Optyczne soczewki laserowe: typy, zastosowania i zasady robocze

Optyczne soczewki laserowe Odgryć kluczową rolę w różnych systemach laserowych. Są one zaprojektowane do manipulowania wiązkami laserowymi, niezależnie od tego, czy skupiają się, kolimacyjne, czy kształtują je do określonych zastosowań. Unikalne właściwości tych soczewek, takie jak wysoka precyzja i zdolność do obsługi wiązek laserowych o wysokiej energii, czynią je niezbędnymi komponentami we współczesnej technologii.

Rodzaje optycznych soczewek laserowych

Soczewki sferyczne

Charakterystyka: Soczewki sferyczne charakteryzują się ich mocą refrakcyjną i krzywizną ich soczewki. W zależności od tego, czy soczewka jest wypukła, czy wklęsła, mogą zbiegać lub rozbiegać promienie światła. Na przykład soczewka sferyczna Plano - wypukła jest grubsza w środku i może skupić kolimowaną wiązkę laserową do punktu.

Zastosowania: Są one powszechnie stosowane w podstawowych aplikacjach koncentrujących się na laserowej, na przykład w prostych systemach cięcia lub znakowania laserowego, w których wymagane jest stosunkowo podstawowe skupienie wiązki laserowej.

Soczewki asferyczne

Charakterystyka: Soczewki asferyczne są zaprojektowane w celu skorygowania aberracji. W świetle monochromatycznym mogą rozwiązać takie problemy, jak błędy ostrości obrazu i zniekształcenie. Są one często używane, gdy potrzebne jest bardziej precyzyjne skupienie wiązki laserowej, ponieważ mogą znacznie zmniejszyć aberrację sferyczną w porównaniu z soczewkami sferycznymi.

Zastosowania: Typowym zastosowaniem jest skupienie kolimowanej wiązki na światłowodzie. W systemach komunikacji światłowodowej soczewki asferyczne pomagają w efektywnym sprzężeniu światła laserowego z włóknem, zapewniając minimalną utratę sygnału.

Cylindryczne soczewki
​
Charakterystyka: Cylindryczne soczewki, dostępne w okrągłych i prostokątnych formach, są zaprojektowane do tworzenia linii lub rozszerzeń wiązki w jednym kierunku. Plano - Concave i Plano - wypukłe soczewki cylindryczne mogą zmienić kształt wiązki laserowej. Na przykład obiektyw cylindryczny Plano -Cwex może przekształcić okrągłą wiązkę laserową w wiązkę w kształcie linii.

Zastosowania: Są one szeroko stosowane w aplikacjach, w których wymagana jest linia wiązka laserowa, na przykład w skanowaniu laserowym czytnikom kodów kreskowych lub w niektórych technikach przetwarzania materiału, w których potrzebna jest długa, wąska wiązka laserowa do cięcia lub grawerowania w określonym kierunku.

Soczewki Axicon

Charakterystyka: Soczewki Axicon, znane również jako soczewki stożkowe lub rotacyjnie symetryczne pryzmaty, mają stożkową powierzchnię zamiast zakrzywioną, podobnie jak tradycyjne soczewki. Typowy obiektyw Aksykon ma kształt plano. Służą one do przekształcania kolimowanej wiązki laserowej w plamę w kształcie pierścienia lub linię ogniskową.

Zastosowania: W niektórych zastosowaniach medycznych, takich jak w niektórych rodzajach laserowych zabiegów chirurgicznych, soczewki Axicon można wykorzystać do stworzenia określonego wzorca dostarczania energii laserowej. Są one również wykorzystywane w niektórych konfiguracjach badań naukowych do tworzenia unikalnych wzorów światła.

Soczewki Powell

Charakterystyka: Soczewki Powell są specjalistycznymi soczewkami używanymi do przekształcania kolimowanych wiązek laserowych z rozkładami intensywności Gaussa na proste, jednolite linie. W porównaniu ze standardowymi cylindrycznymi soczewkami, które wytwarzają linie wiązki laserowej z profilem intensywności Gaussa, soczewki Powell generują linie laserowe o znacznie bardziej jednolitym rozdziale energii w liniach laserowych.

Zastosowania: Są one często stosowane w zastosowaniach przemysłowych, takich jak wymiar laserowy, w których do dokładnych pomiarów wymagana jest wysoce jednolita linia w kształcie linii.

Zasady robocze optycznych soczewek laserowych

Skupienie i kolimowanie

Skupienie: Kiedy wiązka laserowa przechodzi przez soczewkę ogniskową, taką jak soczewka Plano - wypukła, soczewki wygię promienie światła w kierunku punktu ogniskowego. Ogólna długość soczewki jest określana przez czynniki takie jak rozmiar wiązki lasera wejściowego, pożądany rozmiar miejsca i wymagana głębokość ostrości. Na przykład w laserowej maszynie do cięcia soczewki ogniskowe służy do koncentracji wiązki laserowej do małego miejsca, zwiększając w tym punkcie gęstość energii do skutecznego przecięcia materiału.

Kolimowanie: Z drugiej strony soczewki kolimacyjne służy do przekształcania rozbieżnej wiązki laserowej ze źródła na równoległą lub kolimowaną wiązkę. Ogólną długość soczewki kolimacyjnej można określić na podstawie kąta rozbieżności laserowej (FWHM - pełna szerokość w połowie maksimum) i wymaganej średnicy wiązki laserowej. W wskaźniku laserowym obiektyw kolimacyjny służy do wykonania wiązki laserowej w linii prostej na dłuższą odległość.

Kształtowanie wiązki

Generowanie linii: Laserowe obiektywy generatora linii, takie jak soczewki Powell lub soczewki cylindryczne, służą do przekształcania kolimowanej wiązki laserowej w linię. Proces polega na zginaniu wiązki laserowej w jednym kierunku, aby utworzyć wyjście w kształcie linii. Na przykład w narzędziu opartym na lewej stronie laserowej soczewka generatora linii służy do wyświetlania prostej linii laserowej na powierzchni, która może być używana do celów wyrównania.

Generowanie pierścienia: Soczewki Axicon są używane do generowania wiązki laserowej w kształcie pierścienia. Stożkowa powierzchnia soczewki Axicon powoduje przekierowanie wiązki laserowej w sposób, który tworzy wzór w kształcie pierścienia w pewnej odległości od soczewki. Może to być przydatne w zastosowaniach, w których wymagany jest rozkład energii laserowej w kształcie pierścienia, na przykład w niektórych eksperymentach pułapkowania optycznego w fizyce.

Zastosowania optycznych soczewek laserowych

Przetwarzanie materiału

Cięcie i spawanie: W zastosowaniach do cięcia i spawania laserowego optyczne soczewki laserowe są używane do skupienia wiązki laserowej na plamce o wysokiej gęstości energii. Laserowe soczewki o wysokiej mocy, często wykonane z materiałów takich jak selenid cynku (ZNSE) dla laserów Co₂, są w stanie wytrzymać wysokie poziomy energii. Na przykład w branży motoryzacyjnej soczewki laserowe są używane do cięcia i spawania części metalowych z wysoką precyzją.

Oznaczenie i grawerowanie: Systemy oznaczania laserowego i grawerowania wykorzystują soczewki do skupienia wiązki laserowej na powierzchni materiału. Obiektyw umożliwia precyzyjną kontrolę energii laserowej na powierzchni, która służy do tworzenia znaków lub rycin. Różne rodzaje soczewek można stosować w zależności od oznaczonego materiału i pożądanej jakości znaku.

Zastosowania medyczne

Chirurgia: W laserowych zabiegach chirurgicznych optyczne soczewki laserowe są używane do precyzyjnego kierowania i skupienia wiązki laserowej. Na przykład w chirurgii okulistycznej soczewki są używane do skupienia wiązki laserowej w celu rozwiązania problemów widzenia. Soczewki muszą być wysokiej jakości, aby zapewnić dokładne dostarczanie energii laserowej do tkanki docelowej.

Diagnostyka: W niektórych medycznych urządzeniach diagnostycznych soczewki laserowe są używane do kierowania światłem laserowym na próbkach biologicznych. Offane lub przesłane światło można następnie przeanalizować w celu uzyskania informacji o próbce. Na przykład w technikach diagnostycznych opartych na fluorescencji soczewki są stosowane do skupienia światła lasera wzbudzenia na próbce i zebrania emitowanego światła fluorescencyjnego.

Badania naukowe

Pułapki optyczne: W eksperymentach z pułapkami optycznymi soczewki aksykańskie i inne wyspecjalizowane soczewki są używane do tworzenia unikalnych wzorów wiązki laserowej. Wzorce te mogą być stosowane do pułapki i manipulowania małymi cząstkami, takimi jak komórki lub nanocząstki, do badania ich właściwości.

Spektroskopia: Soczewki laserowe są stosowane w konfiguracjach spektroskopii, aby skierować wiązkę laserową na próbkę i zebrać światło emitowane lub wchłonięte przez próbkę. Różne rodzaje soczewek stosuje się w zależności od specyficznej techniki spektroskopowej, takich jak spektroskopia ramanowska lub spektroskopia absorpcyjna.

Wybór odpowiedniego optycznego soczewki laserowej

Przy wyborze optycznego soczewki laserowej należy wziąć pod uwagę kilka czynników:

Kompatybilność długości fali

Różne lasery działają przy różnych długościach fal. Na przykład lasery CO₂ zwykle działają przy 10,6 μm, podczas gdy lasery ND: YAG działają na 1,064 μm. Materiał soczewki i powłoka muszą być kompatybilne z długością fali laserowej. Na przykład soczewki wykonane z selenidu cynku (ZNSE) są odpowiednie dla laserów Co₂, podczas gdy soczewki wykonane ze stopionej krzemionki są często używane do laserów widocznych i bliskich podczerwieni.

Moc i energia laserowa

Lasery o wysokiej mocy wymagają soczewek, które mogą wytrzymać wysokie poziomy energii bez uszkodzeń. Materiał soczewki i powłoka powinny mieć wysoki próg uszkodzenia lasera. W zastosowaniach do cięcia laserowego o wysokiej mocy soczewki o wysokich progach uszkodzeń są niezbędne, aby zapewnić długoterminowe i niezawodne działanie.

Aplikacja - Wymagania określone

W zależności od zastosowania, takiego jak skupienie, kolimacja lub kształtowanie wiązki, należy wybrać odpowiedni typ soczewki. Na przykład, jeśli do zastosowania laserowego wymagana jest wiązka laserowa w kształcie linii, właściwy wybór byłby cylindryczny lub Powell obiektyw.

Porównanie różnych optycznych soczewek laserowych

Wniosek

Optyczne soczewki laserowe są niezbędnymi elementami w szerokim zakresie zastosowań, od przetwarzania materiału po badania medyczne i naukowe. Różne rodzaje soczewek, każdy z ich unikalnymi cechami i zasadami roboczymi, oferują różne sposoby manipulowania wiązkami laserowymi. Dzięki starannym rozważaniu czynników, takich jak kompatybilność długości fali, energia laserowa i wymagania dotyczące zastosowania - właściwy optyczny soczewki laserowe można wybrać, aby zapewnić optymalną wydajność w dowolnym systemie laserowym. W miarę postępów technologii projektowanie i wydajność optycznych soczewek laserowych może się również poprawić, umożliwiając w przyszłości jeszcze bardziej precyzyjne i wydajne aplikacje laserowe.