitivul este utilizat ca un expandator al fasciculului, fasciculul cu diametrul mai mic incide pe lentila negativă. Fasciculul divergent furnizat de lentila negativă crește în diametru pe măsură ce se apropie de lentila pozitivă, în loc să se concentreze între cele două lentile. Acest fascicul divergent poate fi descris ca având o focalizare virtuală, care este situată pe partea opusă a lentilei negative, așa cum se arată în Figura 2. Deoarece lentila pozitivă are o distanță focală (f2) departe de această focalizare virtuală, lentila pozitivă emite un fascicul colimat care nu este inversat în comparație cu fasciculul de intrare. Dacă fasciculul nu este simetric rotațional, orientarea de ieșire a fasciculului poate fi importantă pentru aplicație.
Raportul de expansiune
Expansoarele și reductoarele de fascicul sunt proiectate să accepte și să furnizeze grinzi colimate. Deși fasciculele sunt colimate, diametrele lor se modifică pe măsură ce se propagă din cauza efectelor difracției. În mod ideal, talia fasciculului de intrare este poziționată la o distanță focală de lentila de intrare, așa cum se arată în figurile 1 și 2. Talia fasciculului de ieșire este apoi la o distanță focală de lentila de ieșire. Dacă talia fasciculului de intrare nu este la o distanță focală de lentila de intrare, locația taliei fasciculului de ieșire, diametrul taliei fasciculului de ieșire și/sau divergența fasciculului de ieșire pot să nu se potrivească cu valorile estimate.
Atât diametrul taliei grinzii (2Wo) și unghiul de divergență (θ) sunt afectate de expansoare și reductoare de fascicul. Modificarea acestor doi parametri ai fasciculului poate fi estimată utilizând raportul de expansiune a fasciculului al dispozitivului (m). Diametrul taliei fasciculului de ieșire este calculat prin înmulțirea raportului de expansiune a fasciculului și diametrul fasciculului de intrare. Unghiul de divergență al fasciculului de ieșire este calculat împărțind unghiul de divergență al fasciculului de intrare la raportul de expansiune al fasciculului.
Când dispozitivul include două lentile, formula pentru calcularea raportului de expansiune a fasciculului este aceeași atât pentru modelele Kepleriane, cât și pentru cele galileene. Raportul de extindere a fasciculului este egal cu distanța focală a lentilei de ieșire împărțită la distanța focală a lentilei de intrare.