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定制激光打标机扩束镜的问题


文章来源:龙泰激光  发布者:柯  发表时间:2019-11-03 18:54  浏览次数:


 激光切割机

扩束镜通常用于激光打标机激光切割机、激光焊接机等设备中,准直光进入系统,通过扩束镜扩大为更大的准直光束输出。现在虽然有很多现货扩束镜可供选用,但有时这些标准扩束镜可能无法满足客户的应用需求。 定制款扩束镜可以灵活地根据您的具体应用规格进行设计,而使用现货光学镜片可以缩短从设计到原型制造的时间。此外,当您准备投入量产时,使用光学镜片可助您迅速扩大产量。
 
在选择部件组建扩束镜之前,有一些要求需要考虑,包括系统成本,机械尺寸约束条件和系统性能。建议您在开始前,分配每个需求的优先级。列出您的要求,您会发现在组建特定应用时,或多或少需要考虑下列事项。
当您考虑系统成本时,最重要的是实现成本和性能之间的平衡。镜片的材料,镜片尺寸的大小,光学镀膜以及光学件安装座的参数等都影响成本和性能。N-BK7材质,由于其波长范围宽,成本低,是一种比较理想的材料,但是对于高功率的激光来说,不太适合。而熔融石英,由于其低热膨胀系数和高激光损伤阈值,适用于高标准的应用。如果一个扩束镜要在各种波长下使用,应考虑色差的影响。例如,N-SF11和N-BK7在小波长范围内拥有消色差功能。在确定透镜是否适合用于扩束镜时,请务必检查所选材料。
通常,扩束镜需要在一个有限的空间进行装配,所以扩束镜的总体直径和长度以及连接螺纹会受到限定。有一点需要注意,较大的入射光束和较大的倍数,需要较大的扩束镜,这需要更大直径(和更昂贵)的光学件和更大的金属外壳。
另外,某些设计可能需要用扩束镜来调整光束发散。 那么建议把小目镜放在一个可以通过螺纹前后移动的装置里,这样可以通过旋动螺纹来调整目镜与物镜之间的距离,实现对发散角的调整。
在设计扩束镜之前,请注意系统性能要求。 一、扩束镜是用于什么波长或者某个波长范围,常见波长(如532nm、1064nm)和单一波长(不是一个宽波长范围的光)的扩束镜比较好找到适合的镜片,而宽波段或者几个波段范围需要照顾的话,就比较难找到合适的镜片;二、目镜要满足输入光斑的大小,物镜的通光孔径要大于输入光斑大小与倍数的乘积;三、对整个扩束镜要求透过率达到多少?最小可接受透射率是多少? 所以一般要找已经镀膜好需求波长增透膜的镜片,没有镀膜的镜片就必然透过率会低很多。
 我们很难在不影响其他参数的情况下调整另一个参数。例如,选择不同的透镜组来改善波前质量,可能会增加系统成本或影响整个系统尺寸。还有一点需要注意,增加输入光束直径对透射波前的质量具有指数效应,因此,更大的输入光束就更难以设计。还需注意组件的公差 - 公差越严,系统就越昂贵。总之整个扩束镜的设计就是一个取舍的过程,鱼和熊掌不可兼得。尺寸、价格、性能是要求一个平衡。
选开普勒设计还是伽利略设计的扩束镜
开普勒设计具有更长的系统长度,以及内部聚焦;而伽利略设计更短小,并且没有内部焦点。
开普勒扩束镜设计具有一个中间焦平面。这使得其相较伽利略设计,既有优势又有劣势。在高功率下,焦平面是一个明显的缺点,因为空气会离子化,从而减少能量传输,还可能会产生有害的能量水平。但是开普勒设计也有一个优点,即低功率下,焦平面是放置空间滤光片的理想位置,可以轻松有效的去除无用光束。在放大倍率相同的情况下,伽利略设计通常比开普勒设计短。简单一点说,就是伽利略设计比开普勒设计更适合我们激光行业。一般情况下,我们都建议使用伽利略设计来做扩束镜。
通用伽利略扩束镜设计要素
伽利略扩束镜的放大倍数由以下公式确定。
(1)
放大率=f1f2" role="presentation" style="box-sizing: border-box; display: inline-block; line-height: 0; font-size: 17.55px; word-wrap: normal; word-spacing: normal; float: none; direction: ltr; max-width: none; max-height: none; min-width: 0px; min-height: 0px; border-width: 0px; border-style: initial; border-color: initial; padding-top: 1px; padding-bottom: 1px;">放大率
=
f
1
f
2
放大率=f1f2
(2)
光学轨道长度=f1+f2" role="presentation" style="box-sizing: border-box; display: inline-block; line-height: 0; font-size: 17.55px; word-wrap: normal; word-spacing: normal; float: none; direction: ltr; max-width: none; max-height: none; min-width: 0px; min-height: 0px; border-width: 0px; border-style: initial; border-color: initial; padding-top: 1px; padding-bottom: 1px;">光学轨道长度
=
f
1
+
f
2
光学轨道长度=f1+f2
其中f1是正透镜的焦距,f2是负透镜的焦距。使用现货光学件可以使设计变得更加简单,只需选择满足放大倍数要求(公式1)而不超过系统长度要求(公式2)的正透镜和负透镜即可。这两个方程是一阶方程,透镜厚度和焦点优化将使得最终结果和理想值之间有轻微偏差。
在选择时您还需要考虑透镜的通光孔径,因为负透镜必须足够大,以容纳输入光束,而正透镜也须足够大,使得输出放大光束不产生渐晕。
例如,3mm输入光束射入5倍放大系统中,10mm直径的正透镜将导致渐晕,因为输出光束的直径为15mm。那么物镜必须大约在20mm以上,保证在用螺纹环压住镜片后还能保证15mm激光的输出,并且不产生渐晕。
设计5倍伽利略扩束镜
假设一个应用需要您设计一个系统长度不超过75mm的5倍1064nm扩束镜。您需要用到两个单片伽利略透镜,我们目镜的焦距选项有:-6mm,-9mm,-12mm、-15mm,-20mm、-25mm;物镜的焦距选项有:30mm、45mm、60mm,75mm,100mm,125mm。以下是可行的现货透镜组合:-6mm和30mm,-9mm和45mm,-12mm和60mm,以及-15mm和75mm。请注意,-25mm /125mm,-20mm /100mm组合无法满足系统长度小于75mm的要求。虽然-18mm /90mm组合原则上可以满足要求,但是,很可能由于系统的金属部分以及实际透镜厚度的增加,使得系统超过要求的长度。
在由两个单片透镜组成的伽利略扩束镜设计中,波前质量将随着光学轨道的增加而增加。换句话说,-20mm和100mm透镜组合将具有比-6mm和30mm组合更好的波前质量。 此外,使用带有平表面(例如平凸或平凹)的透镜相对于两个表面均为曲面的透镜,有更好的波前质量。换句话说:双凹的小目镜没有平凹的小目镜效果好,双凸的物镜没有平凸的物镜好。 如果使用平面透镜和伽利略设计,将平面朝向输入光束方向,就可以平衡球面像差,从而改善波前质量。换句话说,装配扩束镜的镜片的时候,镜片平的一面朝激光来的方向。 然而,如果您使用高功率激光器,即使透镜镀有增透膜,来自第一个平面的反射也可能会损坏激光器。换句话说,就是两片镜片都要镀有增透膜。

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