Optické laserové čočky: Typy, aplikace a pracovní zásady

Optická laserová čočka Hrajte klíčovou roli v různých laserových systémech. Jsou navrženy tak, aby manipulovaly s laserovými paprsky, ať už je to zaostření, kolimaci nebo formování pro konkrétní aplikace. Jedinečné vlastnosti těchto čoček, jako je vysoká přesnost a schopnost zvládnout vysokoenergetické laserové paprsky, z nich činí základní komponenty v moderní technologii.

Typy optických laserových čoček

Sférické čočky

Charakteristiky: Sférické čočky jsou charakterizovány jejich refrakčním výkonem a zakřivením jejich povrchů čočky. V závislosti na tom, zda je čočka konvexní nebo konkávní, mohou sbližovat nebo odvrátit světelné paprsky. Například plano -konvexní sférická čočka je ve středu silnější a může zaostřit kolimovaný laserový paprsek do bodu.

Aplikace: Obvykle se používají v základních laserových zaostřovacích aplikacích, například v jednoduchých laserových řezácích nebo značkách, kde je nutné relativně základní zaostření laserového paprsku.

Asferické čočky

Charakteristiky: Asferické čočky jsou navrženy tak, aby opravovaly aberace. V monochromatickém světle mohou řešit problémy, jako jsou chyby ostrosti obrazu a zkreslení. Často se používají, když je zapotřebí přesnější zaostření laserového paprsku, protože ve srovnání se sférickými čočkami mohou výrazně snížit sférickou aberaci.

Aplikace: Typickou aplikací je zaostření kolimovaného paprsku na optické vlákno. V systémech vlákniny - optických komunikací pomáhají asférické čočky při účinném spojování laserového světla do vlákna a zajišťují minimální ztrátu signálu.

Válcové čočky
​
Charakteristiky: Cylindrické čočky, k dispozici v kulatých a obdélníkových formách, jsou navrženy tak, aby vytvářely linie nebo rozšíření paprsku v jednom směru. Plano - konkávní a plano - konvexní válcové čočky mohou změnit tvar laserového paprsku. Například plano - konvexní válcová čočka může transformovat kruhový laserový paprsek do linie - tvarovaný paprsek.

Aplikace: Oni se široce používají v aplikacích, kde je vyžadován laserový paprsek ve tvaru linky, například při laserovém skenování pro čtečky čárových kódů nebo v některých technikách zpracování materiálu, kde je pro řezání nebo gravírování potřebný dlouhý, úzký laserový paprsek v konkrétním směru.

Axikonové čočky

Charakteristiky: Čočky Axicon, známé také jako kónické čočky nebo rotačně symetrické hranoly, mají místo zakřiveného čočka jako tradiční čočky kuželovitý povrch. Typická čočka Axicon má plano - konvexní tvar. Používají se k přeměně kolimovaného laserového paprsku na kroužek - ve tvaru nebo ohniskové linii.

Aplikace: V některých lékařských aplikacích, například v určitých typech chirurgických zákroků založených na laseru, lze axikonové čočky použít k vytvoření specifického vzoru dodávání laserové energie. Používají se také v některých vědeckých výzkumných nastaveních pro vytváření jedinečných světelných vzorů.

Powell čočky

Charakteristiky: Čočky Powell jsou specializované čočky používané k přeměně kolimovaných laserových paprsků s Gaussovským distribucí intenzity do rovných jednotných linií. Ve srovnání se standardními válcovými čočkami, které produkují linie laserového paprsku s profily Gaussian intenzity, vytvářejí čočky Powell laserové potrubí s mnohem rovnoměrnějším rozložením energie přes laserové linie.

Aplikace: Často se používají v průmyslových aplikacích, jako je laserový rozměr, kde je pro přesná měření vyžadována vysoce jednotná linie - tvarovaný laserový paprsek.

Pracovní principy optických laserových čoček

Zaostření a kolimaci

Zaměření: Když laserový paprsek prochází zaostřovací čočkou, jako je Plano - konvexní čočka, čočka se ohýbá světlo paprsky směrem k ohniskovému bodu. Ohnisková vzdálenost čočky je určena faktory, jako je velikost vstupního laserového paprsku, požadovaná velikost bodového bodu a požadovaná hloubka zaostření. Například v laserovém řezacím stroji se zaostřovací čočka používá k koncentraci laserového paprsku na malé místo, čímž se v tomto bodě zvyšuje hustotu energie, aby se materiál účinně prořízl.

Kolimace: Kolimační čočka se na druhé straně používá k přeměně odchylného laserového paprsku ze zdroje na paralelní nebo kolimovaný paprsek. Ohnisková vzdálenost kolimační čočky může být stanovena na základě úhlu laserové divergence (FWHM - plná šířka při polovině maxima) a požadovaného průměru laserového paprsku. V laserovém ukazateli se kolimační čočka používá k tomu, aby laserový paprsek cestoval v přímce přes delší vzdálenost.

Tvarování paprsku

Generování linky: K přeměně kolimovaného laserového paprsku do linky se používají čočky laserových linků, jako jsou čočky Powell nebo čočky válcové čočky. Proces zahrnuje ohýbání laserového paprsku v jednom směru k vytvoření výstupu ve tvaru linie. Například v nástroji pro vyrovnávání laseru se používá linka - generátorová čočka k promítnutí přímé laserové linie na povrch, kterou lze použít pro účely vyrovnání.

Generace prstenu: Axikonové čočky se používají ke generování prstencového laserového paprsku. Kuželový povrch čočky axikonu způsobuje, že laserový paprsek bude přesměrován způsobem, který tvoří vzorec ve tvaru kruhu v určité vzdálenosti od čočky. To může být užitečné v aplikacích, kde je vyžadováno rozložení laserové energie ve tvaru prstenu, například v některých experimentech s optickým zachycením ve fyzice.

Aplikace optických laserových čoček

Zpracování materiálu

Řezání a svařování: V aplikacích pro řezání a svařování laseru se optické laserové čočky používají k zaostření laserového paprsku na místo vysoké hustoty energie. Vysoko - výkonové laserové čočky, často vyrobené z materiálů, jako je zinkový selenid (ZnSE) pro lasery CO₂, jsou schopny odolat vysokých hladinách energie. Například v automobilovém průmyslu se laserové čočky používají k řezání a svařování kovových dílů s vysokou přesností.

Označení a gravírování: Laserové značení a gravírovací systémy používají čočky k zaostření laserového paprsku na povrch materiálu. Čočka umožňuje přesnou kontrolu laserové energie na povrchu, která se používá k vytváření značek nebo rytin. Různé typy čoček lze použít v závislosti na označení materiálu a na požadované kvalitě značky.

Lékařské aplikace

Chirurgie: V laserových - asistovaných chirurgických postupech se optické laserové čočky používají k přesnému nasměrování a zaostření laserového paprsku. Například v oftalmické chirurgii se čočky používají k zaostření laserového paprsku pro korekci problémů se zrakem. Čočky musí být vysoce kvalitní, aby se zajistilo přesné dodání laserové energie do cílové tkáně.

Diagnostika: V některých lékařských diagnostických zařízeních se laserové čočky používají k nasměrování laserového světla na biologické vzorky. Odražené nebo přenášené světlo pak lze analyzovat, aby se získalo informace o vzorku. Například ve fluorescenci - diagnostické techniky na bázi fluorescence se čočky používají k zaostření excitačního laserového světla na vzorek a shromažďování emitovaného zářivkového světla.

Vědecký výzkum

Optické zachycení: V experimentech s optickým zachycení se objektivy axikony a další specializované čočky používají k vytvoření jedinečných vzorů laserového paprsku. Tyto vzorce lze použít k pasti a manipulaci s malými částicemi, jako jsou buňky nebo nanočástice, ke studiu jejich vlastností.

Spektroskopie: Laserové čočky se používají ve spektroskopických nastaveních k nasměrování laserového paprsku na vzorek a shromažďování světla emitovaného nebo absorbovaného vzorkem. Různé typy čoček se používají v závislosti na specifické spektroskopické technice, jako je Ramanova spektroskopie nebo absorpční spektroskopie.

Výběr správné optické laserové čočky

Při výběru optické laserové čočky je třeba zvážit několik faktorů:

Kompatibilita vlnové délky

Různé lasery pracují na různých vlnových délkách. Například lasery CO₂ obvykle pracují při 10,6 μm, zatímco ND: YAG lasery pracují při 1,064 μm. Materiál čočky a povlak musí být kompatibilní s laserovou vlnovou délkou. Například čočky vyrobené ze selenidu zinku (ZNSE) jsou vhodné pro lasery CO₂, zatímco čočky vyrobené z fúzovaného oxidu křemičitého se často používají pro viditelné a blízké infračervené lasery.

Laserová síla a energie

Vysoké - výkonové lasery vyžadují čočky, které bez poškození odolávají vysoké hladině energie. Materiál čočky a povlak by měli mít prahovou hodnotu poškození laseru. U aplikací pro řezání laseru s vysokým obsahem výkonu jsou čočky s prahy s vysokým poškozením nezbytné pro zajištění dlouhodobého a spolehlivého provozu.

Aplikace - specifické požadavky

V závislosti na aplikaci, jako je zaostření, kolimaci nebo tvarování paprsku, je třeba vybrat příslušný typ čočky. Například, pokud je pro průzkumnou aplikaci vyžadován laserový paprsek ve tvaru linky, byla by správná volba válcová nebo Powell čočka.

Porovnání různých optických laserových čoček

Závěr

Optické laserové čočky jsou základními součástmi v široké škále aplikací, od zpracování materiálu po lékařský a vědecký výzkum. Různé typy čoček, z nichž každá má jedinečné vlastnosti a pracovní principy, nabízejí různé způsoby manipulace s laserovými paprsky. Pečlivým zvážením faktorů, jako je kompatibilita vlnové délky, laserová síla a aplikaci - specifické požadavky, lze vybrat správný optický laserový objektiv, aby se zajistil optimální výkon v jakémkoli laserovém systému. Jak technologie neustále postupuje, pravděpodobně se také zlepší design a výkon optických laserových čoček, což v budoucnu umožní ještě přesnější a efektivnější laserové aplikace.