激光扩束系统是激光应用的“标配组件”——小到激光笔准直，大到激光雷达测距，都需要它来扩大光斑或压缩发散角。但设计时很容易踩坑：比如选错构型导致高功率激光烧元件，或入瞳尺寸算错浪费能量。本文从原理讲起，结合905nm激光雷达的实战案例，教你一步步设计出满足需求的扩束系统，同时避开关键误区。

一、先理清：扩束系统的“本质”与“两种选择”

激光扩束系统不是简单的“放大镜”，它的核心是无焦光学系统——物方和像方都是平行光，没有实际焦点，这是设计的根本前提。在此基础上，有两种经典构型，选对了能少走很多弯路。

1. 核心原理：无焦系统的“两大作用”

• 扩大光斑尺寸：比如激光雷达的发射端，把小光斑扩成大光斑，能减少远距离传输时的能量损耗，让探测更远；

• 压缩发散角度：激光天生有发散性，通过扩束系统，能让光束更“准直”，比如激光切割时，准直的光束能保证切割精度。

设计时必须抓住三个关键参数：

• 激光波长：决定材料选择（比如905nm近红外激光，要选低吸收的熔融石英）；

• 扩束比：即“扩束后光斑尺寸/原光斑尺寸”（或“原发散角/扩束后发散角”），比如8倍扩束，就是把4mm光斑扩成32mm；

• 光斑能量覆盖：激光是高斯分布，能量集中在中心，设计要确保覆盖98%以上能量，避免浪费。

2. 构型选择：开普勒型vs伽利略型，别选错

两种构型的差异直接影响适用场景，选错了可能导致系统失效，比如高功率激光用开普勒型会烧元件。具体对比见下表：

构型 透镜组合 核心优势 核心劣势 适用场景 

开普勒型 两个正透镜（前短焦，后长焦） 1. 有实际焦点，可在焦点加光阑，抑制杂散光；2. 光斑质量高，无畸变 焦点处能量集中，高功率激光会产生高温，烧损元件 低功率、高精度场景（如激光干涉仪、精密测量） 

伽利略型 一负一正透镜（前负透镜，后正透镜） 1. 无实际焦点，能量不汇聚，不怕高温；2. 结构紧凑，体积小，方便集成 无法加光阑，杂散光抑制能力弱 高功率场景（如激光切割、激光雷达发射端） 

简单说：低功率看精度选开普勒，高功率防烧元件选伽利略。

二、关键计算：入瞳尺寸怎么定？别浪费能量

激光光斑是高斯分布，能量不是集中在一个“点”上，而是从中心向外逐渐减弱。设计入瞳直径（扩束系统的“入口”尺寸）时，要在“覆盖能量”和“元件成本”间找平衡。

1. 先懂高斯光斑的“能量分布规律”

• 束腰直径：激光最细的地方叫“束腰”，束腰半径w_0是“振幅降至中心1/e（强度1/e²）”的半径，束腰直径就是2w_0；

• 能量覆盖计算：根据高斯强度公式I(r) = I_0 × e^{(-2r²/w₀²)}，能算出不同半径对应的能量占比：

• r=1.5w_0（半径1.5倍束腰）：能量覆盖98.89%，接近99%；

• r=2w_0（半径2倍束腰）：能量覆盖99.97%，几乎全覆盖。

2. 入瞳直径的“工程取值”：1.5倍束腰直径

如果按2w_0设计入瞳，虽然能量覆盖全，但元件尺寸会变大，成本飙升；按1.5w_0设计，既能覆盖98%以上能量（满足绝大多数场景），又能控制成本。

示例：若激光束腰半径w_0=2mm（束腰直径4mm），入瞳直径就设为1.5×4=6mm。

千万别直接用束腰直径当入瞳尺寸（比如4mm束腰用4mm入瞳），会丢失边缘20%左右的能量，导致系统性能下降。

三、实战案例：905nm激光雷达扩束系统（8倍扩束）

激光雷达的发射端常用905nm近红外激光，要求8倍扩束、高功率耐受，所以选伽利略型构型。以下是ZEMAX中的5步设计流程，照着做就能落地。

1. 第一步：系统参数初始化（搭好“基础框架”）

打开ZEMAX，先在“系统资源管理器”里设置基础参数，这一步错了后续全错：

• 孔径类型：选“入瞳直径”，值设为6mm（按1.5倍束腰直径算的，束腰直径4mm）；

• 波长：添加905nm，设为主波长（激光雷达专用波长）；

• 视场：半视场0.0573°（原发散角2mrad，换算公式：1rad≈57.3°，2mrad≈0.1146°，半视场是0.0573°）；

• 像空间：必须勾选“无焦像空间”（符合扩束系统无焦特性，不然会出现焦点）。

2. 第二步：搭初始结构（放好“透镜骨架”）

在“镜头数据编辑器（LDE）”里，按伽利略型构型放两片透镜（材料选熔融石英SILICA，低吸收耐高功率），初始参数如下表：

表面序号 表面类型 曲率半径 厚度（mm） 材料 说明 

0 物面 无限 无限 - 激光入射端（束腰位置，平行光进来） 

1 光阑 无限 10.0 - 入瞳位置，离第一片透镜10mm，方便装调 

2 标准面 无限 3.0 SILICA 第一片：负透镜（后续优化成负曲率） 

3 标准面 无限 15.0 - 两透镜间初始空气间隔，后续可优化 

4 标准面 无限 5.0 SILICA 第二片：正透镜（后续优化成正曲率） 

5 标准面 无限 10.0 - 第二片到像面的间隔 

6 像面 无限 - - 激光出射端（平行光出去） 

初始结构的曲率半径设为“无限”（平面），是为了后续优化时更灵活，不用受初始曲率限制。

3. 第三步：写评价函数（定“优化目标”）

无焦系统没有焦点，不能用点列图评价，必须以“波前差”为核心写评价函数，确保出射光平整、准直：

1. 默认波前评价：通过“优化向导”生成，选“RMS波前差”，采样方式设“高斯求积3环6臂”（兼顾精度和速度），参考点选“质心”；

2. 加自定义操作数（关键！）：

• OPDX：控制不同视场、光瞳位置的光程差，目标0，确保波前平整；

• REAY：在像面（表面6）设零视场光高，目标24mm（6mm入瞳×8倍扩束，确保光斑尺寸达标）；

• RAID：控制零视场光线准直角度，目标0，确保出射光是严格平行光。

4. 第四步：设边界条件（防“造不出来”）

优化时如果不设限制，可能会出现“透镜太薄易碎”或“间隔太大装不下”的问题，所以要加边界条件：

• 第一片透镜（表面2）：中心厚度MNCG=1mm（最小，防止太薄碎）、MXCG=3mm（最大，控制体积）；

• 第二片透镜（表面4）：中心厚度MNCG=6mm（最小）、MXCG=10mm（最大）；

• 空气间隔（表面3）：MNCA=15mm（最小）、MXCA=100mm（最大），后续优化后锁定为160mm（平衡体积和波前质量）。

5. 第五步：优化与结果验证（出“最终方案”）

1. 设变量：在LDE里勾选两片透镜的“曲率半径”“厚度”和“空气间隔”为变量；

2. 执行优化：先跑“局部优化”让参数快速收敛，再用“Hammer优化”突破局部最小值，避免陷入差方案；

3. 优化结果（示例）：

表面序号 曲率半径（mm） 厚度（mm） 材料 

2 -6.01091（负透镜） 3.00026 SILICA 

3 -13.02249 160.00008 - 

4 568.51517（正透镜） 10.00006 SILICA 

5 -105.91398 10.00000 - 

    此时波前质量：905nm波长下，PV（峰谷值）=0.3034波，RMS=0.0550波，远优于行业一般要求（PV<0.5波），满足激光雷达使用。

四、避坑指南：4个最容易犯的错误

1. 材料选错：高功率激光用普通玻璃（如K9），会因吸收过高发热炸裂，必须选低吸收材料（如熔融石英SILICA）；

2. 入瞳尺寸算错：直接用束腰直径当入瞳，丢失边缘能量，记住按“1.5倍束腰直径”设计；

3. 构型用错：高功率场景用开普勒型，焦点处能量集中烧元件，要选伽利略型；

4. 忘了验证无焦特性：优化后不看像方光线是否平行，导致出射光有发散，要用RAID操作数或3D布局图检查，确保光线平行。

五、总结：设计的“核心逻辑”

1. 先定构型：按功率选伽利略（高功率）或开普勒（低功率高精度）；

2. 再算尺寸：入瞳直径=1.5倍束腰直径，平衡能量与成本；

3. 优化关键：以波前差为目标，加边界条件防不可制造；

4. 最后验证：检查无焦特性，确保出射光平行。

掌握这套方法，不管是激光雷达、激光切割还是精密测量，都能快速设计出满足需求的激光扩束系统，再也不用为参数设置和构型选择头疼。

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