Los expansores de haz son dispositivos ópticos que toman un haz de luz colimado y expanden su ancho (o, en sentido inverso, reducen su ancho). Los expansores de haz son sistemas ópticos para aumentar o disminuir el diámetro de un haz láser. Un expansor de haz puede agrandar un haz de entrada por el factor m, pero también puede reducirlo por el factor 1/m con una trayectoria de haz óptico invertida. Por lo general, los expansores de haz se utilizan para aumentar el diámetro de los rayos láser. Si se afirma que el producto del diámetro del haz y la divergencia es constante para una longitud de onda, la divergencia disminuye al aumentar el diámetro del haz por el mismo factor.
Ventajas del expansor de vigas
Mejorar la calidad del haz
Al ajustar el diámetro y el ángulo de divergencia del rayo láser, el expansor de rayo puede reducir el efecto de difracción del rayo durante la propagación, mejorando así la calidad del rayo y haciéndolo más concentrado y estable.
Mejorar el efecto de enfoque
El uso de un expansor de haz puede hacer que el láser sea más preciso al enfocar, mejorando así la eficiencia y la calidad del procesamiento del láser y logrando mejores resultados en aplicaciones como corte, soldadura y marcado.
Adaptarse a diferentes requisitos de aplicación.
Los expansores de haz están disponibles en una variedad de diseños, incluidos los de aumento fijo y enfoque variable, que pueden adaptarse a diferentes requisitos de aplicación. Ya sean aplicaciones de láser de alta potencia en la producción industrial o mediciones de precisión en experimentos de investigación científica, los expansores de haz pueden proporcionar soluciones adecuadas.
Optimizar el rendimiento del sistema
Al optimizar las características del rayo láser, el expansor de rayo puede mejorar el rendimiento de todo el sistema láser y mejorar significativamente la eficiencia de conversión de energía, la precisión del procesamiento y la estabilidad del sistema.
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Los expansores de haz no solo aumentan el diámetro de un haz láser colimado, sino que también reducen la divergencia del haz. El diámetro del haz de entrada es el diámetro del haz láser que entra en el expansor de haz. Este parámetro es crucial, ya que determina las especificaciones necesarias para que el expansor de haz alcance el diámetro de haz de salida deseado. El sistema completo no tiene una distancia focal, es decir, tanto el haz de entrada como el de salida están colimados en un sistema de expansor de haz. Para muchas aplicaciones, el haz láser de entrada tiene un "ruido" de intensidad que varía espacialmente y se agrega un filtro espacial al sistema de expansor de haz para producir un haz láser limpio.
Telescopio kepleriano
Un expansor de haz es a menudo un telescopio óptico formado por dos lentes. Las dos configuraciones más utilizadas son el llamado telescopio kepleriano y el telescopio galileano.
El telescopio kepleriano puede ser el expansor de haz más sencillo que se puede construir. Para esta configuración, se disponen dos lentes plano-convexas (convergentes) de modo que la distancia entre ellas sea igual a la suma de sus longitudes focales. El punto focal del sistema combinado estará en el espacio entre las lentes. Dado que la alta densidad de energía de pulso en este punto puede provocar arcos eléctricos, no recomendamos el uso de expansores de haz keplerianos para láseres de alta energía. Sin embargo, los expansores de haz de diseño kepleriano son una buena opción para aplicaciones láser si se requiere filtrado espacial. El punto focal es un lugar apropiado para colocar el filtro espacial.
También hay que tener en cuenta que un expansor de haz kepleriano invertirá y revertirá la imagen. Se puede utilizar una tercera lente para corregir esto si se desea.
Telescopio galileano
Un telescopio galileano está formado por una lente plano-convexa y una lente plano-cóncava. Estas lentes también están dispuestas de manera que la distancia entre ellas sea igual a su longitud focal; aunque en este caso la longitud focal de una de las lentes es negativa. La distancia entre las lentes puede ser menor que en el caso de un expansor de haz kepleriano, lo que da lugar a un sistema más compacto. Un expansor de haz de diseño galileano no invierte la imagen.
Asegúrese de que el diámetro de salida requerido sea menor que el diámetro de salida máximo de la lente expansora de haz. Cada lente expansora de haz tiene un diámetro de entrada máximo, que generalmente está relacionado con las limitaciones físicas de los elementos ópticos y la carcasa. El objetivo principal de usar lentes expansoras de haz es generalmente lograr un diámetro de salida específico, por lo que es muy importante asegurarse de que el diámetro de salida requerido sea menor que el diámetro de salida máximo de la lente expansora de haz.
Seleccione una lente expansora de haz cuya longitud de onda de diseño sea igual o cercana a la longitud de onda de la fuente láser. Como cualquier sistema óptico, el rendimiento de la lente expansora de haz varía con la longitud de onda. El grado del material de los elementos ópticos internos y el revestimiento antirreflejo (ar) afectarán la transmitancia de la lente expansora de haz, y la película antirreflejo reduce la pérdida en la longitud de onda de diseño. Además, el material de la lente y la forma de la superficie están optimizados para una longitud de onda determinada, por lo que se debe seleccionar una lente expansora de haz cuya longitud de onda de diseño sea igual o cercana a la longitud de onda de la fuente láser.
Asegúrese de seleccionar la calidad del frente de onda que cumpla con las necesidades del sistema. El error del frente de onda transmitido cuantifica la calidad del haz en la salida de la lente expansora del haz, y el rendimiento de limitación de difracción generalmente se cuantifica como un frente de onda transmitido de un cuarto de onda (λ/ 4). También es posible un frente de onda transmitido de mayor calidad y generalmente se especifica como λ/ 8 o incluso hasta λ/ 10.
Para el sistema que necesita ajustar la divergencia o la colimación, considere seleccionar una lente expansora de haz con ajuste de enfoque. La lente expansora de haz puede proporcionar una variedad de diferentes opciones de aumento fijo y variable. La lente expansora de haz de aumento fijo generalmente tiene un ajuste de colimación, comúnmente conocido como ajuste de "enfoque" o "divergencia", que permite una mayor compensación de la colimación y la divergencia del haz láser que sale de la lente expansora de haz. La lente expansora de haz de aumento variable se puede utilizar para controlar la relación de expansión y el ajuste de colimación. Esto es particularmente valioso en el proceso de diseño de prototipos, ya que ayuda a ajustar los requisitos del sistema o compensar los cambios entre los diámetros del haz de la fuente.
Aplicación del expansor de vigas
En física láser, se utilizan como elementos intracavitarios o extracavitarios. Pueden ser de naturaleza telescópica o prismática. Generalmente, los expansores de haz prismáticos utilizan varios prismas y se conocen como expansores de haz de prismas múltiples.
Los expansores de haz telescópicos incluyen telescopios refractores y reflectores. Un telescopio refractor de uso común es el telescopio galileano, que puede funcionar como un simple expansor de haz para luz colimada. Cuando se utilizan como expansores de haz intracavitarios, en resonadores láser, estos telescopios proporcionan una expansión de haz bidimensional en el rango de 20 a 50.
En los resonadores láser sintonizables, la expansión del haz dentro de la cavidad generalmente ilumina todo el ancho de una rejilla de difracción. Por lo tanto, la expansión del haz reduce la divergencia del haz y permite la emisión de anchos de línea muy estrechos, lo que es una característica deseada para muchas aplicaciones analíticas, incluida la espectroscopia láser.
Expansores de haz de prismas múltiples
Oscilador láser sintonizable de pulso largo que utiliza un expansor de haz de múltiples prismas.
Los expansores de haz de prismas múltiples suelen utilizar de dos a cinco prismas para producir grandes factores de expansión de haz unidimensionales. En la literatura se han descrito diseños aplicables a láseres ajustables con factores de expansión de haz de hasta 200. Inicialmente, las configuraciones de rejilla de prismas múltiples se introdujeron en láseres de colorante líquido de ancho de línea estrecho, pero con el tiempo también se adoptaron en diseños de láser de gas, de estado sólido y de diodo. La descripción matemática generalizada de los expansores de haz de prismas múltiples, introducida por Duarte, se conoce como teoría de dispersión de prismas múltiples.
Los expansores y matrices de haz de prismas múltiples también se pueden describir utilizando matrices de transferencia de rayos. La teoría de dispersión de prismas múltiples también está disponible en forma de matriz 4 x 4. Estas ecuaciones matriciales son aplicables tanto a compresores de pulsos de prismas como a expansores de haz de prismas múltiples.
Conformación de vigas con cavidades extra
Transformadores de haz híbridos con cavidades extra: mediante un expansor de haz telescópico, seguido de una lente convexa, seguida de un expansor de haz de prismas múltiples, se puede transformar un haz láser (con una sección transversal circular) en un haz extremadamente alargado, en el plano de propagación, mientras que es extremadamente delgado en el plano ortogonal. La iluminación del plano resultante, con una sección transversal casi unidimensional (o lineal), elimina la necesidad de escaneo punto por punto y se ha vuelto importante para aplicaciones como la interferometría de n-rendijas, la microdensitometría y la microscopía. Este tipo de iluminación también se puede conocer en la literatura como iluminación de lámina de luz o iluminación de plano selectivo.
¿Tiene importancia si un expansor o reductor de haz tiene un diseño kepleriano o galileano?
El diseño del expansor o reductor del haz no siempre es importante para la aplicación, pero la elección puede verse influida por factores como la alineación más sencilla y el diseño más intuitivo de los dispositivos keplerianos y las dimensiones compactas de los dispositivos galileanos. Además, un dispositivo kepleriano enfoca la luz entre sus dos lentes y luego emite un haz invertido. Un dispositivo galileano mantiene la orientación del haz y ofrece la opción de seleccionar lentes para reducir la cantidad de aberración esférica en el haz de salida.
Los expansores y reductores de haz se utilizan normalmente solo con haces colimados, en lugar de haces divergentes, y estos diseños se inspiran en los telescopios keplerianos y galileanos. El aumento proporcionado en ambos casos es igual a la longitud focal de la lente de salida dividida por la longitud focal de la lente de entrada.
Características del diseño kepleriano
En el diseño kepleriano más simple, dos lentes positivas están separadas por una distancia igual a la suma de sus longitudes focales (figura 1). Un diseño basado en el telescopio kepleriano nunca será más corto que la suma de las longitudes focales de las dos lentes, y el haz de salida está invertido con respecto al haz de entrada.
El haz se enfoca entre las dos lentes, lo que permite filtrarlo espacialmente. Por ejemplo, se podría colocar un filtro estenopeico en el punto focal del haz para mejorar su calidad. Al alejarse del foco, el diámetro del haz se expande a medida que se acerca a la lente de salida. Para aumentar el diámetro del haz colimado proporcionado por la lente de salida, es necesario alejar la lente de salida del foco. Dado que la distancia entre el foco y la lente de salida es igual a la distancia focal, esto requiere el uso de una lente con una distancia focal más larga.
El diseño kepleriano no suele ser el preferido para haces de alta energía, como los haces láser pulsados de alta potencia que se utilizan en algunas aplicaciones de corte y otras aplicaciones de fabricación. Por ejemplo, los pulsos de enfoque con una duración de nanosegundos y potencias ópticas de alrededor de ~1 mW o más pueden ionizar el aire y crear una chispa, lo que reduce de forma no deseada la potencia del pulso y puede afectar negativamente a la calidad del haz.
Características del diseño galileano
Un telescopio galileano básico también incluye dos lentes, pero una es negativa y la otra es positiva (figura 2). Las lentes están colocadas de manera que la distancia entre ellas sea igual a la diferencia de sus longitudes focales, lo que da como resultado un diseño más compacto que el enfoque kepleriano.
El enfoque galileano también se puede utilizar para minimizar la aberración esférica inducida por el expansor o reductor del haz. Todas las lentes esféricas introducen aberración esférica y una consecuencia es la dispersión del foco del haz a lo largo del eje óptico. En el caso de una lente esférica positiva, los rayos paralelos que inciden más cerca del perímetro exterior de la lente se enfocan en un punto del eje óptico más cercano a la lente, en comparación con los rayos paralelos que inciden cerca del centro de la lente. Dado que una lente esférica negativa tiene el efecto opuesto, la lente negativa en el diseño galileano se puede utilizar para cancelar parte de la aberración esférica inducida por la lente positiva.
Cuando el dispositivo se utiliza como expansor de haz, el haz de diámetro más pequeño incide sobre la lente negativa. El haz divergente proporcionado por la lente negativa aumenta de diámetro a medida que se acerca a la lente positiva, en lugar de enfocarse entre las dos lentes. Este haz divergente puede describirse como si tuviera un foco virtual, que se encuentra en el lado opuesto de la lente negativa, como se muestra en la figura. Dado que la lente positiva está a una distancia focal (f2) de este foco virtual, la lente positiva emite un haz colimado que no está invertido en comparación con el haz de entrada. Si el haz no es rotacionalmente simétrico, la orientación de salida del haz puede ser importante para la aplicación.
¿Cuál es la relación entre el rayo láser, el expansor de rayo, la lente F-Θ y el escáner Galvo?
El tamaño del haz láser generalmente se refiere a la luz colimada, no a la luz paralela. A menudo decimos que el tamaño del haz de salida del láser es de varios milímetros, por ejemplo, el láser de CO2 coherente es generalmente de 1,8 ± 3,2 mm, el láser de fibra pulsada es de 7 mm. Sin embargo, el láser de fibra continua es una fuente de luz puntual, como las bombillas incandescentes, es difícil determinar el diámetro del haz de salida. Solo los láseres que emiten luz colimada podrían denominarse "tamaño del haz láser". O podríamos mirar la tabla de parámetros del láser, hay un parámetro llamado "diámetro del haz de salida (mm)", o 1/e².
Los expansores de haz son dispositivos ópticos que se utilizan para aumentar el diámetro del haz láser manteniendo su colimación (manteniendo los rayos del haz paralelos). El ángulo de divergencia se reduce en 1/x después del expansor de haz x. Un ángulo de divergencia menor da como resultado un punto focal más pequeño al utilizar la misma lente de enfoque. A continuación se presentan las ventajas del expansor de haz:
1. Un mayor diámetro del haz es útil en aplicaciones en las que se requiere un haz de mayor tamaño, como en el corte por láser, la perforación o el procesamiento preciso de materiales. Un mayor diámetro del haz produce un punto de enfoque más pequeño.
2. Al distribuir la energía del láser sobre un área más grande, los expansores de haz pueden ayudar a reducir la densidad de potencia del haz. Esto puede evitar daños a los componentes ópticos y a las muestras en aplicaciones de láser de alta potencia.
La apertura del escáner galvo (10 mm, 12 mm, 20 mm, etc.) es la cantidad de haz láser que puede reflejar el área del espejo galvo. Cuanto más pequeño sea el espejo galvo, menor será el haz láser que se puede reflejar, y viceversa. Pero cuanto mayor sea la apertura, mayor será el peso del galvo (motores y espejos más grandes), y la velocidad de escaneo será más lenta que con un galvo de apertura más pequeña.
¿Por qué elegir un galvo de gran apertura? Esto se debe a que el procesamiento de precisión requiere un haz láser con un ángulo de divergencia menor, por lo que se utilizará un expansor de haz de gran aumento. Si se utiliza un expansor de haz de gran aumento, se necesita un galvo de mayor apertura. La precisión y la velocidad de trabajo son una contradicción. Solo podemos elegir uno.
En resumen, la lente f-theta es un espejo de enfoque, en el que cada punto en un campo específico en la longitud focal es un punto de enfoque. Por supuesto, esta afirmación no es rigurosa. En general, el diámetro del haz de entrada de la lente f-θ es mayor o igual que la apertura del galvanómetro; de lo contrario, el láser entrará en el borde de la lente o tendrá fugas, la parte del borde será más superficial que la parte central.
La relación entre los cuatro anteriores es: Tamaño del haz láser x expansor del haz Menor o igual a la apertura del galvanómetro Menor o igual al diámetro del haz de entrada de la lente f-theta.
Preguntas frecuentes
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