前沿的 CO2 激光光學器件：利用 CO2 激光透鏡和 CO2 激光反射鏡突破界限

作者：Bryan Ng – 行銷經理

二氧化碳（CO₂ _{）雷射已成為眾多產業（包括}雷射加工、醫療和科研）的基石技術。這些雷射發射波長為9.6或10.6微米的紅外線光束，使其能夠與多種材料相互作用。然而，CO₂雷射的成功應用_高度依賴高品質的CO₂_雷射光學元件。

1.二氧化碳的重要性₂ CO 中的激光光學₂ 激光系統

二氧化碳_雷射光學元件在光束傳輸、控制和聚焦方面起著至關重要的作用，最終影響雷射的精度、效率和整體性能。二氧化碳雷射系統中使用的特定光學元件_取決於應用。例如，雷射切割系統通常使用球面透鏡將光束聚焦到工件上，而雕刻系統則可能使用擴寬器來拓寬光束。

_二氧化碳雷射光學元件中最常用的光學材料是硒化鋅 (ZnSe) 和鍺 (Ge)。這些材料對紅外線透明，且具有高導熱性，有助於散發雷射光束產生的熱量。二氧化碳雷射器中使用的特定光學元件_取決於其應用。

_二氧化碳雷射系統中使用的光學元件的品質對雷射的性能有顯著影響。高品質的光學元件能夠確保雷射光束的精確傳輸和聚焦，從而獲得更好的切割、焊接和雕刻效果。

2. CO的成分₂ 激光光學

二氧化碳_雷射光學系統包含多種組件，用於操控雷射光束。主要組件包括二氧化碳_雷射反射鏡、透鏡、窗口、分束器和衰減器，每個組件在優化雷射特性方面都發揮著至關重要的作用。

2.1一氧化碳₂ 激光鏡

二氧化碳_{雷射反射鏡是二氧化碳}雷射系統中光束傳輸和控制的關鍵部件。它們負責反射雷射光束並保持其對準。反射式二氧化碳_雷射反射鏡必須具有低反射損耗、高光學品質和良好的抗極端光強度。

直徑公差： + 0 / -0.13毫米
厚度公差： ±0.25mm
並行性： ≤3弧分
通光孔徑： > 90％
表面平整度： λ/4 每 1” 直徑 @ 632.8nm
表面質量： 40-20 標清
入射角： 45°

表1： Wavelength Opto-Electronic CO₂ 激光鏡

二氧化碳_雷射諧振腔光學系統由後反射鏡和前反射鏡（也稱為輸出耦合器或部分反射鏡）組成。後反射鏡通常採用硒化鋅（ZnSe）材料，具有極高的反射率（>99.7%），是雷射諧振腔中的關鍵光學元件。輸出耦合器是部分反射鏡，用於從雷射諧振腔中提取一部分雷射光束。它們通常需要一個楔形墊片來防止元件內部多次反射造成的干擾。高品質的二氧化碳_雷射反射鏡可以最大限度地減少損耗，並確保高效的光束傳輸。

直徑公差： + 0 / -0.13毫米
厚度公差： ±0.25mm
集中度： <3弧分
通光孔徑： > 90％
表面質量： 40-20 標清
入射角： 0°
LIDT： 5.1 MW/cm² @ 10.6µm

表2： Wavelength Opto-Electronic 腔體光學

2.2一氧化碳₂ 激光鏡片

二氧化碳_雷射透鏡用於整形和聚焦雷射光束。它們通常由硒化鋅（ZnSe）材料製成，可以是凸透鏡或凹透鏡，其焦距決定了光束的焦點。平凸透鏡具有正焦距，用於將準直光束聚焦成小光斑。平凹透鏡具有負焦距，用於使發散的準直光束聚焦。這些透鏡的曲面應朝向光源，以最大程度地減少球面像差。

直徑公差： + 0 / -0.13毫米
厚度公差： ±0.25mm
焦距公差： ±2％
邊緣厚度變化 (ETV)： ≤3 弧分。
通光孔徑： > 90％
表面平整度： λ/4 每 1" 直徑@632.8nm
表面質量： 40-20 S-DAR
塗層： 每表面 R<0.2% @10.6μm

正彎月形凸凹透鏡是一種會聚透鏡，其中心厚邊緣薄，成像為實像。透鏡凹面的曲率半徑大於凸面。為了盡量減少球面像差，透鏡的凸面應朝向光源。這種透鏡旨在最大限度地減少球面像差，並使入射的准直光產生最小的焦點尺寸。 CO₂_雷射透鏡對於切割、雕刻和焊接等應用至關重要，在這些應用中，精確控制光束的形狀和強度至關重要。

表3： Wavelength Opto-Electronic 硒化鋅球面透鏡

2.2.1 硒化鋅非球面透鏡

直徑公差： + 0 / -0.13毫米
厚度公差： ±0.25mm
焦距公差： ±2％
邊緣厚度變化 (ETV): ≤ 3 弧分
通光孔徑： > 90％
非球面精度： ≤1µm PV
表面質量： 40 / 20 60 / 40
增透膜： 每表面 R<0.2% @ 1030-1090nm
物料： 熔融石英、Suprasil 313、Corning 7980、Si、Ge、ZnS、ZnSe、硫族化物
塗層： 可用選項

二氧化碳_雷射透鏡還有其他形狀，例如非球面透鏡、球面透鏡、柱面透鏡和錐狀透鏡。與傳統的硒化鋅球面透鏡相比，硒化鋅非球面透鏡最顯著的優點在於其能夠校正球面像差。非球面透鏡允許設計者使用比球面透鏡更少的透鏡來校正像差，因此光學系統可以降低成本並縮小尺寸。

表4： Wavelength Opto-Electronic 硒化鋅非球面透鏡

2.2.2 ZnSe柱面透鏡

尺寸公差： + 0 / -0.13毫米
厚度公差： ±0.25mm
焦距公差： ±2％
邊緣厚度變化 (ETV)： ≤3 弧分。
通光孔徑： > 90％
表面平整度： 每 4″Dia@1nm λ/632.8
表面質量： 60-40 S-DAR
塗層： 每表面 R<0.2% @10.6μm

ZnSe柱面透鏡用於將入射光束聚焦到一條焦線上，而不是聚焦到單一焦點上，其焦距可以是正的也可以是負的。它們可以是圓形或長方形物體，表面呈圓柱形，可以是平凹的或是平凸的。它們與球面透鏡的區別在於，它們將光束聚焦到一條焦線上，而不是一個焦點上。

表5： Wavelength Opto-Electronic ZnSe 柱面透鏡

2.2.3 ZnSe軸錐透鏡

ZnSe軸錐聚焦透鏡具有一個錐形表面，用於產生環形聚焦光束。通常，軸錐聚焦透鏡還具有第二個平面，並與球面透鏡配合使用。它們的製造過程取決於軸錐角度和所需的精度。對於小角度、高精度透鏡，製造流程通常採用鑽石加工。

標準軸錐透鏡 – 軸錐錐角等於 180°-2α

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

表6： Wavelength Opto-Electronic ZnSe 軸棱鏡

2.2.4 醫用激光鏡片

此外，還有一系列用於各種醫療雷射系統的CO₂雷射透鏡，_例如CO₂_雷射、Q開關Nd:YAG雷射、ER:YAG雷射、紅寶石雷射和Alex雷射系統。這些光學元件已被用於大多數知名醫療系統中，例如Continuum-Biomedical、ESC、Sharplan、Candela和Coherent等品牌。

直徑公差： + 0 / -0.13毫米
厚度公差： ±0.25mm
焦距公差： ±2％
邊緣厚度變化 (ETV)： <=3 弧分。
通光孔徑： > 90％
表面平整度： λ/4 每 1″Dia @632.8nm
表面質量： 40-20 S-DAR
塗層： 每表面 R<0.2%

表7： Wavelength Opto-Electronic Er:YAG 硒化鋅醫用雷射鏡片

2.3一氧化碳₂ 激光窗戶

二氧化碳雷射窗口通常是由具有優異光學性能的材料製成的平面透明板，起到雷射系統與外部環境之間的保護屏障作用。它們的設計旨在最大限度地減少光線的畸變、散射或吸收。二氧化碳_{雷射窗口通常由在二氧化碳}雷射波長下吸收率低的材料製成，例如硒化鋅（ZnSe）或鍺（Ge）_。

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

ZnSe雷射窗口常用於高功率CO₂_雷射系統。它們有鍍膜和未鍍膜兩種形式，並有多種形狀和尺寸可供選擇。 Ge雷射窗口能夠隔離不同的物理環境，同時允許光線通過。

表8： Wavelength Opto-Electronic 硒化鋅雷射窗片

2.3.1 ZnSe薄膜偏光片

薄膜偏振片用於將雷射光束分成 S 偏振和 P 偏振兩部分。 同時，它們也可以用於組合具有S和P偏振的兩束光束。 它們由一塊塗層板組成，該板相對於入射光束以布魯斯特角定向。 薄膜塗層能夠增強光束的s偏振分量的反射率並保持p偏振分量的高透射率。

物料： 硒化鋅
表面平整度： 每 4″Dia@1nm λ/632.8
表面質量： 40-20 標清
塗層： Tp =97%+/-0.5%@10.6um | Rs =97%+/-0.5%@10.6μm
入射角： 67.3°（布魯斯特角@10.6μm）

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

2.4一氧化碳₂ 二向色鏡

CO ₂二向色鏡通常由光束合成器和光束分束器組成，是一種 ZnSe 濾光片，它根據其塗層的特性，選擇性地透射特定波長範圍的光，同時反射另一種波長的光。

2.4.1 ZnSe合束器

直徑公差： + 0 / -0.13毫米
厚度： ±0.25mm
表面平整度： 每 4″Dia@1nm λ/632.8
表面質量： 40-20 標清
AOI： 45°

ZnSe光​​束合束器將兩束或多束光束合併成一束，用於CO₂_雷射系統的對準。它們通常會透射長波長光束並反射短波長光束，而反向光束合束器則透射短波長光束並反射長波長光束。 CO₂_光束合束器設計入射角為45°，透射雷射光束，並將其與90°反射的可見光對準光束合束。

表10： Wavelength Opto-Electronic ZnSe 合束器

2.4.2 硒化鋅分束器

直徑公差： + 0 / -0.13毫米
厚度： ±0.25mm
表面平整度： λ/4 每 1'' 直徑@632.8nm
表面質量： 60-40 標清

與光束合束器不同，ZnSe分束器用於將雷射光束分成多條光路，從而實現同步處理或監測。它們還可以將部分光束重新定向，用於對準或校準。 ZnSe分束器通常會鍍膜，以在CO₂雷射波長下獲得特定的反射率或透射_率。

光的透射和反射取決於各種參數，例如入射角、偏振態和輸入光束的波長。 入射角為45°時，s和p偏振光的透射率和反射率值存在較大差異，因此設計的ZnSe分光鏡就是針對該角度。

表11： Wavelength Opto-Electronic ZnSe 分束器

2.5 激光衰減器

激光衰減器用於通過降低激光強度來控制激光功率。 它們在微調傳遞到工件的能量時非常有用，特別是在功率過大可能導致不良影響的應用中。 激光衰減器利用濾波器或可變機構來實現所需的功率調整。

波長： 355/532/1064nm
類型： 傳輸模式
通光孔徑： 14mm
光束偏移： 0.5mm
消光比： > 200：1
衰減範圍： 0.5％95％
傷害閾值： >5J/cm²@1064nm，20ns，20Hz
重量： 

編號。： ATTN-10600-WC-V1
波長： 10.6μm
通光孔徑： 最大 19 毫米（可定制）
傳輸範圍： 10 - 90％
傷害閾值： 1兆瓦/公分^²
解析度： 5%

表12： Wavelength Opto-Electronic 激光衰減器

3.一氧化碳₂ 激光光學應用

二氧化碳雷射光學元件的重要性在於其能夠優化光束品質、控制光束參數並提升系統整體性能。高品質的光學元件可確保最小的損耗、更小的光束發散角和更佳的聚焦性能，最終提高製程效率、減少停機時間並獲得更高品質的輸出。由於二氧化碳雷射光學元件能夠以極高的精度輸出高功率_雷射光束，因此被廣泛應用於各種領域。一些值得注意的應用包括：

3.1 材料加工

二氧化碳_雷射廣泛應用於切割、雕刻、打標和焊接各種材料，包括金屬、塑膠、木材和陶瓷。高品質的光學元件可確保精確聚焦、光束形狀控制和更高的加工效率。

3.2醫療

二氧化碳雷射器因其精準的組織消融能力而被廣泛應用於外科手術、皮膚科和眼科。光學器件使外科醫生能夠高度控制雷射能量，用於皮膚再生、腫瘤切除和眼科手術等_。

3.3 科學研究

二氧化碳_雷射是科學研究中不可或缺的工具，尤其是在光譜學、大氣監測和粒子加速等領域。光學元件能夠實現精確的光束控制、對準和操控，從而促進準確的數據收集和分析。

4. 結論

二氧化碳_雷射光學元件是充分發揮_二氧化碳雷射系統在各產業應用潛力的關鍵組成部分。透過精心選擇和應用反射鏡、透鏡、視窗、分束器和衰減器等光學元件，可實現對高功率雷射光束的精確控制、操控和傳輸。隨著技術的進步，二氧化碳雷射光學元件有望進一步發展_，為各種應用領域帶來更高的精度、效率和創新性。

總體而言，CO₂ 激光光學器件是 CO 的重要組成部分₂ 激光。 它們在激光束的傳輸和聚焦中起著至關重要的作用，最終決定了激光器的性能。 通過適當的保養和維護，CO₂ 激光光學器件可以提供多年的可靠服務。 Wavelength Opto-Electronic 設計和製造各種CO₂ 激光光學器件，例如 CO₂ 激光鏡片和 CO₂ 適用於 CO 的激光鏡₂ 激光系統。