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文檔簡介

1、聚焦光斑大小的確定在進(jìn)行激光切割時(shí),需要將一束激光聚焦在一塊盡可能小的光斑上。如果需 使功率密度最大以進(jìn)行精密切割,這是完全必需的。光斑大小受多種因素的影響。 其中最重要的因素有:?激光模式(M2)?衍射?球差透鏡的形狀和焦距可以決定后兩種因素。當(dāng)然,激光模式是由激光器和光束 傳輸系統(tǒng)決定的。1.衍射光具有波的性質(zhì),因此不可避免地會出現(xiàn)衍射現(xiàn)象,該現(xiàn)象存在于所有的光 學(xué)系統(tǒng)中,能夠決定這些系統(tǒng)在性能方面的理論限值。衍射會使光束在傳播過程 中發(fā)生橫向擴(kuò)展。如果在對某個(gè)準(zhǔn)直激光光束進(jìn)行聚焦時(shí)使 用的是一個(gè) 理想” 透鏡,那么光斑的大小將只受衍射作用的影響。計(jì)算光斑大小的公式如下:«poc

2、 size due to _difFratdonnDwhere, Xis wavelength fis lens focal length Dis input beam drameter at the lens(at the I/e! point) MT is the beam mode parameter這一等式可以用來計(jì)算由非球面透鏡產(chǎn)生的光斑大小。衍射產(chǎn)生的最重要的影響是,它使光斑大小隨焦距線性增加,但與光束的直徑成 反比。因此,如果某個(gè)特定透鏡的輸入激光光束直徑增加,由于衍射變?nèi)?,光?會變小。而且,如果對于某個(gè)特定激光光束,當(dāng)焦距 減小時(shí),光斑也會變小。M2-激光模式參數(shù):正如您在上

3、一個(gè)公式中看到的那樣,焦點(diǎn)的大小與激光模式參數(shù),即M2成 正比。M2表示某條特定光束在傳播過程中的發(fā)散速度;對于一條理想的TEMoo 激光光束而言,M2二1。這個(gè)參數(shù)是用高級儀表測出的,激光器制造商的規(guī)格中 也會提供這一參數(shù)。2.球差您可以用一個(gè)理想透鏡,對經(jīng)過準(zhǔn)直處理 的同軸光線進(jìn)行聚焦。所有通過光學(xué)元件軸心的光線將形成一個(gè)光斑,光斑的尺寸是由衍射中的衍射 公式?jīng)Q定的。 不過,許多透鏡都會受到球差的影響。球差帶來的后果是,與那些穿過透鏡中央 的光線相比,那些穿過透鏡邊緣的光線與光軸的交點(diǎn)離透鏡更近,如圖所示。Slmpk Plano-Convex Lent Lots af Spherical

4、Aberration Spberical aberradon ia th.亡 moat irnportan L aberration for kmiU used in. laser applicatiom.Positive Meniscus LensBest Defiljn for IR Laser ApplicationNote_rays DO NOT comere to commoiD point圖1球差產(chǎn)生示意圖球差會使光斑的尺寸增大并將最佳聚焦點(diǎn)移到與計(jì)算出的有效焦距不同的 位置上。球差是一個(gè)與多種因素有關(guān)的函數(shù),這些因素包括透鏡形狀、朝向和折 射率。例如,如要使冕玻璃透鏡聚焦的可見光

5、光斑最小,那么最好采用雙凸透鏡 的形狀。反之,如果是硒化鋅透鏡用在10.6口波長,那么最好將其設(shè)計(jì)為凹凸 透鏡來盡量減小光斑尺寸。在特定環(huán)境下的實(shí)際光斑大小是由光線的軌跡決定的;不過,您可以利用公 式,估算出在使用最佳形狀的透鏡時(shí),由球差 帶來的光斑大小,即:spot size due to _ kD"spherical aberration P其中:f為透鏡的焦距D為輸入光束在透鏡處的直徑(在1/e2點(diǎn)處)k是一個(gè)折射率函數(shù)上述公式最值得注意的一點(diǎn)是,球差帶來的光斑大小與光束直徑的立方成正 比,而與焦距的平方成反比。因此,對于某個(gè)特定透鏡,如果激光光束直徑減小, 由于球差的關(guān)系,光

6、斑會迅速變小。類似地,對于某個(gè)特定光束直徑,如果焦距增大,則球差帶來的光斑會相應(yīng)減小。對于所有在列的材料而言,用它們制成的 凹凸透鏡,其k值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于制成的平凸透鏡的k值。因此,當(dāng)球差較大時(shí),凹 凸透鏡的性能優(yōu)于平凸透鏡。下表中列出的是多種 材料在使用波長為10.6阿 的光線照射時(shí)得出的k 值:k 10.6pmMaterialPlatKKortvexZnSe0.0187O.O2S6OjOIU0.0289Ge0.00870.0295CdTeQ.01550.02843 確定光斑大小可以通過平衡衍射和球差的光斑 效應(yīng)來得到出某個(gè)特定透鏡的最小光斑 尺 寸。例如,對于一個(gè)焦距為5.00'的硒化鋅

7、凹凸透鏡,其因衍射和球差 帶來的光 斑大小可以表示為一個(gè)以輸入光束直徑為參數(shù)的函數(shù),如下所示。這一結(jié)論假設(shè) 該透鏡采用的是一條理想的極限衍射輸入光束(M2=1)。衍射和球差帶來的光斑 大小之和也顯示在圖中。JJJA/oirfractiioHz Abterkal mtlon-7.0102030405060Inpul Bttiam Dlamatfti (mnijZSO200150100500圖2衍射和球差帶來的光斑大小從圖2中可以看出,由球差和衍射帶來的總光斑尺寸有一個(gè)最小值。當(dāng)輸 入光束直徑為25mm時(shí),此最小值為85um。嚴(yán)格地說,將球差和衍射 帶來的 光斑大小簡單相加求和并不能得到正確的實(shí)際

8、光斑大小,但它能估算出最壞的情 況下光斑尺寸,一般來講,它可被用作選擇透鏡的合適參數(shù)。總結(jié)如下:spot sizeto(Sll 二 spot sizedifftcU(m 十再卩sizeabenwlOfl4XMJf kD3ttD + f1where, fis lens focal length Dis iupiil beam diameter at the lens(at che l/es point) kis an index of ref raction tiiaction Msis tlie beam mode parameter 1is wavelength4 透鏡形狀在計(jì)算光斑大小的公

9、式中,我們可以看到,衍射帶來的光斑大小與透鏡形狀 無關(guān),但透鏡形狀會通過參數(shù)k影響球差帶來的光斑大小。因此,當(dāng)球差 帶來 的光斑占較大比例時(shí)(發(fā)生在低光圈值的情況下),透鏡的形狀就變得很重要了。在某些情況下,想要精確地計(jì)算出光斑大小是不可能的。例如,當(dāng)激光器包 含高次模光時(shí),您很難準(zhǔn)確地探測和分析高次模光對透鏡性能的影響。在此類情 況下您可參考以下原則,光圈值在f/5以下時(shí),凹凸透鏡具有較好的性能。如 果光圈值介于5和10之間,兩種透鏡形狀 間的性能差異就可以忽略不計(jì)了。 如果光圈值大于f /10,透鏡形狀不會使性能 產(chǎn)生顯著差異。5. 壓力加載經(jīng)常我們需要在真空室和外界之間用透鏡或光學(xué)窗口鏡

10、作為窗口,或者光學(xué) 元件必須承受壓力。鑒于大多數(shù)紅外光學(xué)元件的成本,以及可能出現(xiàn)的安全問題, 承受壓力的光學(xué)元件必須有足夠的厚度才不致于在加載時(shí)發(fā)生破裂。另一方面, 由于厚度增加會使光學(xué)元件的透射性能下降,因此,出于光學(xué)方面的考慮,最好 是盡量減小其厚度。下文中列出的公式將介紹如何計(jì)算出承受壓力的光學(xué)元件所需的厚度。在計(jì) 算時(shí),我們假設(shè)光學(xué)窗口邊緣由光學(xué)法蘭從下部支撐,上表面處于釋放狀態(tài)。這 里沒有包括會影響某些特定應(yīng)用場合所需厚度的一些重要因素,比如:安裝法蘭的大小由安裝或密封產(chǎn)生的應(yīng)力法蘭夾持應(yīng)力法蘭平整度熱膨脹應(yīng)力振動效應(yīng)壓力循環(huán)或突增熱沖擊熱循環(huán)安裝表面的硬度安裝表面的粗糙度光學(xué)元件邊

11、緣的粗糙度所要滿足的光學(xué)指標(biāo)由于不可能把所有這些因素都包括在分析中,最常見的做法是在公式中加入 安全系數(shù)”,這將使計(jì)算厚度增加到足以應(yīng)付大多數(shù)應(yīng)用的程度。這將得出下列 卜式:對于一個(gè)圓形窗口,其最小厚度為:the thickness in inches is the radius of the unsupported circuhr area in inches is the pressure in psi S is the safety factorA safery factor of 4 is t)pkal for mc>$T <ippEicaik)fl» M i$

12、the rupture nitKiulus of thecnatenaJ being used in psi對于一個(gè)長方形窗口,其最小厚度為:TminspxtygM 7X2 z* T Sis the thkknejs in inches is lhe aafety factorA saiety factor W4 血 t)pka for most apph<ationsk P Xis the pressure in psiis the unsupported leaRth of the ioner side of tbe part in inches Yis the unsupporte

13、d length of the shorter sklc of the part m inches M話 the rupture m(*dulus in »iwhere t6. 有用的公式(1) .波與干涉條紋(兩種不同的波長)的換算Converiint Between Wave$ and Fnnget (Single WavelengthwwIM|*|An2JQV2X/405k/s025X/ip0.301/200.10g0.660.05Converting Between Waves and Fringes (2 D ifferen 1 Wa ve lens th eCOi LAc

14、«r$urfjK« Fifur*H*N»0.631n升infJU216741/48J7加<18Juic3J5jU301-67A/JOdB4誠042X/10Q0J3球面的弧矢值和厚透鏡的成像公式F = (n 1)-+ ¥嶷)where,is radim of cunTiture is diameterwhene,.* f in lena focil feiigtli* n isK indpv of inefraction* tis cmLet Lhkkness* Ris radius of curvaiune(Rl: convex is pmitnt

15、iE p concaanc is negaiiveRe- PW口啤 is poshiw,. mows isD£galiw)lF = (n 1)-+ ¥嶷)F = (n 1)-+ ¥嶷)聚焦深度和光通過平板的位移F = (n 1)-+ ¥嶷)F = (n 1)-+ ¥嶷)DOF - b=耳曲 a/p2-!It*J>Jwhere. f祖 kns. Focl length D is inpin beam, dtamieter ai ihe(ai the 1/e point* M1 諒 the beam mode pmuneter k函帕毗Irn

16、gth* ph; the wferante factorExample: If within the dhtancc b;, the spot size is to incrc-ase by no more than 5- percent (.05)1 from its minimuni value al the wzjst (a)? then p«1.05_where”d=竺蘭 Q 05 <is angte of LncideiKeis ijidrx. uf rtfrACliufii of ihr uiiErrial is llikkncssdisplaccnicntF = (n 1)-+ ¥嶷)F = (n 1)-+ ¥嶷)光通過小光楔時(shí)產(chǎn)生的偏移量和邊緣厚度變化(ETV和楔角F = (n 1)-+ ¥嶷)F = (n 1)-+ ¥嶷)F = (n 1)-+ ¥嶷)F = (n 1)-+ ¥嶷)光斑尺寸大小Spot sizegtai = spot szediffiactioa + spot rizeaberrationttDOptimum beam diameter for a fixed EFL:3?rkOptimum EFL for a fixed beam diameterT

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