Im präzisen Strahlengang derLasermarkierungsmaschinegibt es eine scheinbar einfache, aber entscheidende Komponente - den Strahlaufweiter. Dieser Artikel befasst sich mit dem Funktionsprinzip, den technischen Parametern des Strahlaufweiters und seinem entscheidenden Einfluss auf den Lasermarkierungsprozess.
Um zunächst zu verstehen, warum ein Strahlaufweiter notwendig ist, müssen wir uns zunächst bewusst machen, dass der direkt vom Laser ausgegebene Lichtstrahl zwei inhärente Eigenschaften aufweist:
Strahlaufweitungswinkel: Während des Transmissionsprozesses des Lasers ist er kein perfekt paralleler Strahl. Mit zunehmender Entfernung breitet er sich allmählich aus. Dieser Ausbreitungswinkel wird als Divergenzwinkel bezeichnet (Einheit: mrad).
Gaußsches Strahlprofil: Die Energieverteilung des Laserstrahls in seinem Querschnitt folgt einem Gaußschen Muster, was bedeutet, dass er in der Mitte am hellsten ist und zu den Rändern hin allmählich abnimmt.
Wenn diese Art von divergentem Strahl direkt zum Markieren verwendet wird, ergibt sich ein ernstes Problem: Die Größe des fokussierten Spots ändert sich mit dem Arbeitsabstand.
Bei geringem Abstand: Der Lichtstrahl hat sich noch nicht vollständig ausgebreitet. Nach der Fokussierung durch die Feldlinse ist der Lichtfleck klein, die Leistungsdichte hoch und die Markierung klar.
Bei großem Abstand: Der Strahl hat sich erheblich ausgebreitet. Selbst nach der Fokussierung durch dieselbe Linse wird der resultierende Lichtfleck größer, die Leistungsdichte nimmt ab, wodurch die Markierungslinien dicker und verschwommener werden und sogar die Materialschwelle nicht erreicht werden kann.
Dies schränkt den effektiven Arbeitsbereich (Schärfentiefe) der Markierungsmaschine stark ein und erschwert es, konsistente Markierungsergebnisse auf Werkstücken in unterschiedlichen Höhen oder auf gekrümmten Oberflächen zu erzielen.
II. Die grundlegende Funktion des Strahlaufweiters besteht darin, die oben genannten Probleme zu beheben. Seine Kernfunktion ist:
Den einfallenden Laserstrahl mit kleinerem Durchmesser in einen austretenden Laserstrahl mit größerem Durchmesser und kleinerem Divergenzwinkel (näherungsweise parallel) umwandeln.
Dieser Prozess wird in der Optik als "Strahlkollimation" bezeichnet.
Technisches Prinzip: Basierend auf einem umgekehrten Teleskopsystem
Die gebräuchlichsten Strahlaufweiterlinsen sind Kepler- oder Galilei-Strukturen, die aus einem Linsenpaar bestehen: einer Kollimationslinse mit kurzer Brennweite (die Eingangslinse) und einer Ausgangslinse mit langer Brennweite.
Einfall: Ein Lichtstrahl mit einem Divergenzwinkel passiert zuerst eine Kollimationslinse. Gemäß der geometrischen Optik wird dieser Lichtstrahl zunächst fokussiert und auf einen einzigen Brennpunkt konvergiert.
Translation: Bevor sich der Strahl wieder ausdehnt, lassen Sie ihn die Ausgangslinse passieren. Aufgrund der längeren Brennweite der Ausgangslinse "zieht" sie den Strahl zurück und lässt ihn paralleler austreten.
Der endgültige Ausgangsstrahl hat nicht nur einen größeren Durchmesser, sondern auch einen deutlich reduzierten Divergenzwinkel.
Schlüsselformel:
Die Leistung des Strahlaufweiters wird durch zwei Schlüsselparameter definiert:
Aufweitungsverhältnis (M):
Dabei steht f2 für die Brennweite der Ausgangslinse, f1 für die Brennweite der Kollimationslinse, D out für den Durchmesser des Ausgangsstrahls und D in für den Durchmesser des Eingangsstrahls. Beispielsweise kann ein 3x-Strahlaufweiter den Durchmesser des Eingangsstrahls um das 3-fache vergrößern.
Divergenzwinkelkompression:
Der Divergenzwinkel θ out des Ausgangsstrahls wird auf 1/M des Eingangs-Divergenzwinkels θ in komprimiert. Dies bedeutet, dass ein 3x-Strahlaufweiter den Divergenzwinkel auf ein Drittel seines ursprünglichen Wertes reduzieren kann.
III. Nachdem der Lichtstrahl durch den Strahlaufweiter kollimiert wurde, tritt er in den Scanspiegel und die Feldlinse (F-θ-Linse) ein, und es erfolgt ein qualitativer Sprung:
1. Um einen kleineren fokussierten Spot zu erhalten und die Markierungsgenauigkeit und -auflösung zu verbessern
Gemäß der Theorie der optischen Beugung ist der Durchmesser d des fokussierten Spots ungefähr:
Dabei steht λ für die Laserwellenlänge, f für die Brennweite der Feldlinse und D für den Durchmesser des Lichtstrahls, der in die Feldlinse eintritt.
Die Schlussfolgerung ist offensichtlich: Die Aufweiterlinse erhöht den Durchmesser D des einfallenden Strahls auf der Feldlinse und verringert dadurch direkt die Größe des fokussierten Spots d. Ein kleinerer Spot bedeutet feinere Linien, eine höhere grafische Auflösung und schärfere Kanten, was für die Markierung von QR-Codes, Mikrotext und komplexen Logos entscheidend ist.
2. Erhöhen Sie die Schärfentiefe und erweitern Sie den effektiven Arbeitsbereich
Schärfentiefe bezieht sich auf den axialen Entfernungsbereich, innerhalb dessen eine akzeptable fokussierte Spotgröße beibehalten werden kann. Nach der Kollimation hat der Strahl einen sehr kleinen Divergenzwinkel, so dass sich die Spotgröße über eine lange Ausbreitungsstrecke nur sehr wenig ändert. Dies ermöglicht es der Lasermarkierungsmaschine, auf Werkstücken in unterschiedlichen Höhen und sogar auf Oberflächen mit bestimmten Krümmungen zu markieren, ohne die Brennweite häufig anpassen zu müssen, und dennoch klare und gleichmäßige Ergebnisse zu erzielen. Dies ist besonders wichtig bei der Handhabung unebener Werkstücke auf Trays in einer automatisierten Produktionslinie.
3. Schützen Sie optische Komponenten und erhöhen Sie die Leistungsdichte
Reduzierung der Leistungsdichte: Der Laserstrahl wird vor dem Eintritt in die Linse des Scanspiegels aufgeweitet, wodurch sich seine Querschnittsfläche vergrößert und die Leistungsdichte (Leistung pro Flächeneinheit) abnimmt. Dies reduziert die thermische Belastung der Spiegellinse und mögliche Schäden, wodurch ihre Lebensdauer verlängert wird, insbesondere bei Hochleistungs-Lasermarkierungsanwendungen.
Verbesserung der Energienutzung: Ein kleinerer fokussierter Spot bedeutet konzentriertere Energie, was zu einer höheren Leistungsdichte auf dem Material führt, wenn die Laserleistung gleich ist. Dies macht den Markierungsprozess effizienter, schneller oder ermöglicht es, den gleichen Markierungseffekt mit geringerer Leistung zu erzielen, wodurch Energie gespart und die Lebensdauer des Lasers verlängert wird.
Der Strahlaufweiter, der nicht nur die technische Grundlage für das Erreichen einer hochpräzisen und hochauflösenden Markierung ist, sondern auch der Schlüssel zur Erweiterung der Anpassungsfähigkeit der Geräte, zum Schutz der optischen Kernkomponenten und zur Verbesserung der Gesamtprozessstabilität. Man kann sagen, dass ohne einen Strahlaufweiter in einer Lasermarkierungsmaschine ihre Leistung stark reduziert wird. Das Verständnis und die korrekte Anwendung des Strahlaufweiters ist ein unverzichtbarer Bestandteil der Optimierung jedes Lasermarkierungssystems.