前沿的 CO2 激光光学器件：利用 CO2 激光透镜和 CO2 激光反射镜突破界限

作者：Bryan Ng – 营销经理

二氧化碳（CO₂ _{）激光器已成为众多行业（包括}激光加工、医疗和科研）的基石技术。这些激光器发射波长为9.6或10.6微米的红外光束，使其能够与多种材料相互作用。然而，CO₂激光器的成功应用_高度依赖于高质量的CO₂_激光光学元件。

1.二氧化碳的重要性₂ CO 中的激光光学₂ 激光系统

二氧化碳_激光光学元件在光束传输、控制和聚焦方面起着至关重要的作用，最终影响激光器的精度、效率和整体性能。二氧化碳激光系统中使用的具体光学元件_取决于应用。例如，激光切割系统通常使用球面透镜将光束聚焦到工件上，而雕刻系统则可能使用扩束器来拓宽光束。

_二氧化碳激光器光学元件中最常用的光学材料是硒化锌 (ZnSe) 和锗 (Ge)。这些材料对红外光透明，且具有高导热性，有助于散发激光束产生的热量。二氧化碳激光器中使用的具体光学元件_取决于其应用。

_二氧化碳激光系统中使用的光学元件的质量对激光器的性能有显著影响。高质量的光学元件能够确保激光束的精确传输和聚焦，从而获得更好的切割、焊接和雕刻效果。

2. CO的成分₂ 激光光学

二氧化碳_激光器光学系统包含多种组件，用于操控激光束。主要组件包括二氧化碳_激光器反射镜、透镜、窗口、分束器和衰减器，每个组件在优化激光器特性方面都发挥着至关重要的作用。

2.1 CO₂ 激光镜

二氧化碳_{激光反射镜是二氧化碳}激光系统中光束传输和控制的关键部件。它们负责反射激光束并保持其对准。反射式二氧化碳_激光反射镜必须具有低反射损耗、高光学质量和良好的抗极端光强能力。

直径公差： + 0 / -0.13毫米
厚度公差： ±0.25mm
并行性： ≤3弧分
通光孔径： > 90％
表面平整度： λ/4 每 1” 直径 @ 632.8nm
表面质量： 40-20 标清
入射角： 45°

表1： Wavelength Opto-Electronic CO₂ 激光镜

二氧化碳_激光器谐振腔光学系统由后反射镜和前反射镜（也称为输出耦合器或部分反射镜）组成。后反射镜通常采用硒化锌（ZnSe）材料，具有极高的反射率（>99.7%），是激光谐振腔中的关键光学元件。输出耦合器是部分反射镜，用于从激光谐振腔中提取一部分激光束。它们通常需要一个楔形垫片来防止元件内部多次反射造成的干扰。高质量的二氧化碳_激光器反射镜可以最大限度地减少损耗，并确保高效的光束传输。

直径公差： + 0 / -0.13毫米
厚度公差： ±0.25mm
集中度： < 3 弧分
通光孔径： > 90％
表面质量： 40-20 标清
入射角： 0°
LIDT： 5.1 MW/cm² @ 10.6µm

表2： Wavelength Opto-Electronic 腔体光学

2.2 CO₂ 激光镜片

二氧化碳_激光透镜用于整形和聚焦激光束。它们通常由硒化锌（ZnSe）材料制成，可以是凸透镜或凹透镜，其焦距决定了光束的焦点。平凸透镜具有正焦距，用于将准直光束聚焦成小光斑。平凹透镜具有负焦距，用于使发散的准直光束聚焦。这些透镜的曲面应朝向光源，以最大程度地减少球面像差。

直径公差： + 0 / -0.13毫米
厚度公差： ±0.25mm
焦距公差： ±2％
边缘厚度变化 (ETV)： ≤3 弧分。
通光孔径： > 90％
表面平整度： 每 4 英寸直径 λ/1@632.8nm
表面质量： 40-20 S-DAR
涂层： 每表面 R<0.2% @10.6μm

正弯月形凸凹透镜是一种会聚透镜，其中心厚边缘薄，成像为实像。透镜凹面的曲率半径大于凸面。为了最大限度地减少球面像差，透镜的凸面应朝向光源。这种透镜旨在最大限度地减少球面像差，并使入射的准直光产生最小的焦点尺寸。CO₂_激光透镜对于切割、雕刻和焊接等应用至关重要，在这些应用中，精确控制光束的形状和强度至关重要。

表3： Wavelength Opto-Electronic 硒化锌球面透镜

2.2.1 硒化锌非球面透镜

直径公差： + 0 / -0.13毫米
厚度公差： ±0.25mm
焦距公差： ±2％
边缘厚度变化 (ETV): ≤ 3 弧分
通光孔径： > 90％
非球面精度： ≤1µm PV
表面质量： 40 / 20 60 / 40
增透膜： 每表面 R<0.2% @ 1030-1090nm
材料： 熔融石英、Suprasil 313、Corning 7980、Si、Ge、ZnS、ZnSe、硫族化物
涂层： 可用选项

二氧化碳_激光透镜还有其他形状，例如非球面透镜、球面透镜、柱面透镜和锥透镜。与传统的硒化锌球面透镜相比，硒化锌非球面透镜最显著的优势在于其能够校正球面像差。非球面透镜允许设计者使用比球面透镜更少的透镜来校正像差，因此光学系统可以降低成本并缩小尺寸。

表4： Wavelength Opto-Electronic 硒化锌非球面透镜

2.2.2 ZnSe柱面透镜

尺寸公差： + 0 / -0.13毫米
厚度公差： ±0.25mm
焦距公差： ±2％
边缘厚度变化 (ETV)： ≤3 弧分。
通光孔径： > 90％
表面平整度： 每 4″Dia@1nm λ/632.8
表面质量： 60-40 S-DAR
涂层： 每表面 R<0.2% @10.6μm

ZnSe柱面透镜用于将入射光束聚焦到一条焦线上，而不是聚焦到单个焦点上，其焦距可以是正的也可以是负的。它们可以是圆形或矩形物体，表面呈圆柱形，可以是平凹的也可以是平凸的。它们与球面透镜的区别在于，它们将光束聚焦到一条焦线上，而不是一个焦点上。

表5： Wavelength Opto-Electronic ZnSe 柱面透镜

2.2.3 ZnSe轴锥透镜

ZnSe轴锥聚焦透镜具有一个锥形表面，用于产生环形聚焦光束。通常，轴锥聚焦透镜还具有第二个平面，并与球面透镜配合使用。它们的制造工艺取决于轴锥角度和所需的精度。对于小角度、高精度透镜，制造工艺通常采用金刚石加工。

标准 Axicon 透镜 – Axicon 锥角等于 180°-2α

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

表6： Wavelength Opto-Electronic ZnSe 轴棱镜

2.2.4 医用激光镜片

此外，还有一系列用于各种医疗激光系统的CO₂激光透镜，_例如CO₂_激光、Q开关Nd:YAG激光、ER:YAG激光、红宝石激光和Alex激光系统。这些光学元件已被用于大多数知名医疗系统中，例如Continuum-Biomedical、ESC、Sharplan、Candela和Coherent等品牌。

直径公差： + 0 / -0.13毫米
厚度公差： ±0.25mm
焦距公差： ±2％
边缘厚度变化 (ETV)： <=3 弧分。
通光孔径： > 90％
表面平整度： λ/4 每 1″Dia @632.8nm
表面质量： 40-20 S-DAR
涂层： 每表面 R<0.2%

表7： Wavelength Opto-Electronic Er:YAG 硒化锌医用激光镜片

2.3 CO₂ 激光窗口

二氧化碳激光窗口通常是由具有优异光学性能的材料制成的平面透明板，起到激光系统与外部环境之间的保护屏障作用。它们的设计旨在最大限度地减少光线的畸变、散射或吸收。二氧化碳_{激光窗口通常采用在二氧化碳}激光波长下吸收率低的材料制成，例如硒化锌（ZnSe）或锗（Ge）_。

尺寸公差： + 0 / -0.13毫米
厚度公差： ±0.25mm
并行性： ≤3 弧分。
通光孔径： > 90％
表面平整度： 每 4″Dia@1nm λ/632.8
表面质量： 60-40 S-DAR
涂层： 每表面 R<0.2% @10.6μm
入射角： 布儒斯特角@10.6μm

ZnSe激光窗口常用于高功率CO₂_激光系统。它们有镀膜和未镀膜两种形式，并有多种形状和尺寸可供选择。Ge激光窗口能够隔离不同的物理环境，同时允许光线通过。

表8： Wavelength Opto-Electronic 硒化锌激光窗片

2.3.1 ZnSe薄膜偏光片

薄膜偏振片用于将激光束分成 S 偏振和 P 偏振两部分。 同时，它们还可以用于组合具有S和P偏振的两束光束。 它们由一块涂层板组成，该板相对于入射光束以布鲁斯特角定向。 薄膜涂层能够增强光束的s偏振分量的反射率并保持p偏振分量的高透射率。

材料： 硒化锌
表面平整度： 每 4″Dia@1nm λ/632.8
表面质量： 40-20 标清
涂层： Tp =97%+/-0.5%@10.6um | Rs =97%+/-0.5%@10.6μm
入射角： 67.3°（布鲁斯特角@10.6μm）

表9： Wavelength Opto-Electronic ZnSe 薄膜偏光片

2.4 CO₂ 二向色镜

CO ₂二向色镜通常由光束合成器和光束分束器组成，是一种 ZnSe 滤光片，它根据其涂层的特性，选择性地透射特定波长范围的光，同时反射另一种波长的光。

2.4.1 ZnSe合束器

直径公差： + 0 / -0.13毫米
厚度范围： ±0.25mm
表面平整度： 每 4″Dia@1nm λ/632.8
表面质量： 40-20 标清
AOI： 45°

ZnSe光​​束合束器将两束或多束光束合并成一束，用于CO₂_激光系统的对准。它们通常透射长波长光束并反射短波长光束，而反向光束合束器则透射短波长光束并反射长波长光束。CO₂_光束合束器设计入射角为45°，透射激光束，并将其与90°反射的可见光对准光束合束。

表10： Wavelength Opto-Electronic ZnSe 合束器

2.4.2 硒化锌分束器

直径公差： + 0 / -0.13毫米
厚度范围： ±0.25mm
表面平整度： λ/4 每 1'' 直径@632.8nm
表面质量： 60-40 标清

与光束合束器不同，ZnSe分束器用于将激光束分成多条光路，从而实现同步处理或监测。它们还可以将部分光束重新定向，用于对准或校准。ZnSe分束器通常会镀膜，以在CO₂激光波长下获得特定的反射率或透射_率。

光的透射和反射取决于各种参数，例如入射角、偏振态和输入光束的波长。 入射角为45°时，s和p偏振光的透射率和反射率值存在较大差异，因此设计的ZnSe分光镜就是针对该角度。

表11： Wavelength Opto-Electronic ZnSe 分束器

2.5 激光衰减器

激光衰减器用于通过降低激光强度来控制激光功率。 它们在微调传递到工件的能量时非常有用，特别是在功率过大可能导致不良影响的应用中。 激光衰减器利用滤波器​​或可变机构来实现所需的功率调整。

波长： 355/532/1064nm
类型： 传动方式
通光孔径： 14mm
光束偏移： 0.5mm
消光比： > 200：1
衰减范围： 0.5％-95％
伤害阈值： >5J/cm²@1064nm，20ns，20Hz
重量： 

编号。： ATTN-10600-WC-V1
波长： 10.6μm
通光孔径： 最大 19 毫米（可定制）
传输范围： 10 - 90％
伤害阈值： 1兆瓦/厘米^²
分辨率 ： 5%

表12： Wavelength Opto-Electronic 激光衰减器

3.一氧化碳₂ 激光光学应用

二氧化碳激光光学器件的重要性在于其能够优化光束质量、控制光束参数并提升系统整体性能。高质量的光学器件可确保最小的损耗、更小的光束发散角和更佳的聚焦性能，最终提高工艺效率、减少停机时间并获得更高质量的输出。由于二氧化碳激光光学器件能够以极高的精度输出高功率_激光束，因此被广泛应用于各种领域。一些值得注意的应用包括：

3.1 材料加工

二氧化碳_激光器广泛应用于切割、雕刻、打标和焊接各种材料，包括金属、塑料、木材和陶瓷。高质量的光学元件可确保精确聚焦、光束形状控制和更高的加工效率。

3.2 Medical

二氧化碳激光器因其精准的组织消融能力而被广泛应用于外科手术、皮肤科和眼科。光学器件使外科医生能够高度控制激光能量，用于皮肤再生、肿瘤切除和眼科手术等_。

3.3 科学研究

二氧化碳_激光器是科学研究中不可或缺的工具，尤其是在光谱学、大气监测和粒子加速等领域。光学器件能够实现精确的光束控制、对准和操控，从而促进准确的数据采集和分析。

4. 结论

二氧化碳_激光光学元件是充分发挥_二氧化碳激光系统在各行业应用潜力的关键组成部分。通过精心选择和应用反射镜、透镜、窗口、分束器和衰减器等光学元件，可以实现对高功率激光束的精确控制、操控和传输。随着技术的进步，二氧化碳激光光学元件有望取得进一步发展_，为各种应用领域带来更高的精度、效率和创新性。

总体而言，CO₂ 激光光学器件是 CO 的重要组成部分₂ 激光。 它们在激光束的传输和聚焦中起着至关重要的作用，最终决定了激光器的性能。 通过适当的保养和维护，CO₂ 激光光学器件可以提供多年的可靠服务。 Wavelength Opto-Electronic 设计和制造各种CO₂ 激光光学器件，例如 CO₂ 激光镜片和 CO₂ 适用于 CO 的激光镜₂ 激光系统。