Вопрос по фокусировке ИК-лазера

Минимальный размер пятна можно оценить, рассчитав перетяжку луча с помощью оптики гауссового луча ( википедия ):

$$\text{smallest spot size}= 2\omega_0=\frac{2\lambda}{\pi NA}$$

Где$\omega_0$определяется как радиус луча в точке фокуса,$\lambda = 10.4$мкм — длина волны, а числовая апертура вашей оптической системы — числовая апертура. Мы можем рассчитать NA следующим образом:

$$NA=\frac{D}{2f}$$

Где$D$= 0,25 дюйма - диаметр луча и фокусное расстояние линзы.$f$= 2,5 дюйма или 5 дюймов. Так$NA$= 0,05 или 0,025 соответственно.

Это означает наименьший размер пятна$2w_0$= 132 мкм = 0,0052 дюйма для объектива 2,5 дюйма и 265 мкм = 0,0104 дюйма для объектива 5 дюймов. Я бы сказал, что ваш поставщик примерно прав, 0,009 дюйма, которого вы достигли, близко к физическому пределу. Несколько замечаний:

• вы должны использовать 2,5-дюймовый объектив, это должно дать вам меньший фокус (но обычно меньшее фокусное расстояние дает более высокие аберрации, что подводит нас к следующему пункту)
• точный профиль лазерного луча очень важен. Является ли ваш луч гауссовым? Аберрации в луче искажают форму точки фокусировки и могут увеличить размер пятна.
• вы не упомянули свое определение диаметра луча, это наука сама по себе: википедия . Если вы хотите, чтобы ваша оптическая система была последней каплей, эти вещи становятся важными.

Да, это возможно. 0,009" = 228$\mu$m примерно в 20 раз больше, чем длина волны вашего (я предполагаю) CO2-лазера. Так. Теоретически вы можете сосредоточиться гораздо сильнее.

Однако есть некоторые практические вопросы. Я совсем не знаком со спецификой инструментов для лазерной резки, но вот некоторые общие моменты, о которых стоит подумать:

Чтобы сфокусироваться точнее, вам нужна более высокая числовая апертура (NA) с относительно чистым лазерным лучом с хорошими характеристиками. Если лазерный луч попадает в объектив со всех сторон, он не будет хорошо фокусироваться. Если ваш луч хорошо коллимирован, даже если профиль выглядит скверно, вы сможете хорошо сфокусироваться. Если у вас много диффузного рассеяния и т. д., вы можете очистить коллимацию, используя пространственный фильтр за счет мощности лазера.

Следующим шагом является улучшение вашей АН. В основном это означает получение объектива с более коротким фокусным расстоянием. Если вы не используете весь диаметр своей линзы, вы также можете улучшить фокусировку, увеличив размер луча с помощью телескопа (сделанного из двух линз ZnSe) перед фокусировкой (вопреки интуиции, это сделает вашу точку фокусировки меньше). Это, вероятно, больше проблем, чем пользы, если у вас уже нет большой оптики и малого диаметра луча, хотя, поскольку ваш луч относительно мал, вы можете подумать об этом.

Проблемы с использованием объектива с меньшим фокусным расстоянием включают:

(A) Более короткое рабочее расстояние (расстояние между объективом и поверхностью цели). Чтобы значительно уменьшить размер пятна, вам придется использовать рабочие расстояния в миллиметровом диапазоне. Если все, что вы ищете, это коэффициент 2, то в основном ваш размер пятна будет масштабироваться с фокусным расстоянием. Я не уверен, что это сработает в вашем инструменте, но если вы можете приблизить поверхность, то обязательно попробуйте.

(Б) Повреждение объектива. При очень жесткой фокусировке луч начинает значительно фокусироваться еще до того, как покинет материал линзы. Если интенсивность света превысит порог повреждения линзы, у вас, очевидно, возникнут проблемы. Будет ли это проблемой, зависит от деталей вашей настройки. Вы можете смягчить эту проблему, используя плосковыпуклую линзу «назад» (с изогнутой стороной к фокусу), но это может быть необязательно, и это добавит аберрации.

(C) Толщина линзы. Чем короче фокусное расстояние, тем толще линза. Это может быть (незначительной) проблемой, если крепление объектива вашего инструмента несовместимо.

Кроме того, вы хотите убедиться, что в фокусе нет других аберраций из-за смещения или сферической аберрации. Я рекомендую использовать асферические линзы, если вы пытаетесь получить точную фокусировку.

Наконец, в зависимости от того, насколько хорошо режется ваш материал, более жесткий фокус может быть спорным вопросом. Если шероховатость края реза порядка ширины фокуса лазера, то уменьшение фокуса все равно не даст вам более узкую линию.

Надеюсь это поможет!