CO2-лазерна оптика на передньому плані: розсуває межі за допомогою CO2-лазерних лінз і CO2-лазерних дзеркал

Автор: Браян Нг – менеджер з маркетингу

Вуглекислотні (CO2 ₎ лазери стали наріжною технологією в багатьох галузях промисловості, включаючи лазерну обробку , медицину та дослідження. Ці лазери випромінюють промінь інфрачервоного світла з довжиною хвилі 9.6 або 10.6 мкм, що дозволяє їм взаємодіяти з широким спектром матеріалів. Однак успішне використання CO2- _{лазерів} значною мірою залежить від високоякісної оптики CO2 _- лазера.

1. Важливість CO₂ Лазерна оптика в CO₂ Лазерні системи

Оптика CO2 _- лазера відіграє життєво важливу роль у подачі, контролі та фокусуванні променя, що зрештою впливає на точність, ефективність та загальну продуктивність лазера. Конкретні оптичні компоненти, що використовуються в системі CO2- _лазера , залежать від застосування. Наприклад, система лазерного різання зазвичай використовує сферичну лінзу для фокусування променя на заготовці, тоді як система гравірування може використовувати розширювач променя для розширення променя.

Найпоширенішими оптичними матеріалами, що використовуються в оптиці CO2 _- лазера, є селенід цинку (ZnSe) та германій (Ge). Ці матеріали прозорі для інфрачервоного світла та мають високу теплопровідність, що допомагає розсіювати тепло, що генерується лазерним променем. Конкретні оптичні компоненти, що використовуються в CO2 _- лазері, залежатимуть від застосування.

Якість оптичних компонентів, що використовуються в CO2 _- лазерній системі, суттєво впливає на продуктивність лазера. Високоякісні оптичні компоненти забезпечать точну передачу та фокусування лазерного променя, що призведе до кращих результатів різання, зварювання та гравіювання .

2. Компоненти CO₂ Лазерна оптика

Оптика CO2 _- лазера охоплює різноманітний спектр компонентів, що полегшують маніпулювання та керування лазерним променем. Основні компоненти включають дзеркала , лінзи , вікна , роздільники променя та атенюатори _CO2- лазера , кожен з яких відіграє вирішальну роль в оптимізації характеристик лазера.

2.1 СО₂ Лазерні дзеркала

Дзеркала для CO2 _- лазера є невід'ємною частиною подачі та керування променем у системі CO2 _- лазера. Вони відповідають за відбиття лазерного променя та підтримку його вирівнювання. Відбивні дзеркала для CO2- _лазера повинні мати низькі втрати на відбиття, високу оптичну якість та добру стійкість до екстремальної оптичної інтенсивності.

Допуск діаметра: + 0 / -0.13 мм
Толерантність товщини: ± 0.25мм
Паралелізм: ≤3 дуги хв
Очистити діафрагму: > 90%
Площина поверхні: λ/4 на діаметр 1” при 632.8 нм
Якість поверхні: 40-20 SD
Кут падіння: 45 °

Таблиця 1: Wavelength Opto-Electronic CO₂ Лазерні дзеркала

Оптика резонатора CO2 _- лазера складається із заднього дзеркала та переднього дзеркала (також званого вихідним відгалужувачем або частковим рефлектором). Задні дзеркала, зазвичай з цинково-сілікатного сплаву, з дуже високою відбивною здатністю (>99.7%), є ключовими оптичними компонентами лазерних резонаторів. Вихідні відгалужувачі - це частково відбивні дзеркала для вилучення частини лазерного променя з лазерного резонатора. Вони часто потребують невеликого клиноподібного зсуву, щоб запобігти інтерференції від багаторазових відбиттів всередині компонента. Високоякісні дзеркала CO2- _лазера мінімізують втрати та забезпечують ефективну доставку променя.

Допуск діаметра: + 0 / -0.13 мм
Толерантність товщини: ± 0.25мм
Центрування: < 3 дуг. хв
Очистити діафрагму: > 90%
Якість поверхні: 40-20 SD
Кут падіння: 0 °
LIDT: 5.1 МВт/см² при 10.6 мкм

Таблиця 2: Wavelength Opto-Electronic Резонаторна оптика

2.2 СО₂ Лазерні лінзи

Лінзи CO2 _- лазера використовуються для формування та фокусування лазерного променя. Зазвичай вони виготовляються з матеріалу ZnSe та можуть бути опуклими або увігнутими, де їхня фокусна відстань визначає точку фокусування променя. Плоскоопуклі лінзи мають додатну фокусну відстань і використовуються для фокусування колімованого променя до малого розміру плями. Плоскоувігнуті лінзи мають від'ємну фокусну відстань і використовуються для розбіжних колімованих променів. Вигнуті поверхні цих лінз повинні бути звернені до джерела, щоб мінімізувати сферичну аберацію.

Допуск діаметра: + 0 / -0.13 мм
Толерантність товщини: ± 0.25мм
Толерантність фокусної відстані: ± 2%
Зміна товщини кромки (ETV): ≤3 дуги хв.
Очистити діафрагму: > 90%
Площина поверхні: λ/4 на 1″ Dia@632.8 нм
Якість поверхні: 40-20 S-DAR
Покриття: R<0.2% на поверхню @10.6 мкм

Опукло-увігнуті лінзи з позитивним меніском – це збиральні лінзи, товсті в центрі та тонкі по краях, які створюють реальні зображення. Радіус кривизни увігнутої сторони більший, ніж опукла сторона лінзи. Опукла сторона лінзи повинна бути звернена до джерела, щоб мінімізувати сферичну аберацію. Вона розроблена для мінімізації сферичної аберації та створення мінімального розміру фокусної плями для вхідного колімованого світла. Лінзи для CO2- _лазера необхідні для таких застосувань, як різання, гравірування та зварювання, де точний контроль форми та інтенсивності променя є критично важливим.

Таблиця 3: Wavelength Opto-Electronic Сферичні лінзи ZnSe

2.2.1 Асферичні лінзи ZnSe

Допуск діаметра: + 0 / -0.13 мм
Толерантність товщини: ± 0.25мм
Толерантність фокусної відстані: ± 2%
Зміна товщини кромки (ETV): ≤ 3 дуг. хв
Очистити діафрагму: > 90%
Асферична точність: ≤1 мкм PV
Якість поверхні: 40 / 20 60 / 40
AR покриття: R<0.2% на поверхню при 1030-1090 нм
Матеріал: Плавлений кремнезем, Suprasil 313, Corning 7980, Si, Ge, ZnS, ZnSe, халькогеніди
Покриття: Доступні варіанти

Лінзи для CO2 _- лазера також бувають інших форм, таких як асферичні, сферичні, циліндричні та аксіконні. Порівняно зі звичайними сферичними лінзами ZnSe, найважливішою перевагою асферичних лінз ZnSe є те, що вони можуть виконувати корекцію сферичної аберації. Асферичні лінзи дозволяють розробнику коригувати аберацію за допомогою меншої кількості оптичних лінз, ніж сферичні лінзи, тому оптична система може бути дешевшою та компактнішою за розміром.

Таблиця 4: Wavelength Opto-Electronic Асферичні лінзи ZnSe

2.2.2 Циліндричні лінзи ZnSe

Допуск на розміри: + 0 / -0.13 мм
Толерантність товщини: ± 0.25мм
Толерантність фокусної відстані: ± 2%
Зміна товщини кромки (ETV): ≤3 дуги хв.
Очистити діафрагму: > 90%
Площина поверхні: λ/4 на 1″Dia@632.8 нм
Якість поверхні: 60-40 S-DAR
Покриття: R<0.2% на поверхню @10.6 мкм

Циліндричні лінзи ZnSe використовуються для фокусування вхідного променя в одній фокальній лінії, а не в одній фокальній точці, вони бувають як з позитивною, так і з негативною фокусною відстанню. Вони являють собою круглі або прямокутні об'єкти з циліндричною формою поверхонь, плоскоувігнутими або плоскоопуклими. Вони відрізняються від сферичних лінз тим, що фокусують промінь на фокальній лінії, а не у фокальній точці.

Таблиця 5: Wavelength Opto-Electronic Циліндричні лінзи ZnSe

2.2.3 Аксиконові лінзи ZnSe

Фокусні лінзи ZnSe axicon мають одну конічну поверхню та використовуються для створення кільцевого фокусного променя. Зазвичай фокусні лінзи axicon мають другу плоску поверхню та використовуються в поєднанні зі сферичною лінзою. Вони виготовляються за допомогою виробничого процесу, що підходить для кута аксикона та необхідної точності. Для високоточних лінз з малим кутом огляду процес виробництва включає алмазну обробку.

Стандартна лінза Axicon – кут конуса Axicon дорівнює 180°-2α

(+/-0.01 град): α (°)
Кут конуса 140°: 20 °
Кут конуса 160°: 10 °
Кут конуса 165°: 7.5 °
Кут конуса 170°: 5 °
Кут конуса 175°: 2.5 °
Кут конуса 179.5°: 0.25°= 15′

Таблиця 6: Wavelength Opto-Electronic Аксиконові лінзи ZnSe

2.2.4 Медичні лазерні лінзи

Існує також інший асортимент лінз для CO2 _- лазерів, що використовуються в різних медичних лазерних системах, таких як CO2 _, ND:YAG з модуляцією добротності, ER:YAG, Ruby та Alex Laser. Ця оптика використовувалася як заміна в більшості відомих медичних систем, таких як Continuum-Biomedical, ESC, Sharplan, Candela та Coherent.

Допуск діаметра: + 0 / -0.13 мм
Толерантність товщини: ± 0.25мм
Толерантність фокусної відстані: ± 2%
Зміна товщини кромки (ETV): <=3 дуг. хв.
Очистити діафрагму: > 90%
Площина поверхні: λ/4 на 1″Dia при 632.8 нм
Якість поверхні: 40-20 S-DAR
Покриття: R<0.2% на поверхню

Таблиця 7: Wavelength Opto-Electronic ZnSe медичні лазерні лінзи для Er:YAG

2.3 СО₂ Лазерні вікна

Вікна CO2 _- лазера зазвичай являють собою плоскі прозорі пластини, виготовлені з матеріалів з чудовими оптичними властивостями, що діють як захисний бар'єр між лазерною системою та зовнішнім середовищем. Вони призначені для пропускання світла з мінімальними спотвореннями, розсіюванням або поглинанням. Вікна CO2- _лазера зазвичай виготовляються з матеріалів з низьким поглинанням на довжині хвилі CO2 _- лазера, таких як ZnSe або Ge.

Допуск на розміри: + 0 / -0.13 мм
Толерантність товщини: ± 0.25мм
Паралелізм: ≤3 дуги хв.
Очистити діафрагму: > 90%
Площина поверхні: λ/4 на 1″Dia@632.8 нм
Якість поверхні: 60-40 S-DAR
Покриття: R<0.2% на поверхню @10.6 мкм
Кут падіння: Кут Брюстера @ 10.6 мкм

Лазерні вікна ZnSe зазвичай використовуються в потужних CO2 _- лазерних системах. Вони доступні як з покриттям, так і без покриття, і мають широкий вибір форм і розмірів. Лазерні вікна Ge ізолюють різні фізичні середовища, пропускаючи світло.

Таблиця 8: Wavelength Opto-Electronic Лазерні вікна ZnSe

2.3.1 Тонкоплівкові поляризатори ZnSe

Тонкоплівкові поляризатори використовуються для поділу лазерного променя на дві частини з поляризаціями S і P. Між тим, вони також можуть бути використані для об'єднання двох променів з S і P поляризаціями. Вони складаються з пластини з покриттям, яка орієнтована під кутом Брюстера відносно вхідного променя. Тонкоплівкове покриття здатне підвищити відбивну здатність s-поляризованої складової променя та підтримувати високу пропускну здатність p-поляризованої складової.

Матеріал: ZnSe
Площина поверхні: λ/4 на 1″Dia@632.8 нм
Якість поверхні: 40-20 SD
Покриття: Tp =97%+/-0.5%@10.6um | Rs =97%+/-0.5%@10.6мкм
Кут падіння: 67.3˚ (кут Брюстера при 10.6 мкм)

Таблиця 9: Wavelength Opto-Electronic Тонкоплівкові поляризатори ZnSe

2.4 СО₂ Дихроичні дзеркала

Дихроїчні дзеркала CO2 , що зазвичай складаються з об'єднувачів променів та розщеплювачів променів, – це ZnSe-фільтри, які вибірково пропускають світло певного діапазону довжин хвиль, відбиваючи при цьому іншу довжину хвилі залежно від властивостей їхніх шарів покриття_.

2.4.1 Комбінатори пучків ZnSe

Допуск діаметра: + 0 / -0.13 мм
Товщина: ± 0.25мм
Площина поверхні: λ/4 на 1″Dia@632.8 нм
Якість поверхні: 40-20 SD
AOI: 45 °

Об'єднувачі променів ZnSe об'єднують два або більше променів в один і використовуються для юстування CO2 _- лазерних систем. Зазвичай вони пропускають довгохвильовий промінь і відбивають короткохвильовий промінь, тоді як зворотні об'єднувачі променів пропускають короткохвильовий промінь і відбивають довгохвильовий промінь. CO2- _{об'єднувачі} променів розроблені під кутом падіння 45° і пропускають лазерний промінь, поєднуючи його з відбитим видимим юстирувальним променем під кутом 90°.

Таблиця 10: Wavelength Opto-Electronic Об'єднувачі пучків ZnSe

2.4.2 Розділювачі променя ZnSe

Допуск діаметра: + 0 / -0.13 мм
Товщина: ± 0.25мм
Площина поверхні: λ/4 на 1'' Dia@632.8 нм
Якість поверхні: 60-40 SD

На відміну від об'єднувачів променів, розщеплювачі променів ZnSe використовуються для розділення лазерного променя на кілька шляхів, що дозволяє одночасну обробку або моніторинг. Вони також можуть перенаправляти частину променя для цілей вирівнювання або калібрування. Розщеплювачі променів ZnSe часто мають покриття для досягнення певного коефіцієнта відбиття або пропускання на довжині хвилі CO2- _лазера.

Пропускання та відбиття світла залежить від різних параметрів, таких як кут падіння, стан поляризації та довжина хвилі вхідного променя. Існує суттєва різниця в значеннях пропускання та відбиття поляризації s та p під кутом падіння 45°, тому розщеплювачі променя ZnSe розроблені для цього кута.

Таблиця 11: Wavelength Opto-Electronic Розділювачі променя ZnSe

2.5 Лазерні аттенюатори

Лазерні аттенюатори використовуються для контролю потужності лазера шляхом зменшення його інтенсивності. Вони корисні під час точного налаштування енергії, що подається на заготовку, особливо в програмах, де надмірна потужність може спричинити небажані ефекти. Лазерні атенюатори використовують фільтри або змінні механізми для досягнення бажаного регулювання потужності.

Довжина хвилі: 355/532/1064 нм
Тип: режим передачі
Очистити діафрагму: 14mm
Зсув променя: 0.5mm
Коефіцієнт вимирання: > 200: 1
Діапазон загасання: 0.5% -95%
Поріг шкоди: >5 Дж/см²@1064 нм, 20 нс, 20 Гц
вага: 

Пункт №.: ATTN-10600-WC-V1
Довжина хвилі: 10.6μm
Очистити діафрагму: До 19 мм (настроюється)
Діапазон передачі: 10 - 90%
Поріг шкоди: 1 МВт/см^²
дозвіл: 5%

Таблиця 12: Wavelength Opto-Electronic Лазерні атенюатори

3. СО₂ Застосування лазерної оптики

Значення оптики CO2-лазера полягає в її здатності оптимізувати якість променя, контролювати параметри променя та покращувати загальну продуктивність системи. Високоякісна оптика забезпечує мінімальні втрати, зменшує розбіжність променя та покращує фокусування, що зрештою призводить до підвищення ефективності процесу, скорочення часу простою та вищої якості продукції. Оптика CO2 _- лазера знаходить широке застосування в широкому спектрі застосувань завдяки своїй здатності випромінювати потужні лазерні промені з відмінною точністю. Деякі помітні застосування включають:

3.1 Обробка матеріалу

CO2 _- лазери широко використовуються для різання, гравірування, маркування та зварювання різних матеріалів, включаючи метали, пластмаси, дерево та кераміку. Високоякісна оптика забезпечує точне фокусування, контроль форми променя та підвищену ефективність процесу.

3.2 Медичні

CO2 _- лазери використовуються в хірургічних процедурах, дерматології та офтальмології завдяки їхнім можливостям точної абляції тканин. Оптика дозволяє хірургам подавати висококонтрольовану лазерну енергію для таких процедур, як шліфування шкіри, видалення пухлин та хірургія ока.

3.3 Наукові дослідження

CO2 _- лазери є незамінними інструментами в наукових дослідженнях, особливо в таких галузях, як спектроскопія, моніторинг атмосфери та прискорення частинок. Оптика дозволяє точно керувати променем, вирівнювати його та маніпулювати ним, що сприяє точному збору та аналізу даних.

4. Висновок

Оптика CO2 _- лазерів є невід'ємними компонентами для повного використання потенціалу систем CO2 _- лазерів у різних галузях промисловості. Завдяки ретельному вибору та впровадженню дзеркал, лінз, вікон, розщеплювачів променя та атенюаторів, ця оптика дозволяє точно керувати, маніпулювати та доставляти потужні лазерні промені. З розвитком технологій очікується подальший розвиток оптики CO2 _- лазерів, що відкриває нові можливості для підвищення точності, ефективності та інновацій у різноманітних застосуваннях.

Загалом CO₂ лазерна оптика є критично важливим компонентом CO₂ лазери. Вони відіграють важливу роль у передачі та фокусуванні лазерного променя, що в кінцевому підсумку визначає продуктивність лазера. При належному догляді та обслуговуванні CO₂ лазерна оптика може забезпечити роки надійної служби. Wavelength Opto-Electronic проектування та виготовлення різноманітних CO₂ лазерна оптика, як CO₂ лазерні лінзи та CO₂ лазерні дзеркала для вашого CO₂ лазерні системи.