¿Cómo se puede corregir la divergencia del haz en un cortador láser CO2CO2\rm CO_2?

Primero, algunas preguntas sobre su configuración:

1. ¿El láser tiene que estar estacionario? Sin embargo, si su diagrama está a escala, puede ser demasiado grande para moverlo. En ese caso,
2. ¿La óptica tiene que moverse? ¿Podría diseñar este sistema como una fresadora CNC y hacer que la mesa se mueva debajo del láser? Sin embargo, el movimiento de 15 pies puede ser demasiado para una mesa de movimiento.
3. ¿La fibra óptica no funciona? Hay fibras ópticas que pueden transportar CO de alta potencia$_2$luz laser. Una búsqueda rápida en Google muestra estos:
   • http://www.jtingram.com/id10.html con un enlace a un catálogo en PDF para fibras que pueden manejar 12kW/cm$^2$.
   • http://www.fibrephotonics.com/page/143/High-power-CO2-laser-delivery.htm , aunque solo hasta 50W.

En segundo lugar, aquí hay un experimento que puede intentar para ver si la divergencia del haz realmente es un problema. Repita las medidas del tamaño del punto a varias distancias, pero en lugar de derretir un ladrillo directamente, coloque la lente de enfoque frente al haz. Luego, mueve el ladrillo de un lado a otro hasta que encuentres la distancia desde la lente con el punto derretido más pequeño. Mida el tamaño de este punto y la distancia desde la lente versus la distancia entre el láser y la lente. Si la variación en el tamaño del punto y la distancia de enfoque es demasiado grande, siga leyendo para encontrar una posible solución.

Si desea transportar una viga a larga distancia, el truco consiste en comenzar con una viga de mayor diámetro. La Figura 5.5 en el PDF vinculado en el comentario de @akhmeteli a su respuesta muestra que los rayos grandes no divergen tan rápido como los rayos pequeños. La ecuación para el diámetro de una viga en función de la distancia desde su punto más estrecho es

$$\omega(z) = \omega_0 \sqrt{1+\left(\frac{z\lambda}{\pi \omega_0^2 n}\right)^2}$$ dónde $z$es la distancia desde el punto más estrecho (que debería ser la apertura del láser), $\omega_0$es el diámetro de la viga en su punto más estrecho, $n$es el índice de refracción del material a través del cual viaja el láser (que es 1 para el aire), y $\lambda$es la longitud de onda del láser (10,6 micrones para un CO $_2$láser). Lejos del láser, la cintura es aproximadamente $$\omega(z) \approx \frac{z\lambda}{\pi \omega_0 n}.$$ Entonces, si duplicas el diámetro de la viga ( $\omega_0$), reduce a la mitad el ángulo de divergencia (el cono asintótico en tu gráfico).

La configuración que imagino se muestra en el siguiente diagrama:

Elegí usar espejos paraboloides fuera del eje en lugar de lentes, ya que tienen un umbral de daño más alto que los lentes (al menos los de ThorLabs). Pero, también puedes sustituir lentes y espejos planos para lograr el mismo efecto. En cualquier caso, utiliza dos espejos o dos lentes en disposición confocal (la distancia entre los elementos es igual a la suma de sus distancias focales) para aumentar sustancialmente el diámetro del haz y colimarlo para que puedas transportarlo a cualquier distancia sin preocuparte por la divergencia. Luego, use un tercer espejo o lente montado en su sistema de movimiento para dirigir y enfocar el haz en la superficie de corte.

Algunas ventajas de esta configuración:

• La luz láser no cambia sustancialmente durante su viaje por el brazo largo del sistema, por lo que el enfoque final no cambia de ubicación con respecto al elemento de enfoque final. Cuanto mayor sea el diámetro del haz, mejor será esta aproximación. La ecuación relevante es 36.7 en la página 36.6 en su PDF .$R(z)$no debe cambiar sustancialmente para un haz amplio, por lo que se enfocará en el mismo punto después de la lente de enfoque final.
• El haz más grande es más fácil para el sistema óptico en términos de daños por la potencia del láser absorbida, ya que la potencia se difunde sobre un área más grande.
• Por la misma razón, el haz más grande es más seguro (he puesto mi mano frente a un CO2 de 1 W y 1 mm de diámetro).$_2$láser un par de veces y duele! )

Hay muchos instrumentos para medir las características del rayo láser de CO2, por ejemplo, nuestro grupo usa este , pero no es barato y solo puede usarlo en modo intermitente para 90W.

No parece fácil poder enfocar el rayo láser de CO2 a distancias de 2 a 17 pies. En principio, podría usar un conjunto de lentes ZnSe con diferente distancia focal. Nuestro grupo utiliza lentes con f=1700mm y f=400mm (aprox.) Las lentes para láseres de CO2 tampoco son baratas. Tal vez haya lentes ajustables, pero no sé mucho sobre eso.

La divergencia normalmente no depende de la potencia del haz.

"Si el ángulo del haz es lo que está afectando el enfoque, la diferencia en el ángulo del haz sería mayor entre cero y la distancia del punto medio del gráfico que el punto medio y el punto final del gráfico. Esto significaría que la mayor parte del error de divergencia ocurriría más cerca del láser. ¿Es esto cierto? ¿Qué me estoy perdiendo? " Me temo que no entiendo de lo que estás hablando.

La calidad del haz depende del láser. Lo que necesitas es calidad de modo$M^2$, pero debería ser decente para un láser industrial. Entonces, un láser decente debería tener un rayo cercano a un rayo gaussiano. Normalmente, el espejo de salida de un láser es plano, por lo que el radio mínimo del haz está en la salida del láser. Sin embargo, puede obtener un lugar mucho más pequeño con una lente. Sin embargo, para un punto pequeño, su profundidad también es pequeña (la longitud de la cintura de un haz gaussiano es la longitud de una región cercana al foco donde la intensidad de la luz es al menos la mitad de la del foco). La longitud de la cintura del haz es proporcional a un cuadrado inverso del ancho del haz en el foco.

Creo que lo mejor es resolver el problema desde la raíz: su láser es divergente. Tiene razón, su lente se enfocará en diferentes posiciones dependiendo de su distancia del láser, y eso es bastante complicado de corregir dinámicamente en un sistema en movimiento.

Entonces: colime el láser imponiendo el diámetro de haz correcto justo en su salida, antes de enviarlo a la cabeza. Construya un telescopio galileano (también conocido como expansor de haz ). Necesita 2 lentes de alto umbral de daño (probablemente del mismo tipo que su última lente de enfoque) con las distancias focales correctas. La relación de sus distancias focales será la relación de aumento para el diámetro del haz. Elíjalos para llenar ligeramente su óptica posterior. Ponlas a una distancia igual a la suma de sus distancias focales y listo. Ajustando finamente su distancia, puede corregir la divergencia, mientras tiene el tamaño de haz que desea y constante para todo el resto del camino.

Yo optaría por una lente negativa y una positiva, de modo que magnifiques el diámetro del haz evitando un foco láser en el aire, que con 90 W puede ionizar el aire o al menos crear una mala estabilidad de puntería. Incluso si el aire no se rompe en el foco, los pequeños movimientos de aire pueden desviar el haz (y la temperatura aumenta en el foco, por lo que el aire se mueve aún más).

Y por favor... no olvide sus gafas de seguridad y piense en una jaula de protección alrededor de la configuración. 90W no perdonan...

Empecé esto anoche. Ahora hay 3 respuestas. Parece que obtendrá toda la información que necesita. También puedes conseguir esto y más llamando a una empresa que venda lentes ZnSe, que es lo que necesitas. Por lo general, tienen ingenieros que estarán encantados de explicarte todo lo que necesitas saber.

La mayoría de los usuarios de láser no están realmente interesados ​​en la física. Solo quieren que su láser funcione. Aquí hay algunas reglas generales para los láseres de CO2.

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En su mayor parte, dos cosas impiden que un láser sea perfecto: la difracción y las aberraciones de la lente.

La mayoría de los láseres de CO2 tienen un haz gaussiano. La difracción es la causa de la divergencia del haz. Es un proceso físico fundamental. No hay nada que pueda hacer para evitar la difracción. Sin embargo, puedes optimizar las cosas.

Sin difracción, los diagramas de rayos de línea recta mostrarían cómo funciona la luz. Dadas lentes perfectas, un rayo láser cilíndrico se enfocaría en un punto perfecto. Con la difracción, obtienes un haz gaussiano. Tanto el haz colimado como el haz que llega a un foco son haces gaussianos.

Vigas gaussianas para no terminar abruptamente y un borde. Se desvanecen lentamente. Por convención, el radio del haz,$\omega_0$, es la distancia desde el centro donde la intensidad ha disminuido en cierta cantidad. Hay luz fuera de este radio.

Los diagramas que mostraste son en su mayoría correctos, pero no están dibujados lo suficientemente bien como para mostrar que los rayos siguen una hipérbola. Lejos del láser, son casi rectos. Pero son diferentes cerca de la cintura del haz.

Cerca de la cintura, los rayos no son líneas rectas que se cruzan. Se curvan alejándose el uno del otro. La razón física es que la luz es una onda. Bajo muchas condiciones, las ondas se mueven a lo largo de líneas rectas. Pero a veces no lo hacen.

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Puede calcular el diámetro del punto focal cuando usa una lente para enfocar un haz gaussiano.

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

dónde

$\lambda$es la longitud de onda. Para CO2, es 10,6 um.

$F$es la distancia de la lente al punto focal. Para un haz colimado, es la distancia focal de la lente.

$D$es el diámetro del haz en la lente

Esta fórmula muestra que hay un par de trucos simples para obtener un punto focal más pequeño. Use una lente con una F corta. O use un expansor de haz para agrandar la D.

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Una F corta tiene un inconveniente. Pone la lente cerca del lugar. El humo y la suciedad entran en la lente. La suciedad absorbe la luz y se calienta. Esto acorta la vida de la lente.

La suciedad es un enemigo. Nunca toque una lente de ZnSe. Una huella dactilar acortará su vida.

Una D grande tiene otro inconveniente. Los lentes grandes son caros.

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Y por último una buena noticia. A diferencia de la óptica para la luz visible, las aberraciones de la lente no son un problema en su longitud de onda.

Una lente de difracción limitada es una lente en la que las aberraciones son tan pequeñas que el rendimiento está limitado por la difracción. Esto es muy difícil de lograr en una lente de cámara.

Pero solo trabajas en una longitud de onda. Tiene una situación óptica muy simple en la que desea enfocar un haz colimado en un punto en el eje. Y sobre todo, su longitud de onda es de 10,6 um.

10,6 um es 40 veces más larga que la luz visible. La difracción es 40 veces peor. Las lentes pueden estar 40 veces más lejos de ser perfectas y las imperfecciones seguirán siendo más pequeñas que las creadas por la difracción.

También los índices de refracción son mucho mayores a 10,6 um. Esto hace posible fabricar lentes con una curvatura relativamente suave. Esto reduce aún más las aberraciones.

El resultado es que una lente singlete puede tener una difracción limitada. También las lentes planas convexas o planas cóncavas más baratas pueden ser lo suficientemente buenas, aunque no sean óptimas. Dicho esto, no son baratos.

Hable con un ingeniero acerca de sus necesidades. Él será la mejor fuente de información.