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      激光擴束鏡的參數、原理和產品選型
      材料來源:福建福晶科技股份有限公司           錄入時間:2023/9/11 20:57:54

      激光擴束鏡的參數、原理和產品選型

      激光擴束鏡能夠改變激光光束直徑、發散角和強度分布,常用于激光掃描、激光諧振腔、激光干涉測量或遙測應用中,以實現諸如降低光斑能量密度、降低特定距離下的光束直徑、減小聚焦光斑尺寸、激光束尺寸補償等功能,是激光系統中最廣泛使用的組件之一。

      圖1 福晶科技的非球面高倍率擴束鏡

      一、激光擴束鏡的參數指標

      波長:激光波長是指激光所發射出來光波的空間頻率,主要的使用單位有nm和μm。擴束鏡的波長針對所適用的激光器來設計,除非擴束鏡本身是消色差的,否則不同的波長需選用不同的擴束鏡。福晶科技的擴束鏡波段涵蓋紫外(193nm、266nm、355nm)、可見光(532nm、632.8nm)及近紅外(1030nm、1064nm、1550nm),除此之外,也有一系列適用于寬波段的擴束鏡產品。

      功率密度或能量密度:單位面積內的光學功率/能量,通常使用單位為MW/cm²或J/cm²;單位面積下功率/能量越高,功率/能量密度越大。為了防止高功率/能量密度對激光系統元件的損傷以及空氣電離,通常就會使用擴束鏡放大光斑面積以減小密度,這時就要求擴束鏡本身具有較高的損傷閾值。我司對于不同波段的擴束鏡都有高損傷閾值要求,并配備損傷測試設備測試損傷閾值。

      擴束鏡的放大倍率:由物方透鏡和像方透鏡的焦距決定:

      擴束鏡輸出的發散角:與放大倍率成反比:

      發散角是描述擴束鏡性能的重要指標之一。發散角是指光束在長距離傳播后由于衍射而相對于束腰的擴散程度。光束發散角通常有激光的半角來定義,高斯光束的發散角(θ)定義為:

      其中,λ為激光波長,ω0為激光束腰。

      二、激光擴束鏡的基本原理

      激光擴束鏡的原理與望遠鏡的原理類似,同屬于無焦系統,平行光入射光學系統,并平行光出射。激光擴束鏡可分為開普勒式和伽利略式兩種。

      開普勒式由兩片正透鏡組成,兩個透鏡的焦點重合,兩個透鏡的間隔約等于兩個透鏡的焦距之和。當準直光入射后將兩透鏡之間形成一個能量匯聚焦點,在這個焦點上設置小孔光闌,可以實現空間濾波,提高激光的品質,但在高功率應用中,可能會產生自聚焦以及空氣電離的風險。

      圖 2 開普勒式擴束鏡設計

      伽利略式結構由一個正透鏡一個負透鏡組成,兩透鏡間距為兩焦距之差。相較于開普勒式,兩個透鏡的光焦度更小,結構更加緊湊,價格也更便宜。另外,由于正負透鏡的球差效應相反,伽利略式可以減少一部分球差,更適用于大口徑以及非旋轉對稱光束。伽利略結構內部沒有聚焦點使其更適用于高功率激光應用。

      圖 3 伽利略式擴束鏡設計

      三、福晶科技激光擴束鏡的產品類型

      1. 常規產品

      福晶科技的常規擴束鏡產品類型豐富且交付周期短,如常見波段266nm、355nm、532nm和1064nm的定倍不可調光束發散角擴束鏡、定倍可調光束發散角擴束鏡、1-3X倍、2-10X倍手動變倍擴束鏡等。

      圖 4  福晶科技的變倍擴束鏡

      2. 定制產品

      福晶科技還可根據客戶的應用需求,提供定制化的光束擴束與整形的解決方案。比如高倍率擴束鏡、消色差擴束鏡、非球面擴束鏡、柱面擴束鏡、電動變倍擴束鏡、水冷擴束鏡以及勻光準直擴束鏡等等。

      1) 在3D打印機和激光掃描中使用擴束鏡時要求光斑連續可調,得益于福晶科技工程師團隊成熟的電機編程與優良的機械設計水平,公司可提供電動變倍擴束鏡與水冷變倍擴束鏡兩類產品。變倍擴束鏡能實現在固定距離內對光斑尺寸的調整;而增加水冷結構能夠減少在高功率激光下鏡片的熱效應。

      圖 5 福晶科技的電動變倍擴束鏡

      圖 6 福晶科技的水冷變倍擴束鏡

      2) 在要求光束準直的前提下需對光斑形狀做出優化,通常我們會采用柱面透鏡或者非球面透鏡方案對光斑的快慢軸尺寸進行優化。

      柱面擴束鏡方案中,柱面透鏡將擴展光束較窄的尺寸即光束慢軸,其優勢在于聚焦慢軸尺寸的同時不會放大光的正交分量。兩軸發散角與焦距的關系式為:

      圖 7  福晶科技的柱面擴束鏡

      非球面擴束鏡方案基于福晶科技具有卓越的非球面加工與光學設計能力,為勻光準直鏡的定制化提供了強有力的支持。

      圖 8 福晶科技的非球面擴束鏡

      該方案在傳統準直擴束的同時,對激光光束的能量分布進行均勻化。經勻光準直鏡后的光線強度分布均勻,光斑能量分布接近平頂光束,使其在激光雕刻與焊接中,有著不俗的表現。

      圖 9 勻光準直鏡加入前后光線的光強分布

      文章轉自:福建福晶科技股份有限公司

      注:文章版權歸原作者所有,本文僅供交流學習之用,如涉及版權等問題,請您告知,我們將及時處理。


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