¿Cómo encuentro la lente adecuada para mi láser?

No puede hacer esto con una sola lente "normal". Debido a que el ancho del haz debe ser de 4,25 pulgadas, necesita una lente más ancha que eso (que es enorme en comparación con los componentes ópticos normales). La longitud focal de la lente debería ser de 4,25 pulgadas/(2*sin(60 grados)) ~ 2,5 pulgadas = 63,5 mm, que es más pequeña que el ancho de la lente, y realmente no se pueden hacer lentes plano-convexas normales como esto.

Tiene dos opciones: puede usar múltiples lentes (una lente para colimar, luego un par de lentes para aumentar el ancho del haz), o también puede obtener buenos resultados usando una lente Fresnel , una que sea bastante cerca de lo que necesita está aquí . La segunda opción probablemente será mucho más barata, pero puede sufrir más aberraciones.

Primero, bajemos el comentario del usuario Jim para preservarlo, ya que es la primera idea esencial:

Tenga en cuenta que puede tratar la fuente como un punto focal. Entonces se puede usar cualquier lente que sea lo suficientemente grande para manejar el láser. Solo tienes que ponerlo a una distancia focal de la fuente.

Ahora, para agregar a la gran respuesta de ARMS , tiene un problema de diseño no trivial.

Si sigue la sugerencia de ARM, entonces las dos lentes que "aumentan" el ancho del haz son lo que se conoce como telescopio galileano : la primera lente es una lente divergente que forma un foco virtual del haz colimado y luego la segunda es convergente que colima el foco virtual de la primera lente, es decir , los puntos focales de las dos lentes están uno encima del otro. Tengo otra sugerencia a continuación.

Probablemente necesite encontrar a alguien en su escuela (si es un investigador universitario) con habilidades de diseño óptico y acceso a un programa como Zemax o Code V. Si está en la industria, deberá comprar esta experiencia. Dado que está diseñando un sistema para generar imágenes solo de un punto en el eje, probablemente podría escribir un trazador de rayos simple en Mathematica y usarlo para optimizar la siguiente idea general.

Su sistema, algo irónicamente dado su enorme tamaño, es más o menos el mismo problema de diseño que el de un objetivo de microscopio conjugado infinito de alta potencia. Born and Wolf, "Principios de la Óptica"tiene una buena descripción de la idea general, utilizando los puntos aplanáticos de una lente esférica. La Sección 6.4, especialmente en la discusión del objetivo de alto poder, es una lectura obligada para usted. La idea básica es que se utiliza una secuencia de lentes débilmente convergentes para colimar el haz en muchos pasos. Utilizará una óptica de diámetro pequeño cerca de su haz para converger un poco el haz: esto forma una imagen virtual del foco de la salida del láser en un punto que está detrás del foco real. Luego, una óptica un poco más grande hace converger el haz un poco más, creando una imagen virtual aún más atrás del láser. Eventualmente, está colimando la luz de una imagen virtual que puede estar a metros de distancia: el truco es hacer solo un poco de convergencia a la vez: las lentes débiles producen una aberración muy baja: si divide una potencia óptica total entre$n$lentes, la aberración de cada uno varía aproximadamente como entre$\frac{1}{n^2}$y$\frac{1}{n^4}$, por lo que puede obtener una reducción drástica de la aberración mediante esta división. He esbozado la idea aproximada a continuación:

Incluso puede ser que alguien como QED Technologiespodría construir un enorme asférico personalizado para hacer su trabajo con una sola lente: QED usa acabados magnetorreológicos para construir todo tipo de formas con una calidad de superficie magnífica. Aquí es donde el flujo de un fluido ferromagnético abrasivo se controla a través de campos magnéticos precisos por una computadora que usa el fluido para cortar la superficie, luego inspecciona automáticamente la superficie interferométricamente y luego realiza otra pasada de pulido para construir automáticamente prácticamente cualquier tipo de superficie que desee. necesidad. (DESCARGO DE RESPONSABILIDAD: no trabajo para QED ni he trabajado para ellos y tampoco soy un inversor en ellos: simplemente encuentro fascinantes sus procesos: son bastante exclusivos de QED y extremadamente precisos y efectivos. Desafortunadamente, QED está teniendo una dificultades para encontrar suficientes clientes para sus habilidades más excelentes en un campo tan especializado).

Dependiendo de sus necesidades de aberración, construir este sistema a partir de ópticas esféricas o asféricas personalizadas le llevará mucho tiempo o será costoso si necesita comprar las habilidades. Definitivamente probaría la idea de Fresnel primero, aunque esto tendrá pérdidas.

Dos comentarios dignos de mención:

Del usuario ThePhoton

RE: "probablemente podría escribir un trazador de rayos simple en Mathematica y usarlo para optimizar la siguiente idea general". Conocí a un chico que hizo esto una vez, y el resultado fue Optica

Mi propia copia de Optica costó varios miles de dólares pero hay versiones académicas. Solo necesita un subconjunto muy pequeño para su problema.

Del usuario J... :

Por el precio de un trabajo personalizado como este, si las aberraciones fueran importantes, probablemente podría encontrar un interferómetro usado de 6" que brindaría un excelente haz colimado.

Esta es una excelente sugerencia. 4" y 6" son tamaños estándar para interferómetros: hay muchos colimadores y expansores de haz para ellos. Este sitio puede valer la pena echarle un vistazo.

Necesitará saber que su haz de salida está divergiendo en$\frac{\sqrt{3}}{2}\approx 0.87{\rm NA}$(apertura numérica) y esto es lo que desea colimar a un diámetro de 4.52 ": esta es la especificación que debe informar a los proveedores. La entrada de la lente, 0.87NA, es REALMENTE rápida, bastante más rápida que la mayoría de los colimadores de interferómetro que he visto ( eso es hablar de óptica: históricamente proviene de las lentes de las cámaras: cuanto mayor es la apertura numérica, más luz se deja entrar y, por lo tanto, más rápido se adquiere una imagen).