Frage zur Fokussierung von IR-Lasern

Die minimale Spotgröße kann durch Berechnung der Strahltaille mit Gaußscher Strahloptik ( Wikipedia ) abgeschätzt werden:

$$\text{smallest spot size}= 2\omega_0=\frac{2\lambda}{\pi NA}$$

Wo$\omega_0$ist definiert als Strahlradius im Fokuspunkt,$\lambda = 10.4$µm ist die Wellenlänge und NA ist die numerische Apertur Ihres optischen Systems. Wir können NA wie folgt berechnen:

$$NA=\frac{D}{2f}$$

Wo$D$= 0,25" ist der Strahldurchmesser und die Brennweite der Linse$f$= 2,5" oder 5". So$NA$= 0,05 bzw. 0,025.

Dies bedeutet die kleinste Punktgröße$2w_0$= 132 µm = 0,0052 Zoll für das 2,5-Zoll-Objektiv und 265 µm = 0,0104 Zoll für das 5-Zoll-Objektiv. Ich würde sagen, Ihr Lieferant hat recht, die 0,009 Zoll, die Sie erreichen, sind nahe an der physikalischen Grenze. Ein paar Anmerkungen:

• Sie sollten das 2,5-Zoll-Objektiv verwenden, dies sollte Ihnen einen kleineren Fokus geben (aber normalerweise führen kleinere Brennweiten zu höheren Aberrationen, was uns zum nächsten Punkt bringt).
• das genaue Laserstrahlprofil ist ziemlich wichtig. Ist Ihr Strahl gaußförmig? Aberrationen im Strahl verzerren die Form des Fokuspunkts und können die Punktgröße vergrößern.
• Sie haben Ihre Definition Ihres Strahldurchmessers nicht erwähnt, das ist eine Wissenschaft für sich: Wikipedia . Wenn Sie den letzten Tropfen aus Ihrem optischen System herausholen wollen, werden diese Dinge wichtig.

Ja, es ist möglich. 0,009" = 228$\mu$m ist etwa 20x größer als die Wellenlänge Ihres (ich nehme an) CO2-Lasers. So. Theoretisch können Sie viel stärker fokussieren.

Es gibt jedoch einige praktische Probleme. Ich bin mit den Besonderheiten von Laserschneidwerkzeugen überhaupt nicht vertraut, aber hier sind einige allgemeine Dinge, über die man nachdenken sollte:

Um enger zu fokussieren, benötigen Sie eine höhere numerische Apertur (NA) mit einem relativ sauberen, gutmütigen Laserstrahl. Wenn Laserlicht aus allen Richtungen auf Ihr Objektiv trifft, wird es nicht gut fokussieren. Wenn Ihr Strahl gut kollimiert ist, auch wenn das Profil hässlich aussieht, können Sie gut fokussieren. Wenn Sie viel diffuse Streuung usw. haben, können Sie die Kollimation bereinigen, indem Sie auf Kosten der Laserleistung einen räumlichen Filter verwenden.

Der nächste Schritt besteht darin, Ihre NA zu verbessern. Dies bedeutet im Grunde, ein Objektiv mit einer kürzeren Brennweite zu kaufen. Wenn Sie nicht den gesamten Durchmesser Ihres Objektivs nutzen, können Sie Ihren Fokus auch verbessern, indem Sie die Strahlgröße mit einem Teleskop (aus zwei ZnSe-Linsen) erweitern, bevor Sie es fokussieren (im Gegenzug wird dadurch Ihr Fokuspunkt kleiner). Dies ist wahrscheinlich mehr Mühe als es wert ist, es sei denn, Sie haben bereits eine große Optik und einen kleinen Strahldurchmesser, obwohl Sie dies in Betracht ziehen könnten, da Ihr Strahl relativ klein ist.

Zu den Problemen bei der Verwendung eines Objektivs mit einer kleineren Brennweite gehören:

(A) Kürzerer Arbeitsabstand (Abstand zwischen Objektiv und Zielfläche). Um die Spotgröße drastisch zu reduzieren, müssen Sie mit Arbeitsabständen im Millimeterbereich arbeiten. Wenn Sie nur nach einem Faktor von 2 suchen, skaliert Ihre Punktgröße im Grunde mit der Brennweite. Ich bin mir nicht sicher, ob das in Ihrem Tool funktioniert, aber wenn Sie die Oberfläche in die Nähe bringen können, dann versuchen Sie es auf jeden Fall.

(B) Linsenschaden. Bei einer wirklich eng fokussierenden Linse beginnt sich der Strahl deutlich zu fokussieren, bevor er das Linsenmaterial verlässt. Wenn die Intensität des Lichts über die Linsenschadensschwelle hinaus ansteigt, werden Sie offensichtlich Probleme haben. Ob dies ein Problem sein wird, hängt von den Details Ihrer Einrichtung ab. Sie können dieses Problem mildern, indem Sie eine plankonvexe Linse "rückwärts" (mit der gekrümmten Seite zum Fokus) verwenden, aber dies ist möglicherweise nicht erforderlich, und dies führt zu Aberration.

(C) Dicke der Linse. Je kürzer die Brennweite, desto dicker die Linse. Dies kann ein (kleines) Problem sein, wenn die Objektivfassung Ihres Werkzeugs nicht kompatibel ist.

Außerdem möchten Sie sicherstellen, dass im Fokus keine anderen Aberrationen aufgrund von Fehlausrichtung oder sphärischen Aberrationen vorhanden sind. Ich empfehle die Verwendung einer asphärischen Linse, wenn Sie versuchen, einen engen Fokus zu erzielen.

Schließlich, je nachdem, wie gut Ihr Material schneidet, könnte ein engerer Fokus ein strittiger Punkt sein. Wenn die Rauheit der Schnittkante in der Größenordnung der Laserfokusbreite liegt, erhalten Sie durch Verringern des Fokus sowieso keine schmalere Linie.

Hoffe das hilft!