激光扩束镜作为一种能将准直输入光束直径扩大为更大准直输出光束的无焦光学系统，广泛应用于激光扫描、干涉测量、遥测等领域。其设计源于光学望远镜，核心特征是平行光入射后仍以平行光出射，整个系统无焦距。以下从理论基础、设计类型、性能计算、应用场景到选型指南进行全面解析。
光学望远镜主要分为折射望远镜和反射望远镜，其中折射望远镜是扩束镜设计的直接源头，可进一步分为开普勒式和伽利略式两类。
开普勒式望远镜（图 1：开普勒式望远镜结构示意图：由两个正焦距透镜组成，左侧为物镜（离物体近），右侧为成像透镜（离人眼 / 成像近），两透镜间距等于二者焦距之和，平行光线从左侧入射，经过物镜和成像透镜后仍以平行光线从右侧出射）。其物镜和成像透镜均为正焦距透镜，间距为两透镜焦距总和。
伽利略式望远镜（图 2：伽利略式望远镜结构示意图：由一个正透镜（物镜）和一个负透镜（成像透镜）组成，两透镜间距等于二者焦距总和，但因负透镜焦距为负，实际间距比开普勒式望远镜短，平行光线从左侧入射，经过两透镜后平行出射）。由正透镜（物镜）和负透镜（成像透镜）组成，间距同样为焦距总和，但因负透镜存在，实际间距短于开普勒式。
望远镜的放大倍数（MP）由物镜焦距（f₁）和目镜焦距（f₂）决定：MP = f₁/f₂。若 MP>1 则放大，MP<1 则缩小，这一关系同样适用于激光扩束镜。
激光扩束镜本质是 “颠倒使用” 的望远镜：将望远镜的物镜和成像透镜位置互换，输入准直光束经扩束后仍保持准直。根据望远镜类型，扩束镜分为开普勒式和伽利略式两种设计。
开普勒式扩束镜（图 3：开普勒式扩束镜结构示意图：准直输入光束从左侧进入物镜，在物镜和成像透镜之间汇聚形成一个明显的内部焦点（激光能量聚焦区域），随后光束通过成像透镜再次准直为输出光束；图中标注 “内部焦点”，并说明 “不利于高功率应用（可能导致空气电离、波前误差），适用于低功率应用的空间滤光（焦点处可放置空间滤光片）”）。其特点是输入光束在物镜和成像透镜之间形成内部焦点，该焦点会加热空气导致光路折射（波前误差），高功率下甚至引发空气电离，因此仅适用于低功率场景。但内部焦点可方便放置空间滤光片，故在需要空间滤波的应用中仍有价值。
伽利略式扩束镜（图 4：伽利略式扩束镜结构示意图：由正透镜和负透镜组成（物镜和成像透镜位置颠倒），准直输入光束从左侧入射，经过两透镜后直接准直输出，整个光路中无内部焦点；图中标注 “无内部焦点”，并说明 “非常适合高功率激光器应用（避免空气电离和波前误差）”）。采用正透镜 + 负透镜组合，光路中无内部焦点，可避免高功率下的空气电离和热效应问题，因此成为多数扩束镜的首选设计。
扩束镜的放大倍数（MP）可通过光束直径或发散角表示：
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MP = 输出光束直径（Dₒ）/ 输入光束直径（Dᵢ）
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MP = 输入光束发散角（θᵢ）/ 输出光束发散角（θₒ）
由此可知：输出光束发散角 θₒ随输出光束直径 Dₒ增大而减小。例如，若用扩束镜缩小光束（MP<1），则光束直径减小，但发散角增大，小光束需以大发散角为代价。
实际应用中需计算光束传播特定距离（L）后的直径，其值由输入光束直径（Dᵢ）、发散角（θᵢ）共同决定（图 5：特定工作距离下输出光束直径计算示意图：左侧为准直输入光束，标注 “输入光束直径 Dᵢ” 和 “输入光束发散角 θᵢ”；光束经过扩束镜后变为 “输出光束直径 Dₒ” 和 “输出光束发散角 θₒ”；输出光束传播 “工作距离 L” 后，在右侧形成光斑，图中用箭头和公式关系示意 “输出光束直径（工作距离 L 处）= f (Dᵢ, θᵢ, L)”）。公式为：
D(L) = Dᵢ + 2θᵢL
（注：θᵢ为半角，故乘以 2）
若使用扩束镜，代入 MP 关系可得：D(L) = Dₒ + 2θₒL = MP·Dᵢ + 2(θᵢ/MP)L，即扩束可通过增大 Dₒ和减小 θₒ，在远距离下获得更小的光斑。
光斑尺寸定义为从中心最大辐照度到强度降至 1/e² 处的径向距离（图 6：光斑尺寸定义示意图：横轴为径向距离 r，纵轴为光强 I (r)；曲线从中心 r=0 处的最大光强 I₀开始，随 r 增大而下降，在 r=ω 处光强降至 I₀/e²，图中标注 “光斑尺寸 ω：从中心到 I (r)=I₀/e² 处的径向距离”）。理想透镜的聚焦光斑尺寸由衍射和像差共同决定（图 7：聚焦光斑尺寸与输入光束直径关系曲线图：横轴为输入光束直径 D，纵轴为聚焦光斑尺寸 ω；红色曲线代表 “衍射限制”（随 D 增大而减小），蓝色曲线代表 “球差”（随 D 增大而增大）；左侧小 D 区域，红色曲线在下方（衍射主导光斑尺寸）；右侧大 D 区域，蓝色曲线在下方（球差主导光斑尺寸）；两曲线交点处标注 “衍射与球差平衡点”）：
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衍射限制：输入光束直径越大，光斑尺寸越小（ω ∝ λ/(D)，λ 为波长）；
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球差：输入光束直径越大，光斑尺寸越大。
实际应用中需平衡二者，选择最优输入光束直径。
扩束镜通过 MP² 倍增大光束面积（能量不变），降低功率密度和辐照度，可延长激光组件寿命、减少激光诱导损伤，或使用低成本镀膜 / 光学元件。
尽管直观上扩束增大了初始光束直径，但因发散角减小（θₒ=θᵢ/MP），在远距离（L）下，扩束后的光束直径（D (L)=MP・Dᵢ + 2 (θᵢ/MP) L）反而更小。例如，MP=10X、Dᵢ=1mm、θᵢ=0.5mrad、L=100m 时，扩束后光束直径比未扩束时减少 5 倍以上。
通过扩束增大输入光束直径（D），可减小衍射限制的光斑尺寸（ω ∝ 1/D），但需控制球差（避免 D 过大导致球差主导）。
可调扩束镜可补偿激光束直径的出厂允差，确保多系统中光学路径的固定光束直径。
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旋转型（如螺纹聚焦管）：结构简单、成本低，但光学元件旋转易导致光束漂移（图 8：旋转对焦机制导致光束漂移示意图：左图为旋转前，光学元件光轴与系统光轴重合，光束直线传播；右图为旋转后，透镜旋转使光轴偏移，光束传播方向偏移，标注 “光束漂移方向”）。
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滑动型（如螺旋筒）：光学元件平移无旋转，光束稳定性高，但结构复杂、成本高。
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开普勒式：有内部焦点，支持空间滤波，但高功率下易电离空气或产生波前误差，适用于低功率滤波场景。
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伽利略式：无内部焦点，避免高功率问题，为多数应用首选。
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透射式：常用透镜设计，成本低，但存在色差（放大率与波长相关），适用于单一波长激光。
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反射式（图 9：反射式扩束镜结构示意图：采用曲面反射镜（如凹面镜 + 凸面镜）扩展光束，入射光经反射后准直输出；侧面设集成安装孔，标注 “曲面反射镜”“安装孔”）：无透镜，无色差，适用于宽带 / 多波长激光（如超快激光器、量子级联激光器），但结构复杂、成本高。
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1x-8x 可调扩束镜：高功率系统专用（355nm/1030-1080nm），衍射极限画质，全石英材质耐高功率。
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Steadfast 1x-4x 可调扩束镜：熔融石英系统，机械稳定性高（光束稳定性 < 1 毫弧度），支持设置锁定。
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2x-10x 可调扩束镜：大变焦范围，适用于需极大扩展光束直径的场景。
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1x-8x 电动扩束镜：软件控制放大倍数（1x-8x），支持动态调整光斑尺寸和发散角，适配 3D 加工。