почему именно объектив, а не расширитель пучка на паре стоковых дублетов?
Вы говорите про другую оптическую схему.
@Aleksandr_garage118 упомянул, что использует обычный, неколлимированный диод: "расходимость у него 28х12 градусов". Объектив нужен для коллимации излучения (в виде вторичной оптики рядом с самом диодом, либо отдельной деталью), затем, если остаточная расходимость из-за аберраций и углового размера зоны излучения ещё слишком велика – добавляем расширитель.
Если используется лазер, генерирующий луч с достаточно малой расходимостью – можно (но не нужно) обойтись и без вторичной оптики. А если лазер излучает в волокно – тот тут уже на выходе ставится коллиматор, т.к. торец волокна для формирующей оптики воспринимается так же, как и светящийся pn-переход диода.
почему объектив на лазере меньше, чем на детекторе?
Я написал так: фокусное расстояние объектива приёмного канала должно быть меньше, чем у объектива излучательного (чтобы угловое поле было больше). Александр собирает макет без юстировочного оборудования. Чем больше поле зрения приёмного канала – тем легче будет попасть в него лазерным лучом, особенно с учётом параллакса до стены на коротком расстоянии.
А в серьёзных дальномерах поле зрения приёмного канала раза в ~3 шире, чем расходимость лазерного луча. Это допуск на юстировку и сбор энергии с "хвостов" Гаусса.
Один - как раз тоже дальномер. И если с электроникой понятно, то вот с оптикой... ну есть импульсный лазерный диод 905 нм (только расходимость у него 28х12 градусов), есть лавинный фотодиод с фильтром
Зависит, на какую дальность планируете работать. Покупная оптика настоящий дальномер не сделает, но прототип, работающий на условные 5-10 метров – запросто (если мы про TOF, а не фазовый. Не уверен, что фазовый получится на большую дальность с магазинной оптикой).
Поставьте перед лазерным диодом относительно длиннофокусный объектив*, а перед лавинником – объектив с фокусным поменьше, и прототип будет работоспособен. Но чтобы он заработал на самом деле, надо правильно его съюстировать:
Поместить оба диода в фокальные плоскости объективов
Спараллелить оптические оси обоих каналов, чтобы угловые поля перекрывались
Вряд ли у вас это получится без специального оборудования. Разве что случайно попадёте.
*примечание
Желательно, чтобы задняя апертура при максимально открытой диафрагме не была сильно меньше 0,5, ибо у вас наибольший угол расходимости 28°. Чтобы слишком много световой энергии излучателя не терять. Однако, чем длиннее фокусное расстояние объектива – тем лучше.
В теории все классно, но на практике лазер светит прямоугольником
Формирователи лазерного излучения (те же пи-шейперы) достаточно дорогие – там или асферика, или 6-8 линз. В дешёвых гравёрах более простые, но потому и менее качественные фокусёры.
В статье про реверс-анализ, то есть конкретно по китайскому дальномеру - чистая теория.
Если про изготовление линз в целом, то все производители сложных оптических изделий изготавливают кастомную оптику под себя. Не всегда сами шлифуют/полируют, чаще отдают на аутсорс - но изготавливают.
Из покупных линз невозможно собрать сложную оптическую схему. Потому либо покупают готовые крупные комбинации линз (объективы, окуляры) - либо, если оптический прибор невозможно собрать на таких готовых узлах - считают оптику и конструируют механику. Промежуточных стадий нет.
Это широко распространённое заблуждение: "Почему электронщики собирают схемы на покупных транзисторах/резисторах, а оптики не собирают объективы на покупных линзах?". Потому что объектив - система, которая работает как сумма всех линз конкретно друг с другом. Объектив без одной линзы бесполезен, одна линза вне своего объектива - бесполезна.
Оптическая схема - как часы. Нельзя накупить готовых шестерней на алиэкспрессе и собрать из них часовой механизм. Подробнее об этом написал в этом разделе второй статьи.
Покупные линзы с алиэкспресса, торлабса, эдмунда, станды и т. д. - они не для создания оптических приборов. У них два назначения:
лабораторное оборудование (физика, моделирование, прототипирования)
оптика для лазеров (параллельные пучки и монохром позволяют собирать прототипы на покупном стекле). Но даже в лазерах при серьёзной разработке заказывают оптический расчёт.
Фильтры, светоделители, защитные окна и т.д. могут использоваться покупные (и активно используются, если оптическое покрытие соответствует рабочему спектральному диапазону) - а вот линзы нет.
Предвидя ответ, спрошу, можно ли сделать хорошее из китайских линз с Али?
Смотря что сделать. Схему для прототипирования научной установке на лазерах - да. Микроскоп - да. Объектив - нет. Водораздел - можно ли собрать схему из полностью покупных узлов.
Если вы про триппель-призму, то технически это два уголковых отражателя. Ошибка отражения луча в триппеле зависит от остаточной ошибки положения граней, то есть от качества изготовления самой триппель-призмы. А в пространстве можно вертеть как хочешь (в разумных пределах).
Триппель-призмы бывают не только как на картинке выше (с отражением на 180°), этот принцип можно использовать в любых призмах. Например, классическая пентапризма (уголковый отражатель из стекла) нечувствителен к ошибке по повороту.
Про стереодальномер и принципы его нерасстраиваемости (и компенсации оставшихся ошибок), можно прочитать у Чуриловского на стр. 431, в главе Стереоскопический дальномер.
Скрытый текст
В.Н. Чуриловский, Теория оптических приборов, 1966 – фундаментальное пособие по прикладной оптике
мы знаем интенсивность подсветки, нужную для приемника на предельной дистанции и максимальную мощность лазера (чтобы попасть в нужный класс безопасности) -> из них считаем нужный размер пятна на предельной дистанции -> из него считаем расходимость и выходной диаметр пучка. Это так или не совсем?
Единственно правильного подхода в расчётной оптике нет, это не математика. Но моё мнение такое: поскольку дальности работы большие (мы же считаем предельно необходимые значения), то диаметром пятна на выходе из дальномера можно пренебречь, ибо размер пятна на цели значительно больше (да и пятно не имеет чёткой границы, там же эти окологауссовые хвосты). Потому я считаю, что диаметр пятна на выходе не важен, важна только расходимость луча.
Я бы к методике добавил учёт непрозрачности атмосферы, альбедо цели и держал в уме, что отражающая поверхность может располагаться под углом.
Хм, мне казалось, что на пучки с изначально плохим М2 (что у лазерных диодов сплошь и рядом) небольшие сферические аберрации влияют довольно слабо. Разве это не так?
Я рассуждал так: коллимированный пучок после диода монохромный, [практически] параллельный и идёт вдоль оптической оси, соответственно, из всех аберраций третьего порядка влияние оказывает фактически только сферическая. Потому и устранял её - больше нечего :) С приёмным каналом - то же самое (его рабочее угловое поле пренебрежимо мало).
Сферическая аберрация, строго говоря, не про фокусировку в точку (все аберрации нарушают такую фокусировку), а про то, что лучи преломляются по-разному в зависимости от расстояния до оптической оси. А для сохранения параллельности надо стремиться, чтобы на выходном зрачке системы для любого расстояния от оптической оси лучи были параллельными.
Статье так-то года три (решил перенести на хабру только сейчас), и всех нюансов расчёта я уже не помню, но вроде бы я старался частично компенсировать расходимость луча остаточной сферической аберрацией расширителя, чтобы на выходе итоговая расходимость оставалась в допуске.
Спасибо, ценное замечание. Но про термоувод на целых 50 мкм я никогда не слышал. Всё, что я встречал, было на порядок меньше.
Мы для другого проекта как раз проводили измерение сдвига длины волны в зависимости от времени работы (=нагрева, ибо был мощный диод в массивном радиаторе с вентиляторным охлаждением) - увод был не более 5 мкм.
Первый спектрометр:
Второй спектрометр:
Если вы встречали термоувод длины волны на 50 нм - расскажите, реально интересно.
Вопрос не очень понял. Статья про дальномер, а вопрос про [лазерную] рулетку. Лазерная рулетка - это тоже оптический дальномер, но дешёвый и с короткой дистанцией работы. Разные "весовые категории" приборов. Вы же не спрашиваете водителей КАМАЗов, чем их не устраивает "Ока".
Консольное крепление линзы смущало всех, кто его видел :)
По вибрации - не думаю, что будет, всё же герметик твёрдый. а масса и плечо у линзы маленькое. А вот какая центрировка у такой оптической системы - вопрос хороший.
Я смотрел формы пучков дешёвых дальномеров - они все разные иногда очень аляпистые, что свидетельствует о грубых дефектах оптической схемы: децентрировка, астигматизм и т.д.
Тут уже написали, что для микронных измерений используются другие приборы - оптиметры, интерферометры и тд. Точность дальномеров - фазовые и геодезические - миллиметры, мощные TOF дальномеры - иногда метры. Каждый производитель публикует точность дальномера.
На больших дистанциях вступают в силу всякие другие эффекты - например, атмосферная рефракция, когда свет идёт не по геометрической прямой. Микроны и даже миллиметры в таких условиях не измерить :)
На производстве слышал про подобный случай. В фокусёр станка лазерной резки каким-то образом попала пыль, осела на поверхность линзы - и та в итоге то ли треснула, то ли поверхность расплавилась (сам не видел, говорю со слов человека, который чинил).
А это специально так надо выбирать оптику и схему, чтобы потом готовое изделие на герметике можно было собрать и оно ещё и работало бы при этом?
Учитывая инженерный стиль китайцев, готов поручиться, что они не думали об этом. Скорее, они выбрали что-то вроде "При хорошей сборке дальномер работает на 3 километра, при кривой, но дешёвой - на 2. Делаем что дешевле".
Есть схемы, более устойчивые к кривой сборке?
Да, есть группа принципиально нерасстраиваемых оптических элементов и систем, когда не только погрешности сборки, но и грубые отклонения в положении не влияют на работу. Самый известный пример - триппель-призма, которая отражает лучи на 180° при любом положении. Кстати, часто применяется в геодезии как раз для работы с паре с лазерными дальномерами. В тахеометр мощный дальномер не вставить - нет места. Вместо этого ставят слабые дальномеры, а на вешку цепляют триппель-призму.
Триппель-призма
Из более сложных оптических систем - бинокулярные стереодальномеры, оптика в которых не расстраивалась даже при провисании труб под воздействием собственного веса и терморасширения, когда сверху на трубу светит солнышко.
Стереодальномер морской ДМ-6 со стереоскопической базой 6 метров
Потому что в контексте оптики для лазерных излучателей сферическая аберрация дополнительно увеличивает расходимость лазерного луча и снижает предельную дальность работы дальномера. Сферическая аберрация никак не зависит от формы самого лазерного луча и одинаково портит луч с любой формой сечения.
Излучатель для дальномера выбирается по требуемым для работы характеристикам (мощность, расходимость, предельная частота импульсов, длина волны, габаритные размеры и т.д.). Диаметр луча не входит в этот список, это следствие конструкции конкретного излучателя. Его учитывают, под него считают оптику, но сам диаметр не выбирают - это не имеет смысла. Обычно чем мощнее лазер (особенно при переходе с лазерного диода на настоящий лазер), тем больше диаметр выходящего пучка (из излучателя, а не из вторичной оптики!)
У приёмного объектива нет понятия разрешения в привычном смысле, т.к. он не формирует изображение, а просто собирает отражённый свет на приёмный диод. Низкая сферическая аберрация приёмного канала позволяет собрать более плотное пятно и сделать менее строгими допуски на конструкцию, облегчить юстировку, повысить надёжность при колебании температуры и т.д.
Вопрос точности (оптических допусков) настолько сложен и обширен, что в западных оптических вакансиях (а следом уже и в российских) Tolerance Analysis часто вписывают отдельным пунктом, так как не все пользователи земакса умеют его делать. Если расчёт оптической схемы - это во многом математический алгоритм, то анализ допусков - больше про инженерный опыт и понимание конкретной оптической системы.
Для маломощного дальномера допуски можно посчитать встроенными инструментами земакса, исходя из того, какая предельная угловая расходимость допустима на выходе расширителя.
Интереснее с оптикой для мощных лазеров (например, промышленные лазеры для резки стальных листов). Если излучатель достаточно мощный , то любая царапина или постороннее включение в стекло начинает поглощать излучение и приводит к тому, что лазер сжигает сам себя (разрушает собственную фокусирующую систему). Потому оптику для мощных лазеров даже изготавливают другим способом - ГШП (глубокая шлифовка и полировка), когда толстые слои стекла с заготовки линзы долго и муторно (неделями!) снимаются полировкой на мелком абразиве, чтобы устранить невидимые приповерхностные микротрещины (трещиноватый слой).
Нет, коллиматор - это оптическая система, которая фокусирует излучение с лазерного диода в параллельный луч. Сам диод светит в довольно большом угле расходимости. Чтобы получить узконаправленный луч (проекцию pn-перехода диода на бесконечность), нужна коллимирующая оптика. В простейших излучателях типа лазерной указки это одна линза, в фокусе которой ставится лазерный диод. В излучателях дальномеров - более сложная оптика, которая собирает максимальное количество света с диода, и уже потом коллимирует световой поток.
У расширителя другая функция. Часто остаточная угловая расходимость после коллиматора всё ещё слишком большая, и тогда ставят расширитель, цель которого - уменьшить расходимость. Например, расходимость луча за коллиматором 4 мрад, а после 4× расширителя - 1 мрад (побочно увеличивая его диаметр в 4 раза, но это не изначальная цель).
Вы говорите про другую оптическую схему.
@Aleksandr_garage118 упомянул, что использует обычный, неколлимированный диод: "расходимость у него 28х12 градусов". Объектив нужен для коллимации излучения (в виде вторичной оптики рядом с самом диодом, либо отдельной деталью), затем, если остаточная расходимость из-за аберраций и углового размера зоны излучения ещё слишком велика – добавляем расширитель.
Если используется лазер, генерирующий луч с достаточно малой расходимостью – можно (но не нужно) обойтись и без вторичной оптики. А если лазер излучает в волокно – тот тут уже на выходе ставится коллиматор, т.к. торец волокна для формирующей оптики воспринимается так же, как и светящийся pn-переход диода.
Я написал так: фокусное расстояние объектива приёмного канала должно быть меньше, чем у объектива излучательного (чтобы угловое поле было больше). Александр собирает макет без юстировочного оборудования. Чем больше поле зрения приёмного канала – тем легче будет попасть в него лазерным лучом, особенно с учётом параллакса до стены на коротком расстоянии.
А в серьёзных дальномерах поле зрения приёмного канала раза в ~3 шире, чем расходимость лазерного луча. Это допуск на юстировку и сбор энергии с "хвостов" Гаусса.
Пожалуйста :)
Зависит, на какую дальность планируете работать. Покупная оптика настоящий дальномер не сделает, но прототип, работающий на условные 5-10 метров – запросто (если мы про TOF, а не фазовый. Не уверен, что фазовый получится на большую дальность с магазинной оптикой).
Поставьте перед лазерным диодом относительно длиннофокусный объектив*, а перед лавинником – объектив с фокусным поменьше, и прототип будет работоспособен. Но чтобы он заработал на самом деле, надо правильно его съюстировать:
Поместить оба диода в фокальные плоскости объективов
Спараллелить оптические оси обоих каналов, чтобы угловые поля перекрывались
Вряд ли у вас это получится без специального оборудования. Разве что случайно попадёте.
*примечание
Желательно, чтобы задняя апертура при максимально открытой диафрагме не была сильно меньше 0,5, ибо у вас наибольший угол расходимости 28°. Чтобы слишком много световой энергии излучателя не терять. Однако, чем длиннее фокусное расстояние объектива – тем лучше.
Формирователи лазерного излучения (те же пи-шейперы) достаточно дорогие – там или асферика, или 6-8 линз. В дешёвых гравёрах более простые, но потому и менее качественные фокусёры.
Спасибо)
В статье про реверс-анализ, то есть конкретно по китайскому дальномеру - чистая теория.
Если про изготовление линз в целом, то все производители сложных оптических изделий изготавливают кастомную оптику под себя. Не всегда сами шлифуют/полируют, чаще отдают на аутсорс - но изготавливают.
Из покупных линз невозможно собрать сложную оптическую схему. Потому либо покупают готовые крупные комбинации линз (объективы, окуляры) - либо, если оптический прибор невозможно собрать на таких готовых узлах - считают оптику и конструируют механику. Промежуточных стадий нет.
Это широко распространённое заблуждение: "Почему электронщики собирают схемы на покупных транзисторах/резисторах, а оптики не собирают объективы на покупных линзах?". Потому что объектив - система, которая работает как сумма всех линз конкретно друг с другом. Объектив без одной линзы бесполезен, одна линза вне своего объектива - бесполезна.
Оптическая схема - как часы. Нельзя накупить готовых шестерней на алиэкспрессе и собрать из них часовой механизм. Подробнее об этом написал в этом разделе второй статьи.
Покупные линзы с алиэкспресса, торлабса, эдмунда, станды и т. д. - они не для создания оптических приборов. У них два назначения:
лабораторное оборудование (физика, моделирование, прототипирования)
оптика для лазеров (параллельные пучки и монохром позволяют собирать прототипы на покупном стекле). Но даже в лазерах при серьёзной разработке заказывают оптический расчёт.
Фильтры, светоделители, защитные окна и т.д. могут использоваться покупные (и активно используются, если оптическое покрытие соответствует рабочему спектральному диапазону) - а вот линзы нет.
Смотря что сделать. Схему для прототипирования научной установке на лазерах - да. Микроскоп - да. Объектив - нет. Водораздел - можно ли собрать схему из полностью покупных узлов.
На ЛинкедИне сегодня картинку выложили:
Получается на дальних дистанциях вообще пятна как такового нет.
Спасибо, полезной и интересное дополнение! Не сталкивался ещё с настолько большим разбросом.
Если вы про триппель-призму, то технически это два уголковых отражателя. Ошибка отражения луча в триппеле зависит от остаточной ошибки положения граней, то есть от качества изготовления самой триппель-призмы. А в пространстве можно вертеть как хочешь (в разумных пределах).
Триппель-призмы бывают не только как на картинке выше (с отражением на 180°), этот принцип можно использовать в любых призмах. Например, классическая пентапризма (уголковый отражатель из стекла) нечувствителен к ошибке по повороту.
Про стереодальномер и принципы его нерасстраиваемости (и компенсации оставшихся ошибок), можно прочитать у Чуриловского на стр. 431, в главе Стереоскопический дальномер.
Скрытый текст
В.Н. Чуриловский, Теория оптических приборов, 1966 – фундаментальное пособие по прикладной оптике
Пожалуйста :)
Единственно правильного подхода в расчётной оптике нет, это не математика. Но моё мнение такое: поскольку дальности работы большие (мы же считаем предельно необходимые значения), то диаметром пятна на выходе из дальномера можно пренебречь, ибо размер пятна на цели значительно больше (да и пятно не имеет чёткой границы, там же эти окологауссовые хвосты). Потому я считаю, что диаметр пятна на выходе не важен, важна только расходимость луча.
Я бы к методике добавил учёт непрозрачности атмосферы, альбедо цели и держал в уме, что отражающая поверхность может располагаться под углом.
Я рассуждал так: коллимированный пучок после диода монохромный, [практически] параллельный и идёт вдоль оптической оси, соответственно, из всех аберраций третьего порядка влияние оказывает фактически только сферическая. Потому и устранял её - больше нечего :) С приёмным каналом - то же самое (его рабочее угловое поле пренебрежимо мало).
Сферическая аберрация, строго говоря, не про фокусировку в точку (все аберрации нарушают такую фокусировку), а про то, что лучи преломляются по-разному в зависимости от расстояния до оптической оси. А для сохранения параллельности надо стремиться, чтобы на выходном зрачке системы для любого расстояния от оптической оси лучи были параллельными.
Статье так-то года три (решил перенести на хабру только сейчас), и всех нюансов расчёта я уже не помню, но вроде бы я старался частично компенсировать расходимость луча остаточной сферической аберрацией расширителя, чтобы на выходе итоговая расходимость оставалась в допуске.
Ничего страшного, бывает :)
Спасибо, ценное замечание. Но про термоувод на целых 50 мкм я никогда не слышал. Всё, что я встречал, было на порядок меньше.
Мы для другого проекта как раз проводили измерение сдвига длины волны в зависимости от времени работы (=нагрева, ибо был мощный диод в массивном радиаторе с вентиляторным охлаждением) - увод был не более 5 мкм.
Первый спектрометр:
Второй спектрометр:
Если вы встречали термоувод длины волны на 50 нм - расскажите, реально интересно.
Вопрос не очень понял. Статья про дальномер, а вопрос про [лазерную] рулетку. Лазерная рулетка - это тоже оптический дальномер, но дешёвый и с короткой дистанцией работы. Разные "весовые категории" приборов. Вы же не спрашиваете водителей КАМАЗов, чем их не устраивает "Ока".
Консольное крепление линзы смущало всех, кто его видел :)
По вибрации - не думаю, что будет, всё же герметик твёрдый. а масса и плечо у линзы маленькое. А вот какая центрировка у такой оптической системы - вопрос хороший.
Я смотрел формы пучков дешёвых дальномеров - они все разные иногда очень аляпистые, что свидетельствует о грубых дефектах оптической схемы: децентрировка, астигматизм и т.д.
Микроны точно нет. Всё же это дальномер :)
Тут уже написали, что для микронных измерений используются другие приборы - оптиметры, интерферометры и тд. Точность дальномеров - фазовые и геодезические - миллиметры, мощные TOF дальномеры - иногда метры. Каждый производитель публикует точность дальномера.
На больших дистанциях вступают в силу всякие другие эффекты - например, атмосферная рефракция, когда свет идёт не по геометрической прямой. Микроны и даже миллиметры в таких условиях не измерить :)
На производстве слышал про подобный случай. В фокусёр станка лазерной резки каким-то образом попала пыль, осела на поверхность линзы - и та в итоге то ли треснула, то ли поверхность расплавилась (сам не видел, говорю со слов человека, который чинил).
Учитывая инженерный стиль китайцев, готов поручиться, что они не думали об этом. Скорее, они выбрали что-то вроде "При хорошей сборке дальномер работает на 3 километра, при кривой, но дешёвой - на 2. Делаем что дешевле".
Да, есть группа принципиально нерасстраиваемых оптических элементов и систем, когда не только погрешности сборки, но и грубые отклонения в положении не влияют на работу. Самый известный пример - триппель-призма, которая отражает лучи на 180° при любом положении. Кстати, часто применяется в геодезии как раз для работы с паре с лазерными дальномерами. В тахеометр мощный дальномер не вставить - нет места. Вместо этого ставят слабые дальномеры, а на вешку цепляют триппель-призму.
Из более сложных оптических систем - бинокулярные стереодальномеры, оптика в которых не расстраивалась даже при провисании труб под воздействием собственного веса и терморасширения, когда сверху на трубу светит солнышко.
Именно так. Из минусов - иногда плавающие параметры дальномеров, ибо физику не обманешь.
Потому что в контексте оптики для лазерных излучателей сферическая аберрация дополнительно увеличивает расходимость лазерного луча и снижает предельную дальность работы дальномера. Сферическая аберрация никак не зависит от формы самого лазерного луча и одинаково портит луч с любой формой сечения.
Излучатель для дальномера выбирается по требуемым для работы характеристикам (мощность, расходимость, предельная частота импульсов, длина волны, габаритные размеры и т.д.). Диаметр луча не входит в этот список, это следствие конструкции конкретного излучателя. Его учитывают, под него считают оптику, но сам диаметр не выбирают - это не имеет смысла. Обычно чем мощнее лазер (особенно при переходе с лазерного диода на настоящий лазер), тем больше диаметр выходящего пучка (из излучателя, а не из вторичной оптики!)
У приёмного объектива нет понятия разрешения в привычном смысле, т.к. он не формирует изображение, а просто собирает отражённый свет на приёмный диод. Низкая сферическая аберрация приёмного канала позволяет собрать более плотное пятно и сделать менее строгими допуски на конструкцию, облегчить юстировку, повысить надёжность при колебании температуры и т.д.
Вопрос точности (оптических допусков) настолько сложен и обширен, что в западных оптических вакансиях (а следом уже и в российских) Tolerance Analysis часто вписывают отдельным пунктом, так как не все пользователи земакса умеют его делать. Если расчёт оптической схемы - это во многом математический алгоритм, то анализ допусков - больше про инженерный опыт и понимание конкретной оптической системы.
Для маломощного дальномера допуски можно посчитать встроенными инструментами земакса, исходя из того, какая предельная угловая расходимость допустима на выходе расширителя.
Интереснее с оптикой для мощных лазеров (например, промышленные лазеры для резки стальных листов). Если излучатель достаточно мощный , то любая царапина или постороннее включение в стекло начинает поглощать излучение и приводит к тому, что лазер сжигает сам себя (разрушает собственную фокусирующую систему). Потому оптику для мощных лазеров даже изготавливают другим способом - ГШП (глубокая шлифовка и полировка), когда толстые слои стекла с заготовки линзы долго и муторно (неделями!) снимаются полировкой на мелком абразиве, чтобы устранить невидимые приповерхностные микротрещины (трещиноватый слой).
Нет, коллиматор - это оптическая система, которая фокусирует излучение с лазерного диода в параллельный луч. Сам диод светит в довольно большом угле расходимости. Чтобы получить узконаправленный луч (проекцию pn-перехода диода на бесконечность), нужна коллимирующая оптика. В простейших излучателях типа лазерной указки это одна линза, в фокусе которой ставится лазерный диод. В излучателях дальномеров - более сложная оптика, которая собирает максимальное количество света с диода, и уже потом коллимирует световой поток.
У расширителя другая функция. Часто остаточная угловая расходимость после коллиматора всё ещё слишком большая, и тогда ставят расширитель, цель которого - уменьшить расходимость. Например, расходимость луча за коллиматором 4 мрад, а после 4× расширителя - 1 мрад (побочно увеличивая его диаметр в 4 раза, но это не изначальная цель).