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

Question

Tengo un tubo láser de CO2 RECI de 90W en el que recientemente he medido la divergencia del haz. Esto se hizo apuntando el láser a un ladrillo de fuego y fundiéndolo durante unos segundos a diferentes distancias. Se tomaron múltiples muestras y se midió el área acristalada con calibradores y se promedió. (por favor, avise si conoce un método mejor)

Diámetro a 3 pies: 4,7 mm
Diámetro a 12 pies: 6,8 mm
Diámetro a 38 pies: ~21,0 mm (datos no fiables)

Estoy planeando construir un sistema de pórtico CNC con espejos y un láser estacionario. Requerirá una distancia máxima del haz de 17 pies y una distancia mínima del haz de 2 pies. La disposición es similar a esta imagen donde el láser no pasa por ninguna óptica hasta justo antes del corte. Mi lente de enfoque tiene un EFL de 127mm y su distancia al corte se mantendrá constante. El tamaño del rayo no sobrepasará el diámetro del espejo o de la óptica, pero creo que el cambio del ángulo de divergencia cambiará mi punto focal en diferentes lugares de la cama XY.

¿Cómo se puede corregir o minimizar esto? He observado que la mayoría de los tamaños de los lechos de las cortadoras de CO2 son pequeños; ¿es esa la única manera de minimizar este problema?

Estoy tratando de entender las ecuaciones de la página 5 (Características de propagación de los rayos láser) de Principios básicos del láser .

La siguiente figura está sacada del enlace anterior.

He añadido algunas lentes, variables de ángulo y de longitud de enfoque.
Tengo entendido que A1 afecta a F1, A2 a F2 y A3 a F3.

I como el ángulo del exterior del haz (etiquetado como "superficie de irradiación") es diferente en A1, A2 y A3, los puntos de enfoque en F1, F2 y F3 serían diferentes respectivamente. F1 tendría la longitud de enfoque más corta, y F3 (digamos a 17 pies de distancia) tendría la longitud de enfoque más larga.

Basándome en la forma de este gráfico pseduo; inferiría que el error de divergencia entre F1 y F2 sería mayor que el error de divergencia entre F2 y F3.

¿Es esto correcto? ¿O hay otras cuestiones relacionadas con la distancia que no estoy considerando?

Además, ¿las diferentes calidades de tubos de láser de CO2 tienen diferentes índices de divergencia o me estoy enfrentando a la física pura?

Otra referencia:
Tipos de movimiento de la cortadora láser
Enfoque y colimación

Answer 1

En primer lugar, algunas preguntas sobre su configuración:

1. ¿El láser tiene que ser fijo? Aunque, si su diagrama está en absoluto a escala, puede ser demasiado grande para moverse. En ese caso,
2. ¿La óptica tiene que moverse? ¿Podría diseñar este sistema como una fresadora CNC y hacer que la mesa se mueva por debajo del láser? Aunque, el movimiento de 15 pies podría ser demasiado para una mesa de movimiento.
3. ¿No se puede utilizar la fibra óptica? Existen fibras ópticas que pueden transportar CO $_2$ luz láser. Una rápida búsqueda en Google nos lleva a estos:
   • http://www.jtingram.com/id10.html con un enlace a un catálogo en PDF de fibras que pueden soportar 12kW/cm $^2$ .
   • http://www.fibrephotonics.com/page/143/High-power-CO2-laser-delivery.htm aunque sólo hasta 50W.

En segundo lugar, aquí tienes un experimento que puedes probar para ver si la divergencia del haz es realmente un problema. Repite tus mediciones del tamaño del punto a varias distancias, pero en lugar de fundir un ladrillo directamente, pon tu lente de enfoque delante del haz. A continuación, mueve el ladrillo de un lado a otro hasta que encuentres la distancia de la lente con el punto fundido más pequeño. Mide el tamaño de este punto y la distancia desde la lente frente a la distancia entre el láser y la lente. Si la variación del tamaño del punto y la distancia de enfoque es demasiado grande, siga leyendo para encontrar una posible solución.

Si quieres transportar un rayo a larga distancia, el truco es empezar con un diámetro de rayo mayor. Figura 5.5 en el PDF enlazado en el comentario de @akhmeteli a su respuesta muestra que los haces grandes no divergen tan rápido como los pequeños. La ecuación del diámetro de un haz en función de la distancia a su punto más estrecho es $$\omega(z) = \omega_0 \sqrt{1+\left(\frac{z\lambda}{\pi \omega_0^2 n}\right)^2}$$ donde $z$ es la distancia del punto más estrecho (que debería ser la apertura del láser), $\omega_0$ es el diámetro del rayo en su parte más estrecha, $n$ es el índice de refracción del material que atraviesa el láser (que es 1 para el aire), y $\lambda$ es la longitud de onda del láser (10,6 micras para un láser de CO $_2$ láser). Lejos del láser, la cintura es aproximadamente $$\omega(z) \approx \frac{z\lambda}{\pi \omega_0 n}.$$ Así, si se duplica el diámetro de la viga ( $\omega_0$ ), su reduce a la mitad el ángulo de divergencia (el cono asintótico en su gráfico).

La configuración que preveo se muestra en el siguiente diagrama:

He optado por utilizar espejos paraboloides fuera del eje en lugar de lentes, ya que tienen un umbral de daño más alto que las lentes (al menos las de ThorLabs). Pero también puedes sustituir las lentes por espejos planos para conseguir el mismo efecto. En cualquier caso, utilice dos espejos o dos lentes en una 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 de modo que pueda transportarlo a cualquier distancia sin preocuparse por la divergencia. A continuación, utilice 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 recorrido 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 la 36.7 en la página 36.6 en su PDF . $R(z)$ no debería cambiar sustancialmente para un haz ancho, por lo que enfocará al 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 láser absorbida, ya que la potencia se difunde en un área mayor.
• Por la misma razón, el rayo más grande es más seguro (he puesto mi mano delante de un rayo de 1 mm de diámetro y 1 W de CO $_2$ láser un par de veces y se ¡Duele! )

Answer 2

Hay muchos instrumentos para medir las características del rayo láser de CO2, por ejemplo, nuestro grupo utiliza este pero no es barato, y sólo se puede utilizar en el modo intermitente para 90W.

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

La divergencia no suele depender de la potencia del haz.

"Si el ángulo del rayo es lo que está afectando al enfoque, la diferencia en el ángulo del rayo sería mayor entre el cero y la distancia del punto medio del gráfico que entre el punto medio y el punto final del gráfico. Esto significaría que la mayor parte del error de divergencia se produciría cerca del láser. ¿Es esto cierto? ¿Qué es lo que me falta? "Me temo que no entiendo de qué está hablando.

La calidad del rayo depende del láser. Lo que se necesita es la calidad del modo $M^2$ pero debería ser decente para un láser industrial. Por lo tanto, 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 se encuentra a la salida del láser. Sin embargo, se puede obtener un punto mucho más pequeño utilizando 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 en la que la intensidad de la luz es al menos la mitad de la del foco). La longitud de la cintura del haz es proporcional al cuadrado inverso de la anchura del haz en el foco.

Answer 3

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

Así que: colimar el láser imponiendo el diámetro del haz de luz derecho justo en su salida, antes de enviarlo a la cabeza. Construir un telescopio galileo (también conocido como expansor de haces ). Necesita 2 lentes de alto umbral de daño (probablemente del mismo tipo que su última lente de enfoque) con las longitudes focales adecuadas. La relación de sus distancias focales será la relación de aumento para el diámetro del haz. Elígelas de forma que llenen ligeramente tu óptica posterior. Ponlas a una distancia igual a la suma de sus distancias focales y ya está. Ajustando finamente su distancia puedes corregir la divergencia, mientras tienes el tamaño del haz que quieres y constante para todo el resto del recorrido.

Yo optaría por una lente negativa y otra positiva, así amplías el diámetro del haz evitando un foco láser en el aire, que con 90W puede ionizar el aire o al menos crear una mala estabilidad de apuntamiento. Incluso si el aire no se rompe en el foco, los pequeños movimientos del 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 olvides tus gafas de seguridad, y piensa en una jaula de protección alrededor del montaje. 90W no perdonan...

Answer 4

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

La mayoría de los usuarios de láseres no están realmente interesados en la física. Sólo quieren que su láser funcione. Estas son algunas reglas generales para los láseres de CO2.

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En la mayoría de los casos, hay dos cosas que impiden que un láser sea perfecto: la difracción y las aberraciones del objetivo.

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 se puede hacer nada para evitar la difracción. Sin embargo, se pueden optimizar las cosas.

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

Haces gaussianos para no terminar abruptamente y un borde. Se desvanecen lentamente. Por convención, el radio del haz, $\omega_0$ es la distancia desde el centro en la que la intensidad ha disminuido en una cantidad determinada. Fuera de este radio hay luz.

Los diagramas que has mostrado son correctos en su mayor parte, pero no están bien dibujados para demostrar que los rayos siguen una hipérbola. Lejos del láser, son casi rectos. Pero son diferentes cerca de la cintura del rayo.

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

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Puedes calcular el diámetro del punto focal cuando se utiliza una lente para enfocar un haz gaussiano.

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

donde

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

$F$ es la distancia del objetivo 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 sencillos para conseguir un punto focal más pequeño. Utiliza un objetivo con una F corta. O utiliza un expansor de haces para hacer D más grande.

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Una F corta tiene un inconveniente. Pone el objetivo cerca del punto. El humo y la suciedad llegan a 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 digital acortará su vida útil.

Una D grande tiene otro inconveniente. Los objetivos 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 las lentes 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 conseguir en un objetivo de cámara.

Pero tú sólo trabajas en una longitud de onda. Tienes una situación óptica muy simple en la que quieres enfocar un haz colimado a un punto en el eje. Y sobre todo, tu longitud de onda es de 10,6 um.

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

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

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

Habla con un ingeniero sobre tus necesidades. Él será la mejor fuente de información.