Wie finde ich das richtige Objektiv für meinen Laser?

Mit einem einzigen "normalen" Objektiv ist das nicht möglich. Da die Strahlbreite 4,25 Zoll betragen muss, benötigen Sie eine Linse, die breiter ist (was im Vergleich zu normalen optischen Komponenten riesig ist). Die Brennweite des Objektivs müsste 4,25 Zoll/(2*sin(60 Grad)) ~ 2,5 Zoll = 63,5 mm betragen, was kleiner ist als die Breite des Objektivs, und Sie können keine normalen plankonvexen Linsen herstellen so was.

Sie haben zwei Möglichkeiten – Sie können mehrere Linsen verwenden (eine Linse zum Kollimieren, dann ein Linsenpaar, um sie auf eine größere Strahlbreite zu erhöhen), oder Sie können auch mit einer Fresnel-Linse gute Ergebnisse erzielen – eine ziemlich nah an dem, was Sie brauchen, ist hier . Die zweite Option wird wahrscheinlich viel billiger sein, kann aber unter mehr Aberrationen leiden.

Lassen Sie uns zuerst den Kommentar von Benutzer Jim herunterholen, um ihn zu erhalten, da dies die erste wesentliche Idee ist:

Beachten Sie, dass Sie die Quelle wie einen Brennpunkt behandeln können. Dann kann jedes Objektiv verwendet werden, das groß genug ist, um den Laser zu handhaben. Sie müssen es nur eine Brennweite von der Quelle entfernt platzieren

Um die großartige Antwort von ARMS zu ergänzen , haben Sie selbst ein nicht triviales Designproblem.

Wenn Sie von ARMs Vorschlag ausgehen, sind die beiden Linsen, die die Strahlbreite "erhöhen", ein sogenanntes Galileisches Teleskop : Die erste Linse ist eine Zerstreuungslinse, die einen virtuellen Fokus des kollimierten Strahls bildet, und die zweite ist eine konvergierende der den virtuellen Fokus der ersten Linse kollimiert, dh die Brennpunkte der beiden Linsen liegen übereinander. Ich habe unten noch einen Vorschlag.

Sie müssen wahrscheinlich jemanden in Ihrer Schule finden (wenn Sie ein Universitätsforscher sind) mit optischen Designkenntnissen und Zugang zu einem Programm wie Zemax oder Code V. Wenn Sie in der Industrie tätig sind, müssen Sie dieses Fachwissen einkaufen. Da Sie ein System entwerfen, um nur einen Punkt auf der Achse abzubilden, könnten Sie wahrscheinlich einen einfachen Raytracer in Mathematica schreiben und damit die folgende allgemeine Idee optimieren.

Ihr System ist angesichts seiner enormen Größe etwas ironischerweise so ziemlich das gleiche Konstruktionsproblem wie das eines hochleistungsfähigen unendlich konjugierten Mikroskopobjektivs. Born und Wolf, „Grundlagen der Optik“hat eine gute Beschreibung der allgemeinen Idee unter Verwendung der aplanatischen Punkte einer sphärischen Linse. Abschnitt 6.4, insbesondere unter der Diskussion des High-Power-Ziels, ist ein Muss für Sie. Die Grundidee ist, dass man den Strahl in vielen Schritten durch eine Folge von schwach konvergierenden Linsen kollimiert. Sie verwenden eine Optik mit kleinem Durchmesser in der Nähe Ihres Strahls, um den Strahl ein wenig zu konvergieren: Dadurch entsteht ein virtuelles Bild des Fokus der Laserausgabe an einem Punkt, der hinter dem tatsächlichen Fokus liegt. Dann konvergiert eine etwas größere Optik den Strahl etwas mehr, wodurch ein virtuelles Bild noch weiter hinter dem Laser entsteht. Schließlich kollimieren Sie Licht von einem virtuellen Bild, das Meter entfernt sein kann: Der Trick besteht darin, nur ein wenig Konvergenz auf einmal zu erzielen: Schwache Linsen sorgen für eine sehr geringe Aberration: wenn Sie eine optische Gesamtleistung aufteilen$n$Objektive variiert die Aberration jedes einzelnen ungefähr wie zwischen$\frac{1}{n^2}$Und$\frac{1}{n^4}$, so dass Sie durch diese Teilung eine drastische Verringerung der Aberration erreichen können. Ich habe die grobe Idee unten skizziert:

Es kann sogar sein, dass jemand wie QED Technologieskönnte eine riesige kundenspezifische asphärische Linse bauen, um Ihre Arbeit mit einer Linse zu erledigen: QED verwendet magnetorheologische Veredelung, um alle Arten von Formen mit hervorragender Oberflächenqualität zu erstellen. Hier wird der Fluss einer abrasiven, ferromagnetischen Flüssigkeit durch präzise Magnetfelder von einem Computer gesteuert, der die Flüssigkeit zum Schneiden der Oberfläche verwendet, die Oberfläche dann automatisch interferometrisch untersucht und dann einen weiteren Polierdurchgang durchführt, um automatisch so ziemlich jede Art von Oberfläche zu erstellen brauchen. (HAFTUNGSAUSSCHLUSS: Ich arbeite weder für QED noch habe ich für sie gearbeitet und bin auch kein Investor in sie: Ich finde ihre Prozesse einfach faszinierend: Sie sind so ziemlich einzigartig für QED und äußerst genau und effektiv. Leider hat QED eine schwierig, genügend Kunden für ihre herausragenden Fähigkeiten in einem so spezialisierten Bereich zu finden).

Abhängig von Ihren Aberrationsanforderungen wird der Aufbau dieses Systems aus benutzerdefinierten sphärischen oder asphärischen Optiken entweder sehr zeitaufwändig oder teuer sein, wenn Sie die Fähigkeiten erwerben müssen. Ich würde auf jeden Fall zuerst die Fresnel-Idee ausprobieren, obwohl dies verlustbehaftet sein wird.

Zwei erwähnenswerte Kommentare:

Vom Benutzer ThePhoton

RE: "Sie könnten wahrscheinlich einen einfachen Raytracer in Mathematica schreiben und ihn verwenden, um die folgende allgemeine Idee zu optimieren." Ich traf einen Typen, der das einmal gemacht hat, und das Ergebnis war Optica

Meine eigene Kopie von Optica kostete mehrere tausend Dollar, aber es gibt akademische Versionen. Sie benötigen für Ihr Problem nur eine sehr kleine Teilmenge.

Von Benutzer J ... :

Für den Preis einer kundenspezifischen Arbeit wie dieser könnten Sie wahrscheinlich ein gebrauchtes 6-Zoll-Interferometer finden, das einen hervorragenden kollimierten Strahl liefert, wenn Aberrationen wichtig wären.

Dies ist ein ausgezeichneter Vorschlag. 4" und 6" sind Standardgrößen für Interferometer: Es gibt viele Kollimatoren und Strahlaufweiter für sie, die herumschwimmen. Diese Seite kann einen Blick wert sein.

Sie müssen wissen, dass Ihr Ausgangsstrahl bei divergiert$\frac{\sqrt{3}}{2}\approx 0.87{\rm NA}$(numerische Apertur) und dies ist, was Sie auf einen Durchmesser von 4,52 Zoll kollimieren möchten: Dies ist die Spezifikation, die Sie den Lieferanten mitteilen müssen. Der Linseneingang - 0,87 NA - ist WIRKLICH schnell - eher schneller als die meisten Interferometer-Kollimatoren, die ich gesehen habe ( das ist optische Redewendung - historisch kommt es von Kameraobjektiven: Je größer die numerische Apertur, desto mehr Licht wird eingelassen und desto schneller wird ein Bild aufgenommen).