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小特讲堂 | 一文读懂激光扩束镜的匹配与安装

阅读量: 377次 2022-09-27

激光扩束镜是能够改变激光光束直径和发散角的透镜组件。从激光器发出的激光束具有一定的发散角,对于激光加工来说,只有通过扩束镜的调节使激光光束变为准直光束,才能利用聚焦镜获得细小的高功率密度光斑。


激光扩束

/ ZAMIA F8i CO2射频激光器 + 激光扩束镜 /


在激光作业过程中,使用激光扩束镜进行扩束,获得更小的光斑,得到越来越广泛的应用。



激光扩束镜和光学望远镜(折射望远镜)的原理是在本质上是相同的。我们可以简单地理解为,激光扩束镜是将物镜和成像透镜的位置颠倒过来放置的折射望远镜。因此,激光扩束镜按照透镜结构也可以分为两类:开普勒式和伽利略式。


开普勒式扩束系统由两个正焦距的透镜构成,两透镜焦点重合,分别布置在焦距之和的两个位置,靠近物体一侧的透镜叫物镜,靠近眼睛的透镜叫成像镜,在两透镜之间存在一个实像面(光线汇聚处)。


伽利略式扩束系统是由一个正透镜和一个负透镜组成,也是分布在两透镜焦距之和的位置,由于负透镜的焦距为负值,因此两透镜之间的距离相比开普勒式较短。


激光扩束镜


由于开普勒式扩束系统在两片透镜之间会形成一个能量聚焦区域,加热周围的空气,可能导致波前误差,高功率的激光器甚至导致空气电离,因此,在大部分的应用场景中,伽利略式扩束系统更被大家所青睐。


激光扩束

/ 伽 利 略 式 扩 束 系 统 示 意 图 /


但是,在一些需要改变光束质量的空间滤波的扩束系统中,由于开普勒式扩束在透镜之间存在一个放置滤光片的焦点,则通常会使用开普勒式扩束系统。


激光扩束

/ 开 普 勒 式 扩 束 系 统 示 意 图 /



在激光加工的过程中,激光加工设备聚焦光斑的计算公式为:


公式中:D为聚焦光斑的大小,f为聚焦系统的有效焦距,θ为入射激光束的全角发散角


在激光器出口和聚焦系统之间,插入m倍的扩束镜后,激光光斑将扩大m倍,相应的发散角则会变为θ/m。例如,在激光系统中加入3倍的扩束镜,聚焦光斑为D/3,为原来的1/3,明显缩小。不过,我们从公式中也不难看出,想要得到同样大小的聚焦光斑,也可以使用焦距为f/m长的的聚焦系统。那么,选用扩束镜的优势在在哪?小特将针对激光切割机和激光打标机加以分析。



激光切割机选用扩束镜的优势:


激光切割机聚焦头相对激光器出口的移动,变化范围很大,加入扩束镜后,激光光束的发散角变小,在加工范围内,入射到聚焦镜的光斑变化更小,可以得到更加均匀的加工效果。同时,激光聚焦头的工作距离长,利于保护聚焦镜。


/ ZAMIA Q150i射频激光器 - 漫反射偏光片切割 /


对于激光切割机,在匹配扩束镜时须注意以下几点:


· 扩束镜的镀膜波长和激光器的波长匹配。


· 注意扩束镜允许的入射光斑和出射光斑。激光光斑需小于入射光斑,并满足扩束后的激光光斑不大于扩束镜的出射光斑。


· 扩束后的光斑大小要和后续光路的45度反射镜匹配,并且小于聚焦镜的直径。


· 扩束后的光斑,不大于聚焦镜焦距的30%,如果光斑太大,对于平凸和弯月透镜,由于球差的影响,光斑反而会变大。


/ CO2激光 - 汽车内饰切割 /



激光打标机选用扩束镜的优势:


相比于激光切割机,激光打标机的聚焦头相对于激光器出口位置是比较固定的,但是相较于调整聚焦系统,激光打标机选用扩束镜后可以使得打标范围不会变小以及激光聚焦头的工作距离基本不变。


激光打标

/ CO2激光 - 激光打标 /


对于激光打标机系统,在匹配扩束镜时须注意以下几点:


· 是扩束镜的镀膜波长和激光器的波长匹配。


· 注意扩束镜允许的入射光斑和出射光斑。激光光斑需小于入射光斑,并满足扩束后的激光光斑不大于扩束镜的出射光斑。


· 扩束后的光斑大小要和振镜的振镜片匹配,不大于振镜片允许的最大入射光斑。


· 扩束后的光斑大小要和F-θ场镜允许的入射光斑匹配,不可大于场镜允许的最大入射光斑。


· 如果是前聚焦打标机系统,扩束后的激光光斑不大于前聚焦系统允许的入射光斑。


激光喷码

/ CO2激光 - 激光喷码 /



为了在激光作业中光斑可以得到更优质的聚焦效果,扩束镜安装的位置也尤为重要。由于CO2射频激光器内部传输光路的限制,在激光器出口位置,激光束并不是完美的基模高斯光束。以F系列射频激光器为例,激光器出口位置的光场还未达到高斯分布,因此在该位置添加扩束镜是不合适的。


CO2射频激光器

/ ZAMIA F系列CO2射频激光器 /


根据激光光束相干传输特性,激光束在空间自由传输一段距离后,将逐渐变为高斯光场分布。在光束变为高斯光场分布后,再添加扩束镜,便可以获得更优质的聚焦光斑。经实验表明,在距离F系列射频激光器出光口约为10cm外安装扩束镜,将获得更优质的聚焦光斑。


射频激光器

/ F系列射频激光器 - 扩束镜安装示意图 /


对于Q系列的激光器,因为内置的光束整形系统(点击了解),经过光束整型后输出准基模圆对称高斯光束。因此对于安装扩束镜的位置相对不那么敏感。


射频激光器

/ ZAMIA Q系列射频激光器 - 集成光束整形系统 /


而N30Pro+射频激光器提供的内置扩束镜(3/4/5倍可选),不仅为用户解决了扩束镜匹配的繁琐工序,整机装配时间提升了30%以上;还能使激光器的光束能量分布更加均匀,加工精度更高。


30W射频激光器

/ ZAMIA N30Pro+射频激光器 - 红光+内置扩束镜/


来源: 斯派特激光 | 阅读量: 377次 | 2022-09-27

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