Комплект состоит из линз:
- Meniscus, D37-F100mm, Fused Silica 1064nm, 8kW
- Biconvex, D37-F100mm, Fused Silica 1064nm, 8kW
Подходит для: BM114S (BMH114S01A/B, BMH114S02A/B)
Длина волны: 1064 нм (900-1100 нм)
Коэффициент пропускания: >99.5%
Двояковыпуклая коллиматорная линза с диаметром 37 мм и фокусным расстоянием 100 мм предназначена для формирования параллельного пучка излучения высокой мощности, в частности, до 8 кВт. Данный тип линз находит широкое применение в лазерных системах, системах оптической обработки материалов, сварочных установках и других приложениях, требующих точной фокусировки и коллимации лазерного излучения. Рассмотрим детальные технические характеристики и особенности конструкции данной линзы.
1. Основные параметры линзы:
- Тип линзы: Двояковыпуклая (Biconvex)
- Диаметр (D): 37 мм ± 0.1 мм
- Фокусное расстояние (F): 100 мм ± 1 мм (при заданной длине волны)
- Рабочая длина волны: Зависит от материала (см. таблицу материалов)
- Максимальная мощность: 8 кВт (CW)
- Покрытие: Антиотражающее покрытие (AR coating)
- Материал: Различные оптические материалы (см. таблицу материалов)
- Качество поверхности: λ/10 @ 632.8 нм
- Допуск на толщину центра: ± 0.1 мм
- Допуск на отклонение от центра: < 3 угловых минуты
- Угол клина: < 1 угловая минута
- Скол кромки: 0.2 мм x 45°
2. Материалы линзы и их характеристики:
Выбор материала линзы определяется требованиями к рабочей длине волны лазерного излучения и допустимой мощности. Ниже представлена таблица наиболее распространенных материалов для коллиматорных линз и их основные характеристики:
| Материал | Диапазон длин волн (нм) | Показатель преломления (n) @ 632.8 нм | Коэффициент теплового расширения (°C⁻¹) | Термическая проводимость (Вт/м*К) | Применение |
|---|---|---|---|---|---|
| Кварцевое стекло (Fused Silica) | 190 – 2500 | 1.458 | 0.55 x 10⁻⁶ | 1.38 | Высокомощные лазеры, ультрафиолетовые системы |
| BK7 | 350 – 2000 | 1.517 | 7.1 x 10⁻⁶ | 1.11 | Общее назначение, видимый спектр |
| Сапфир (Sapphire) | 200 – 5500 | 1.768 | 5.6 x 10⁻⁶ | 35 | Высокомощные лазеры, инфракрасный спектр, экстремальные условия |
| ZnSe | 600 – 16000 | 2.403 | 7.1 x 10⁻⁶ | 18 | CO₂ лазеры, инфракрасный спектр |
| CaF₂ | 180 – 8000 | 1.434 | 19 x 10⁻⁶ | 9.7 | Ультрафиолетовые и инфракрасные лазеры, требующие высокой прозрачности |
3. Антиотражающее покрытие (AR Coating):
Нанесение антиотражающего покрытия на обе поверхности линзы критически важно для минимизации потерь на отражение и увеличения коэффициента пропускания. AR покрытие подбирается в зависимости от рабочей длины волны лазера и может быть оптимизировано для конкретного диапазона. Типичные характеристики AR покрытия:
- Коэффициент отражения: < 0.25% на поверхность (в диапазоне рабочей длины волны)
- Диапазон длин волн: Указывается при заказе (например, 1064 нм ± 50 нм)
- Долговечность: Соответствует требованиям MIL-STD-810G (или эквивалентным)
4. Расчетные параметры и конструкция:
Геометрические параметры линзы, такие как радиусы кривизны поверхностей (R1 и R2), рассчитываются с использованием формулы линзы для достижения заданного фокусного расстояния (F):
1/F = (n - 1) * (1/R1 - 1/R2 + (n - 1) * d / (n * R1 * R2))
где:
- F – фокусное расстояние
- n – показатель преломления материала линзы
- R1 – радиус кривизны первой поверхности
- R2 – радиус кривизны второй поверхности (со знаком минус, если поверхность вогнутая)
- d – толщина линзы в центре
Для двояковыпуклой линзы часто используются одинаковые радиусы кривизны (R1 = R2 = R), что упрощает формулу. Однако, для оптимизации аберраций и повышения качества пучка могут применяться линзы с различными радиусами.
5. Тепловые характеристики и управление теплом:
При работе с лазерами высокой мощности (до 8 кВт) значительная часть энергии может поглощаться линзой, приводя к ее нагреву и термической деформации. Для обеспечения стабильной работы и предотвращения повреждений линзы необходимо учитывать тепловые характеристики материала и применять эффективные методы отвода тепла.
- Рассеиваемая мощность: Зависит от коэффициента поглощения материала и интенсивности лазерного излучения.
- Тепловое сопротивление: Определяется геометрией линзы и материалом.
- Методы охлаждения:
- Конвективное охлаждение: Обдув линзы воздухом или другим газом.
- Жидкостное охлаждение: Охлаждение с помощью жидкости, циркулирующей через радиатор, контактирующий с линзой.
6. Монтаж и юстировка:
Правильный монтаж и юстировка линзы критически важны для обеспечения оптимальной коллимации лазерного пучка. Линза должна быть надежно закреплена в оправе с минимальными напряжениями, чтобы избежать деформации и изменения оптических характеристик. Для точной юстировки используются прецизионные держатели и механизмы регулировки.
7. Спецификации и требования к качеству:
Линза должна соответствовать следующим спецификациям и требованиям к качеству:
- Соответствие стандартам: ISO 10110 (или эквивалентным)
- Контроль качества: Проверка геометрических параметров, качества поверхности, коэффициента пропускания и других характеристик с использованием прецизионного оборудования.
- Протокол испытаний: Предоставление протокола испытаний, подтверждающего соответствие линзы заявленным характеристикам.
8. Применение:
Данная коллиматорная двояковыпуклая линза, рассчитанная на мощность до 8кВт, идеально подходит для следующих применений:
- Лазерная резка и сварка металлов: Формирование сфокусированного пучка высокой плотности для обработки материалов.
- Лазерная гравировка и маркировка: Точное управление лазерным лучом для нанесения изображений и информации на поверхности различных материалов.
- Оптические коллиматоры: Формирование параллельных пучков для различных оптических систем и приборов.
- Лазерные дальномеры и сканеры: Формирование и прием лазерного излучения для измерения расстояний и создания трехмерных моделей.
- Медицинское оборудование: Применение в лазерных хирургических установках и диагностическом оборудовании.
9. Дополнительные компоненты (опционально):
Для повышения эффективности и защиты линзы могут использоваться следующие дополнительные компоненты:
- Защитное окно: Предотвращает попадание пыли и загрязнений на поверхность линзы.
- Охлаждающий радиатор: Обеспечивает эффективный отвод тепла от линзы.
- Держатель линзы с прецизионной регулировкой: Обеспечивает точную юстировку и фиксацию линзы.
10. Пример расчета тепловой нагрузки:
Предположим, используется кварцевая линза (Fused Silica) с коэффициентом поглощения 0.0005 см⁻¹ при длине волны 1064 нм. Лазерная мощность составляет 8 кВт, а диаметр пучка – 10 мм.
- Площадь пучка: A = π * (D/2)² = π * (0.5 см)² ≈ 0.785 см²
- Интенсивность: I = P / A = 8000 Вт / 0.785 см² ≈ 10191 Вт/см²
- Поглощенная мощность (приблизительно): Зависит от толщины линзы (d). Если d = 0.5 см, то P_abs ≈ I * A * α * d = 10191 Вт/см² * 0.785 см² * 0.0005 см⁻¹ * 0.5 см ≈ 2 Вт
Таким образом, линза будет поглощать около 2 Вт мощности, что требует учета при проектировании системы охлаждения.
11. Вывод:
Двояковыпуклая коллиматорная линза D37 F100, рассчитанная на мощность 8 кВт, представляет собой прецизионный оптический элемент, требующий тщательного проектирования, изготовления и эксплуатации. Правильный выбор материала, нанесение антиотражающего покрытия, эффективное управление теплом и точная юстировка являются ключевыми факторами, обеспечивающими стабильную и надежную работу лазерной системы.
