Колімація та фокусування лазерного променя: як працює оптична система
Лазерне джерело саме по собі ще не формує робочу пляму потрібного розміру на поверхні металу. Між джерелом та деталлю розташована оптична система, яка змінює геометрію пучка, спрямовує його та концентрує енергію в заданій точці. При підборі обладнання спеціалісти Raymark-Україна враховують як потужність джерела, так і параметри цієї оптики. Від неї залежать розмір плями, робоче поле, щільність енергії та якість обробки.
Навіщо лазерному променю потрібна колімація
Випромінювання після виходу з джерела не можна вважати абсолютно паралельним. Пучок має певну розбіжність: у міру поширення діаметр змінюється. Для подальшої роботи оптичної системи потрібно отримати промінь із малою кутовою розбіжністю.
Це завдання виконує коліматор. Він перетворює розбіжне випромінювання у практично паралельний пучок заданого діаметра.
Спрощено цю залежність можна представити так:
d ≈ 4M²λf / πD
де d – діаметр сфокусованої плями, M² – коефіцієнт якості променя, λ – довжина хвилі, f – фокусна відстань об'єктива, D – діаметр пучка перед об'єктивом.
Формула показує головну закономірність: збільшення D зменшує пляму, а збільшення f її розширює.
Це завдання виконує коліматор. Він перетворює розбіжне випромінювання у практично паралельний пучок заданого діаметра.
Спрощено цю залежність можна представити так:
d ≈ 4M²λf / πD
де d – діаметр сфокусованої плями, M² – коефіцієнт якості променя, λ – довжина хвилі, f – фокусна відстань об'єктива, D – діаметр пучка перед об'єктивом.
Формула показує головну закономірність: збільшення D зменшує пляму, а збільшення f її розширює.
Що відбувається з променем під час фокусування
Після колімації паралельний пучок надходить на оптику, що фокусує. Лінза спрямовує промінь до однієї точки. В області фокусу він досягає мінімального поперечного розміру, а потім діаметр знову росте.
Саме в зоні мінімального діаметра виникає висока щільність потужності. Для умовного розрахунку візьмемо лазер потужністю 30 Вт. Якщо діаметр плями становить 50 мкм, його площа дорівнює приблизно 0,00196 мм². Середня потужність, віднесена до цієї площі, становить близько 15,3 кВт/мм².
Якщо діаметр збільшити вдвічі – до 100 мкм – площа зросте вже в 4 рази, приблизно до 0,00785 мм². За тих самих 30 Вт буде вже близько 3,8 кВт/мм².
Тобто дворазове збільшення діаметра знижує середню густину потужності приблизно в чотири рази. Для імпульсних маркіраторів фактична взаємодія з матеріалом додатково залежить від енергії імпульсу, його тривалості, частоти та перекриття імпульсів.
Саме в зоні мінімального діаметра виникає висока щільність потужності. Для умовного розрахунку візьмемо лазер потужністю 30 Вт. Якщо діаметр плями становить 50 мкм, його площа дорівнює приблизно 0,00196 мм². Середня потужність, віднесена до цієї площі, становить близько 15,3 кВт/мм².
Якщо діаметр збільшити вдвічі – до 100 мкм – площа зросте вже в 4 рази, приблизно до 0,00785 мм². За тих самих 30 Вт буде вже близько 3,8 кВт/мм².
Тобто дворазове збільшення діаметра знижує середню густину потужності приблизно в чотири рази. Для імпульсних маркіраторів фактична взаємодія з матеріалом додатково залежить від енергії імпульсу, його тривалості, частоти та перекриття імпульсів.
Чому короткофокусна лінза формує меншу пляму
Фокусна відстань пов'язана з розміром плями. За однакової довжини хвилі та діаметрі вхідного пучка об'єктив з фокусною відстанню 100 мм здатний сильніше звести промінь, ніж об'єктив на 250 мм.
Реальні характеристики промислових об'єктивів F-Theta добре показують цю залежність. Для оптики, розрахованої на 1064 нм, існують, наприклад, такі параметри:
Це характеристики конкретної серії об'єктивів, тому їх не можна механічно переносити на будь-який лазерний верстат. Але загальну тенденцію видно добре: збільшення робочого поля зазвичай потребує більшої фокусної відстані та робочої дистанції. Додатково на підсумковий діаметр впливають вхідний пучок, конструкція об'єктива, аберації та якість самого променя.
Реальні характеристики промислових об'єктивів F-Theta добре показують цю залежність. Для оптики, розрахованої на 1064 нм, існують, наприклад, такі параметри:
Фокусна відстань | Робоче поле | Діаметр плями 1/e² | Робоча дистанція |
100 мм | 56,5 × 56,5 мм | 17 мкм | 107,9 мм |
152,2 мм | 86 × 86 мм | 26 мкм | 171,2 мм |
165,1 мм | 116,2 × 116,2 мм | 26 мкм | 188,1 мм |
254 мм | 157 × 157 мм | 25 мкм | 304,6 мм |
273,2 мм | 164 × 164 мм | 31 мкм | 313 мм |
Це характеристики конкретної серії об'єктивів, тому їх не можна механічно переносити на будь-який лазерний верстат. Але загальну тенденцію видно добре: збільшення робочого поля зазвичай потребує більшої фокусної відстані та робочої дистанції. Додатково на підсумковий діаметр впливають вхідний пучок, конструкція об'єктива, аберації та якість самого променя.
Навіщо в маркіраторах використовують F-Theta об'єктив
Звичайної лінзи, що збирає, достатньо, якщо промінь постійно направлений в одну точку. У лазерному маркіраторі він повинен швидко переміщатися площею, наприклад 100 × 100 або 150 × 150 мм.
Перед об'єктивом стоять два гальванометричні дзеркала. Одне відхиляє промінь по осі X, друге – по Y. За рахунок повороту дзеркал промінь за мілісекунди переміщується між окремими ділянками зображення.
Тут постає проблема геометрії. Проста лінза при відхиленні променя формувала б фокус на викривленій поверхні. F-Theta об'єктив розрахований так, щоб створити плоске робоче поле та зберегти прийнятну якість плями по всій зоні сканування. Таку оптику використовують разом із гальванометрами, розширювачами пучка та лазерними джерелами.
Перед об'єктивом стоять два гальванометричні дзеркала. Одне відхиляє промінь по осі X, друге – по Y. За рахунок повороту дзеркал промінь за мілісекунди переміщується між окремими ділянками зображення.
Тут постає проблема геометрії. Проста лінза при відхиленні променя формувала б фокус на викривленій поверхні. F-Theta об'єктив розрахований так, щоб створити плоске робоче поле та зберегти прийнятну якість плями по всій зоні сканування. Таку оптику використовують разом із гальванометрами, розширювачами пучка та лазерними джерелами.
Висновок
Колімація та фокусування визначають геометрію лазерного пучка на всіх етапах його проходження через оптичну систему. Від діаметра пучка, фокусної відстані та характеристик F-Theta об'єктива залежать розмір робочої плями, концентрація енергії та якість обробки.
