Коллимация и фокусировка лазерного луча: как работает оптическая система
Лазерный источник сам по себе еще не формирует рабочее пятно нужного размера на поверхности металла. Между источником и деталью расположена оптическая система, которая изменяет геометрию пучка, направляет его и концентрирует энергию в заданной точке. При подборе оборудования специалисты Raymark-Украина учитывают не только мощность источника, но и параметры этой оптики. От нее зависят размер пятна, рабочее поле, плотность энергии и качество обработки.
Зачем лазерному лучу нужна коллимация
Излучение после выхода из источника нельзя считать абсолютно параллельным. Пучок имеет определенную расходимость: по мере распространения его диаметр изменяется. Для дальнейшей работы оптической системы требуется получить луч с малой угловой расходимостью.
Эту задачу выполняет коллиматор. Он преобразует расходящееся излучение в практически параллельный пучок заданного диаметра.
Упрощенно зависимость можно представить так:
d ≈ 4M²λf / πD
где d – диаметр сфокусированного пятна, M² – коэффициент качества луча, λ – длина волны, f – фокусное расстояние объектива, D – диаметр пучка перед объективом.
Формула показывает главную закономерность: увеличение D уменьшает пятно, а увеличение f его расширяет.
Эту задачу выполняет коллиматор. Он преобразует расходящееся излучение в практически параллельный пучок заданного диаметра.
Упрощенно зависимость можно представить так:
d ≈ 4M²λf / πD
где d – диаметр сфокусированного пятна, M² – коэффициент качества луча, λ – длина волны, f – фокусное расстояние объектива, D – диаметр пучка перед объективом.
Формула показывает главную закономерность: увеличение D уменьшает пятно, а увеличение f его расширяет.
Что происходит с лучом при фокусировке
После коллимации параллельный пучок поступает на фокусирующую оптику. Линза направляет луч к одной точке. В области фокуса он достигает минимального поперечного размера, а затем его диаметр снова растет.
Как раз в зоне минимального диаметра возникает высокая плотность мощности. Для условного расчета возьмем лазер мощностью 30 Вт. Если диаметр пятна составляет 50 мкм, его площадь равна примерно 0,00196 мм². Средняя мощность, отнесенная к этой площади, составляет около 15,3 кВт/мм².
Если диаметр увеличить вдвое – до 100 мкм, – площадь возрастет уже в 4 раза, примерно до 0,00785 мм². При тех же 30 Вт будет уже около 3,8 кВт/мм².
То есть двукратное увеличение диаметра снижает среднюю плотность мощности примерно в четыре раза. Для импульсных маркираторов фактическое взаимодействие с материалом дополнительно зависит от энергии импульса, его длительности, частоты и перекрытия импульсов.
Как раз в зоне минимального диаметра возникает высокая плотность мощности. Для условного расчета возьмем лазер мощностью 30 Вт. Если диаметр пятна составляет 50 мкм, его площадь равна примерно 0,00196 мм². Средняя мощность, отнесенная к этой площади, составляет около 15,3 кВт/мм².
Если диаметр увеличить вдвое – до 100 мкм, – площадь возрастет уже в 4 раза, примерно до 0,00785 мм². При тех же 30 Вт будет уже около 3,8 кВт/мм².
То есть двукратное увеличение диаметра снижает среднюю плотность мощности примерно в четыре раза. Для импульсных маркираторов фактическое взаимодействие с материалом дополнительно зависит от энергии импульса, его длительности, частоты и перекрытия импульсов.
Почему короткофокусная линза формирует меньшее пятно
Фокусное расстояние напрямую связано с размером пятна. При одинаковой длине волны и диаметре входного пучка объектив с фокусным расстоянием 100 мм способен сильнее свести луч, чем объектив на 250 мм.
Реальные характеристики промышленных F-Theta объективов хорошо показывают эту зависимость. Для оптики, рассчитанной на 1064 нм, существуют, например, такие параметры:
Это характеристики конкретной серии объективов, поэтому их нельзя механически переносить на любой лазерный станок. Но общая тенденция видна хорошо: увеличение рабочего поля обычно требует большего фокусного расстояния и рабочей дистанции. Дополнительно на итоговый диаметр влияют входной пучок, конструкция объектива, аберрации и качество самого луча.
Реальные характеристики промышленных F-Theta объективов хорошо показывают эту зависимость. Для оптики, рассчитанной на 1064 нм, существуют, например, такие параметры:
Фокусное расстояние | Рабочее поле | Диаметр пятна 1/e² | Рабочая дистанция |
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 |
Это характеристики конкретной серии объективов, поэтому их нельзя механически переносить на любой лазерный станок. Но общая тенденция видна хорошо: увеличение рабочего поля обычно требует большего фокусного расстояния и рабочей дистанции. Дополнительно на итоговый диаметр влияют входной пучок, конструкция объектива, аберрации и качество самого луча.
Зачем в маркираторах используют F-Theta объектив
Обычной собирающей линзы достаточно, если луч постоянно направлен в одну точку. В лазерном маркираторе он должен быстро перемещаться по площади, например 100 × 100 или 150 × 150 мм.
Перед объективом стоят два гальванометрических зеркала. Одно отклоняет луч по оси X, второе – по Y. За счет поворота зеркал луч за миллисекунды перемещается между отдельными участками изображения.
Здесь возникает проблема геометрии. Простая линза при отклонении луча формировала бы фокус на искривленной поверхности. F-Theta объектив рассчитан так, чтобы создать плоское рабочее поле и сохранить приемлемое качество пятна по всей зоне сканирования. Такую оптику используют вместе с гальванометрами, расширителями пучка и лазерными источниками.
Перед объективом стоят два гальванометрических зеркала. Одно отклоняет луч по оси X, второе – по Y. За счет поворота зеркал луч за миллисекунды перемещается между отдельными участками изображения.
Здесь возникает проблема геометрии. Простая линза при отклонении луча формировала бы фокус на искривленной поверхности. F-Theta объектив рассчитан так, чтобы создать плоское рабочее поле и сохранить приемлемое качество пятна по всей зоне сканирования. Такую оптику используют вместе с гальванометрами, расширителями пучка и лазерными источниками.
Заключение
Коллимация и фокусировка определяют геометрию лазерного пучка на всех этапах его прохождения через оптическую систему. От диаметра пучка, фокусного расстояния и характеристик F-Theta объектива зависят размер рабочего пятна, концентрация энергии и качество обработки.
