Dimensione um expansor de feixe afocal e estime a redução da divergência.
Projeto do expansor de feixe
Informe o feixe de entrada, a ampliação desejada, a divergência e o módulo da distância focal da primeira lente.
Sobre os expansores de feixe laser
Um expansor de feixe laser é um sistema óptico afocal que aumenta o diâmetro do feixe enquanto reduz a divergência angular. Normalmente utiliza duas lentes dispostas como em um telescópio. O fator de expansão, também chamado de ampliação, é o diâmetro do feixe de saída dividido pelo de entrada. Em um sistema ideal, também equivale à razão entre os módulos das distâncias focais da segunda e da primeira lente. Um expansor de cinco vezes transforma um feixe de entrada de 2 mm em um feixe de saída de 10 mm.
A conservação da étendue óptica explica a mudança correspondente na divergência. Desprezando aberrações, truncamento do feixe e difração causada por aberturas finitas, a divergência angular é dividida pelo fator de expansão. Um feixe de entrada de 1 mrad que passa por um expansor de cinco vezes sai idealmente com divergência de 0.2 mrad. Essa relação é útil na propagação a longa distância, lidar, interferometria, processamento de materiais, alinhamento e aplicações que exigem um ponto pequeno no campo distante.
Esta calculadora informa o diâmetro expandido, a divergência ideal de saída e o módulo necessário da distância focal da segunda lente. Ela aceita o módulo da primeira distância focal para aplicar o mesmo cálculo às duas configurações comuns. Um expansor kepleriano usa duas lentes positivas separadas aproximadamente pela soma de suas distâncias focais. Ele forma um foco interno, permite filtragem espacial e inverte a imagem. Um expansor galileano usa uma primeira lente negativa e uma segunda positiva, separadas aproximadamente pela diferença entre os módulos das distâncias focais. É mais curto e não possui foco interno, o que pode ser vantajoso em alta potência.
O projeto prático exige mais do que razões paraxiais. As aberturas úteis das lentes precisam de margem além do diâmetro nominal do feixe, geralmente vários raios do feixe, conforme o truncamento aceitável. Os revestimentos devem ser adequados ao comprimento de onda e à potência, e os materiais das lentes devem suportar a energia de pulso ou a intensidade contínua. Aberrações, colimação de entrada, espaçamento das lentes, qualidade do feixe e alinhamento afetam a divergência obtida. Portanto, o resultado é uma especificação inicial ideal, não uma prescrição óptica completa. Use-o para comparar fatores de expansão e pares de distâncias focais; depois confira o projeto com propagação gaussiana, análise de aberturas, limiares de dano, tolerâncias mecânicas e parâmetros medidos do feixe.
Exemplos de expansores de feixe
Diâmetro, fator, divergência, primeira distância focal
Diâmetro de saída, divergência, segunda distância focal
2 mm, 5×, 1 mrad, 20 mm
10 mm, 0.2 mrad, 100 mm
4 mm, 3×, 0.6 mrad, 50 mm
12 mm, 0.2 mrad, 150 mm
1.5 mm, 10×, 2 mrad, 15 mm
15 mm, 0.2 mrad, 150 mm
Como projetar um expansor de feixe
Informe o diâmetro do feixe incidente em milímetros.
Escolha o fator de expansão desejado.
Informe a divergência incidente em ângulo total ou semiângulo, de acordo com sua especificação.
Informe o módulo da distância focal da primeira lente e calcule as saídas ideais.
Perguntas frequentes
Como a expansão reduz a divergência?
Um telescópio afocal ideal troca diâmetro do feixe por ângulo de propagação. Aumentar o diâmetro por um fator reduz a divergência pelo mesmo fator.
Qual é a diferença entre expansores galileanos e keplerianos?
O projeto galileano começa com uma lente negativa e não tem foco interno. O kepleriano usa duas lentes positivas e forma um foco interno.
Qual deve ser o tamanho da abertura da lente?
Ela deve superar o diâmetro nominal do feixe com margem suficiente para limitar o truncamento. A margem necessária depende da definição do feixe e da perda de potência aceitável.
A expansão melhora a qualidade do feixe?
Um expansor ideal altera o diâmetro e a divergência, mas não melhora o fator de qualidade M ao quadrado. A filtragem espacial em alguns sistemas keplerianos pode limpar o perfil, mas também reduz a potência.
Por que usar o módulo da distância focal?
Nos sistemas galileanos, a primeira distância focal é negativa; nos keplerianos, é positiva. Usar módulos permite aplicar diretamente o cálculo da razão às duas configurações.