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      激光應用熱透鏡效應測量與改善

      發(fā)布時(shí)間:2018-03-07點(diǎn)擊數:5437次

        一、熱透鏡效應

        光學(xué)元件受激光束連續照射較長(cháng)時(shí)間后,由于溫度升高產(chǎn)生熱變形,進(jìn)而引起透過(guò)型光學(xué)元件的折射率和反射型光學(xué)元件的反射方向發(fā)生變化。熱透鏡效應會(huì )改變激光焦點(diǎn)(束腰)的位置,進(jìn)而影響應用效果。

        對于脈沖光纖設備,激光從激光器的隔離器(透過(guò)型)輸出后,主要經(jīng)過(guò)紅光合束鏡片(透過(guò)型)、振鏡(反射型)和f-θ場(chǎng)鏡(透過(guò)型)這些光學(xué)元件。由于透過(guò)型光學(xué)元件的熱透鏡效應更明顯,因此接下來(lái)主要針對激光器、紅光合束鏡片與場(chǎng)鏡做相應分析。

      紅光合束鏡熱透鏡前后對比

      場(chǎng)鏡熱透鏡前后對比
        二、熱透鏡效應的影響

        產(chǎn)生熱透鏡效應時(shí),光學(xué)元件受熱膨脹,出現聚焦能力變強,聚焦光斑尺寸變小,焦距和焦深變短現象。這些現象的產(chǎn)生,最終會(huì )造成打標不穩定,影響打標效果。通過(guò)脈沖光纖激光器的幾個(gè)典型應用分析熱透鏡效應的影響:

        1.氧化鋁打黑:

        發(fā)生熱透鏡效應時(shí),焦距變短,材料表面能量密度降低,氧化鋁打不黑,嚴重時(shí)出現中心和邊緣效果黑度不一致現象。

        2.金屬深雕:

        金屬深雕一般使用焦距(焦深)短的場(chǎng)鏡,當高功率深雕時(shí),由于熱透鏡效應,材料處能量密度迅速下降,造成金屬打雕不深。由于光學(xué)元件中心比邊緣膨脹大,出現中心淺,四周深現象(深度不一致)。

        3.薄片切割:

        根據不同的材料,脈沖光纖激光器切割薄片通常采用單次慢速或多次快這兩種方法。熱膨脹與冷卻回縮可以在很短時(shí)間(<1S)內發(fā)生,因此切割時(shí)出現起始位置可以切穿,其它位置切不穿材料。

        4.金屬薄片焊接:

        對于高功率脈沖光纖激光器焊接金屬薄片(<0.6mm),通常采用圓形螺旋線(xiàn)填充的方式焊接。熱透鏡效應會(huì )造成焊點(diǎn)大小不一致,拉拔力不夠。

        三、熱透鏡效應的測量

        不同材質(zhì)的光學(xué)元件,熱膨脹系數不一樣,因此對于不同配置的激光系統,應用于不同的材料,熱透鏡效應的程度都不一樣。既然熱透鏡效應不可避免,那么將熱透鏡程度進(jìn)行量化,設定標準就顯得極其重要。焦距的變化反映出熱透鏡的程度,下面通過(guò)兩種方法去測量焦距的變化:

        1.調焦法:

        優(yōu)點(diǎn):操作簡(jiǎn)單,可以大致測量出焦距變化量

        缺點(diǎn):由于焦深的存在,高度F1與F2存在一定的誤差,因此焦距變化量L不太準確,可以通過(guò)多次測試減小誤差;高功率下打標,光太強,不易重新找到焦點(diǎn)位置

        2.打標效果測量法:



        測試方法示意圖

        通過(guò)如下操作,可以測出各個(gè)光學(xué)元件熱透鏡的程度:


      打標效果圖


        四、熱透鏡效應的改善

        功率越高或標刻高反材料,光學(xué)元件受熱膨脹越迅速,熱透鏡越明顯。改善熱透鏡,可以在激光器、場(chǎng)鏡和紅光合束鏡片三方面著(zhù)手:

        1.激光器:

        準直器的光學(xué)透鏡使用石英材料,減小熱膨脹系數;定期清潔激光器輸出頭的保護鏡片,避免雜質(zhì)污染。

        2.場(chǎng)鏡:

        使用中高功率(≥100W)脈沖光纖激光器,建議場(chǎng)鏡選用復合材料或石英材料;定期檢查和清潔場(chǎng)鏡的保護鏡片,避免雜質(zhì)污染或損傷。


      激埃特光電是國內最專(zhuān)業(yè)的光學(xué)器件生產(chǎn)廠(chǎng)家,從事光學(xué)元部件,光機電系統的研發(fā)和生產(chǎn),

      產(chǎn)品涉及光學(xué)透鏡,光學(xué)棱鏡,柱面鏡;紅外硒化鋅,硅,鍺窗口和透鏡;各種精密光學(xué)濾光片等。

      公司主要產(chǎn)品廣泛用于高精度精密光學(xué)設備,激光加工設備,

      以及醫療美容,攝影器材,機器視覺(jué),激光測距,條碼掃描等領(lǐng)域。




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