Wie kann die Strahldivergenz in einem CO2CO2\rm CO_2-Laserschneider korrigiert werden?

Zunächst einige Fragen zu deinem Setup:

1. Muss der Laser stationär sein? Wenn Ihr Diagramm jedoch überhaupt maßstabsgetreu ist, kann es zu groß sein, um es zu verschieben. In diesem Fall,
2. Muss sich die Optik bewegen? Könnten Sie dieses System wie eine CNC-Schaftfräsmaschine konstruieren und den Tisch unter dem Laser fahren lassen? Eine Bewegung von 15 Fuß könnte jedoch zu viel für einen Bewegungstisch sein.
3. Ist Glasfaser nicht praktikabel? Es gibt Glasfasern, die CO mit hoher Leistung transportieren können$_2$Laserlicht. Eine schnelle Google-Suche bringt diese hervor:
   • http://www.jtingram.com/id10.html mit einem Link zu einem PDF-Katalog für Fasern, die 12 kW/cm verarbeiten können$^2$.
   • http://www.fibrephotonics.com/page/143/High-power-CO2-laser-delivery.htm , allerdings nur bis 50W.

Zweitens ist hier ein Experiment, mit dem Sie versuchen können zu sehen, ob die Strahldivergenz tatsächlich ein Problem darstellt. Wiederholen Sie Ihre Punktgrößenmessungen in verschiedenen Abständen, aber anstatt einen Stein direkt zu schmelzen, platzieren Sie Ihre Fokussierlinse vor dem Strahl. Bewegen Sie dann den Stein hin und her, bis Sie den Abstand von der Linse mit dem kleinsten geschmolzenen Fleck finden. Messen Sie die Größe dieses Flecks und den Abstand von der Linse im Vergleich zum Abstand zwischen dem Laser und der Linse. Wenn die Variation der Punktgröße und des Fokusabstands zu groß ist, lesen Sie weiter, um eine mögliche Lösung zu finden.

Wenn Sie einen Balken über eine lange Strecke transportieren möchten, besteht die Kunst darin, mit einem größeren Balkendurchmesser zu beginnen. Abbildung 5.5 im PDF, das in @akhmetelis Kommentar zu seiner Antwort verlinkt ist, zeigt, dass große Strahlen nicht so schnell divergieren wie kleine Strahlen. Die Gleichung für den Durchmesser eines Strahls als Funktion des Abstands von seiner engsten Stelle lautet

$$\omega(z) = \omega_0 \sqrt{1+\left(\frac{z\lambda}{\pi \omega_0^2 n}\right)^2}$$ Wo $z$ist der Abstand von der engsten Stelle (die die Laseröffnung sein sollte), $\omega_0$ist der Durchmesser des Strahls an seiner schmalsten Stelle, $n$ist der Brechungsindex des Materials, durch das der Laser wandert (was 1 für Luft ist), und $\lambda$ist die Wellenlänge des Lasers (10,6 Mikrometer für ein CO $_2$Laser). Weit entfernt vom Laser ist die Taille ungefähr $$\omega(z) \approx \frac{z\lambda}{\pi \omega_0 n}.$$ Wenn Sie also den Durchmesser des Strahls verdoppeln ( $\omega_0$), halbieren Sie den Divergenzwinkel (den asymptotischen Kegel in Ihrem Diagramm).

Das Setup, das ich mir vorstelle, ist im folgenden Diagramm dargestellt:

Ich habe mich dafür entschieden, außeraxiale Paraboloidspiegel anstelle von Linsen zu verwenden, da sie eine höhere Schadensschwelle haben als Linsen (zumindest die von ThorLabs). Sie können aber auch Linsen und flache Spiegel ersetzen, um den gleichen Effekt zu erzielen. Verwenden Sie in jedem Fall zwei Spiegel oder zwei Linsen in einer konfokalen Anordnung (Abstand zwischen den Elementen entspricht der Summe ihrer Brennweiten), um den Durchmesser des Strahls erheblich zu vergrößern und ihn so zu kollimieren, dass Sie ihn über jede Entfernung transportieren können, ohne sich Gedanken über Divergenz machen zu müssen. Verwenden Sie dann einen dritten Spiegel oder eine dritte Linse, die an Ihrem Bewegungssystem montiert ist, um den Strahl auf die Schnittfläche zu richten und zu fokussieren.

Einige Vorteile dieses Setups:

• Das Laserlicht ändert sich während seiner Reise entlang des langen Arms des Systems nicht wesentlich, so dass der endgültige Fokus seinen Ort in Bezug auf das letzte Fokussierelement nicht ändert. Je größer der Strahldurchmesser ist, desto besser ist diese Näherung. Die relevante Gleichung ist 36,7 auf Seite 36,6 in Ihrem PDF .$R(z)$sollte sich bei einem breiten Strahl nicht wesentlich ändern, sodass er nach der letzten Fokussierlinse auf denselben Punkt fokussiert.
• Der größere Strahl schadet dem optischen System leichter durch absorbierte Laserleistung, da die Leistung über eine größere Fläche gestreut wird.
• Aus dem gleichen Grund ist der größere Strahl sicherer (ich habe meine Hand vor einen 1-W-CO mit 1 mm Durchmesser bekommen$_2$Laser ein paar Mal und es tut weh! )

Es gibt viele Instrumente zur Messung der Eigenschaften von CO2-Laserstrahlen, unsere Gruppe verwendet beispielsweise dieses , aber es ist nicht billig, und Sie können es nur im intermittierenden Modus für 90 W verwenden.

Es scheint nicht einfach zu sein, den CO2-Laserstrahl auf Entfernungen von 2 bis 17 Fuß fokussieren zu können. Grundsätzlich könnten Sie einen Satz ZnSe-Linsen mit unterschiedlicher Brennweite verwenden. Unsere Gruppe verwendet Objektive mit f=1700mm und f=400mm (ca.). Objektive für CO2-Laser sind auch nicht billig. Vielleicht gibt es verstellbare Objektive, aber darüber weiß ich nicht viel.

Die Divergenz hängt typischerweise nicht von der Strahlleistung ab.

„Wenn der Strahlwinkel den Fokus beeinflusst, wäre der Unterschied im Strahlwinkel zwischen Null und dem Mittelpunktabstand des Diagramms größer als zwischen dem Mittelpunkt und dem Endpunkt des Diagramms. Dies würde bedeuten, dass der größte Teil des Divergenzfehlers auftritt nahe dem Laser auftreten würde. Stimmt das? Was übersehe ich?“ Ich fürchte, ich verstehe nicht, wovon Sie sprechen.

Die Qualität des Strahls hängt vom Laser ab. Was Sie brauchen, ist Modusqualität$M^2$, sollte aber für einen Industrielaser anständig sein. Ein anständiger Laser sollte also einen Strahl nahe einem Gaußschen Strahl haben. Typischerweise ist der Austrittsspiegel eines Lasers flach, sodass der minimale Radius des Strahls am Austritt des Lasers liegt. Mit einem Objektiv können Sie jedoch einen viel kleineren Fleck erzielen. Für einen kleinen Fleck ist jedoch auch seine Tiefe gering (die Länge einer Gauss'schen Strahltaille ist die Länge eines Bereichs nahe dem Fokus, wo die Lichtintensität mindestens halb so groß ist wie im Fokus). Die Strahltaillenlänge ist proportional zu einem inversen Quadrat der Strahlbreite im Fokus.

Ich denke, das Beste ist, das Problem an der Wurzel zu lösen: Ihr Laser ist divergent, Sie haben Recht, Ihr Objektiv fokussiert je nach Abstand zum Laser auf unterschiedliche Positionen, und das ist ziemlich schwierig, auf einem sich bewegenden System dynamisch zu korrigieren.

Also: Kollimieren Sie den Laser, indem Sie den richtigen Strahldurchmesser direkt an seinem Ausgang festlegen, bevor Sie ihn zum Kopf senden. Bauen Sie ein galiläisches Teleskop (auch bekannt als Beam Expander ). Sie benötigen 2 Linsen mit hoher Schadensschwelle (wahrscheinlich vom gleichen Typ wie Ihre letzte Fokussierlinse) mit den richtigen Brennweiten. Das Verhältnis ihrer Brennweiten ist das Vergrößerungsverhältnis für den Strahldurchmesser. Wählen Sie sie, um Ihre nachfolgende Optik leicht zu unterfüllen. Bringen Sie sie in einen Abstand, der der Summe ihrer Brennweite entspricht, und das war's. Indem Sie ihren Abstand fein einstellen, können Sie die Divergenz korrigieren, während Sie die gewünschte Strahlgröße haben und für den gesamten Rest des Pfads konstant sind.

Ich würde mich für eine negative und eine positive Linse entscheiden, damit Sie den Strahldurchmesser vergrößern und einen Laserfokus in Luft vermeiden, der bei 90 W Luft ionisieren oder zumindest eine schlechte Ausrichtungsstabilität erzeugen kann. Selbst wenn die Luft im Fokus nicht gebrochen ist, können kleine Luftbewegungen den Strahl ablenken (und die Temperatur im Fokus steigt, sodass sich die Luft noch mehr bewegt).

Und bitte... vergesst eure Schutzbrille nicht und denkt an einen Schutzkäfig rund um das Setup. 90W verzeihen nicht...

Ich habe gestern Abend damit angefangen. Jetzt gibt es 3 Antworten. Es klingt so, als würden Sie alle Informationen erhalten, die Sie benötigen. Sie können dies und mehr auch erhalten, indem Sie ein Unternehmen anrufen, das ZnSe-Linsen verkauft, was Sie brauchen. Sie haben in der Regel Ingenieure, die Ihnen gerne alles erklären, was Sie wissen müssen.

Die meisten Laseranwender interessieren sich nicht wirklich für Physik. Sie wollen nur, dass ihr Laser funktioniert. Hier sind einige allgemeine Faustregeln für CO2-Laser.

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Meistens verhindern zwei Dinge, dass ein Laser perfekt ist: Beugung und Linsenfehler.

Die meisten CO2-Laser haben einen Gaußschen Strahl. Beugung ist die Ursache der Strahldivergenz. Es ist ein grundlegender physikalischer Vorgang. Es gibt nichts, was Sie tun können, um die Beugung zu verhindern. Sie können die Dinge jedoch optimieren.

Ohne Beugung würden geradlinige Strahlendiagramme zeigen, wie Licht funktioniert. Bei perfekten Linsen würde ein zylindrischer Laserstrahl auf einen perfekten Punkt fokussiert. Mit Beugung erhalten Sie einen Gaußschen Strahl. Sowohl der kollimierte Strahl als auch der zu einem Fokus kommende Strahl sind Gaußsche Strahlen.

Die Gaußschen Balken bis zum nicht steilen Ende und der Kante. Sie verblassen langsam. Konventionell ist der Strahlradius,$\omega_0$, ist der Abstand von der Mitte, wo die Intensität um einen bestimmten Betrag abgefallen ist. Außerhalb dieses Radius ist Licht.

Die Diagramme, die Sie gezeigt haben, sind größtenteils richtig, aber nicht gut genug gezeichnet, um zu zeigen, dass Strahlen einer Hyperbel folgen. Weit entfernt vom Laser sind sie fast gerade. In der Nähe der Strahltaille sind sie jedoch unterschiedlich.

In der Nähe der Taille sind die Strahlen keine geraden Linien, die sich kreuzen. Sie krümmen sich voneinander weg. Der physikalische Grund ist, dass Licht eine Welle ist. Unter vielen Bedingungen bewegen sich die Wellen entlang gerader Linien. Aber manchmal tun sie das nicht.

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Sie können den Durchmesser des Brennflecks berechnen , wenn Sie eine Linse verwenden, um einen Gaußschen Strahl zu fokussieren.

$2\omega_0 = (4\lambda/\pi)(F/D)$

Wo

$\lambda$ist die Wellenlänge. Für CO2 sind es 10,6 µm.

$F$ist der Abstand von der Linse zum Brennfleck. Bei einem kollimierten Strahl ist es die Brennweite der Linse.

$D$ist der Strahldurchmesser an der Linse

Diese Formel zeigt, dass es ein paar einfache Tricks gibt, um einen kleineren Brennfleck zu erhalten. Verwenden Sie ein Objektiv mit kurzem F. Oder verwenden Sie einen Strahlaufweiter , um D größer zu machen.

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Ein kurzes F hat einen Nachteil. Es bringt das Objektiv nah an die Stelle. Rauch und Schmutz gelangen auf die Linse. Schmutz absorbiert Licht und wird heiß. Dies verkürzt die Lebensdauer des Objektivs.

Schmutz ist ein Feind. Berühren Sie niemals eine ZnSe-Linse. Ein Fingerabdruck verkürzt sein Leben.

Ein großes D hat einen weiteren Nachteil. Große Objektive sind teuer.

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Und zum Schluss noch eine gute Nachricht. Im Gegensatz zu Optiken für sichtbares Licht sind Linsenfehler bei Ihrer Wellenlänge kein Problem.

Ein beugungsbegrenztes Objektiv ist ein Objektiv, bei dem Aberrationen so klein sind, dass die Leistung durch Beugung begrenzt wird. Dies ist bei einem Kameraobjektiv sehr schwer zu erreichen.

Aber man arbeitet nur auf einer Wellenlänge. Sie haben eine sehr einfache optische Situation, in der Sie einen kollimierten Strahl auf einen Punkt auf der Achse fokussieren möchten. Und vor allem beträgt Ihre Wellenlänge 10,6 um.

10,6 um ist 40-mal länger als sichtbares Licht. Die Beugung ist 40-mal schlimmer. Linsen können 40-mal weiter von der Perfektion entfernt sein, und die Unvollkommenheiten sind immer noch kleiner als die durch Beugung erzeugten.

Auch die Brechungsindizes sind mit 10,6 um viel größer. Dadurch ist es möglich, Linsen mit relativ sanfter Krümmung herzustellen. Dadurch werden Aberrationen weiter reduziert.

Das Ergebnis ist, dass eine Singlet-Linse beugungsbegrenzt sein kann. Auch billigere plankonvexe oder plankonkave Linsen können gut genug sein, obwohl sie nicht optimal sind. Das heißt, sie sind nicht billig.

Sprechen Sie mit einem Techniker über Ihre Anforderungen. Er wird die beste Informationsquelle sein.