Dalam jalur optik yang tepat darimesin penandaan laser, terdapat komponen yang tampaknya sederhana namun krusial - yaitu beam expander. Artikel ini akan membahas prinsip kerja, parameter teknis beam expander, dan pengaruhnya yang menentukan pada proses penandaan laser.
Pertama, untuk memahami mengapa beam expander diperlukan, kita harus terlebih dahulu mengenali bahwa berkas cahaya yang langsung dikeluarkan dari laser memiliki dua karakteristik inheren:
Sudut divergensi berkas: Selama proses transmisi laser, ia bukanlah berkas yang sempurna sejajar. Seiring bertambahnya jarak yang ditempuh, ia secara bertahap menyebar. Sudut penyebaran ini dikenal sebagai sudut divergensi (satuan: mrad).
Karakteristik berkas Gaussian: Distribusi energi berkas laser pada penampangnya mengikuti pola Gaussian, yang berarti paling terang di tengah dan secara bertahap meredup ke tepi.
Jika berkas divergen semacam ini langsung digunakan untuk penandaan, masalah serius akan muncul: ukuran titik fokus akan berubah seiring dengan jarak kerja.
Ketika jaraknya dekat: Berkas cahaya belum sepenuhnya menyebar. Setelah difokuskan oleh lensa medan, titik cahayanya kecil, kepadatan dayanya tinggi, dan penandaannya jelas.
Pada jarak jauh: Berkas telah menyebar secara signifikan. Bahkan setelah difokuskan oleh lensa yang sama, titik cahaya yang dihasilkan akan menjadi lebih besar, kepadatan daya akan berkurang, menyebabkan garis penandaan menjadi lebih tebal, buram, dan bahkan tidak dapat mencapai ambang batas material.
Hal ini sangat membatasi jangkauan kerja efektif (kedalaman fokus) dari mesin penandaan, dan membuatnya sangat sulit untuk mempertahankan hasil penandaan yang konsisten pada benda kerja pada ketinggian yang berbeda atau pada permukaan yang melengkung.
II. Fungsi mendasar dari beam expander adalah untuk mengatasi masalah yang disebutkan di atas. Fungsi utamanya adalah:
Mengubah berkas laser insiden dengan diameter yang lebih kecil menjadi berkas laser keluaran dengan diameter yang lebih besar, sudut divergensi yang lebih kecil (lebih dekat ke sejajar).
Proses ini disebut sebagai "kolimasi berkas" dalam optik.
Prinsip teknis: Berdasarkan sistem teleskop terbalik
Lensa pelebar berkas yang paling umum adalah struktur Keplerian atau Galilean, yang terdiri dari sepasang lensa: lensa kolimasi dengan fokus pendek (lensa masukan) dan lensa keluaran dengan fokus panjang.
Insiden: Berkas cahaya dengan sudut divergensi pertama-tama melewati lensa kolimasi. Menurut optik geometris, berkas cahaya ini awalnya akan difokuskan dan menyatu ke satu titik fokus.
Translasi: Sebelum berkas kembali menyebar, biarkan ia melewati lensa keluaran. Karena panjang fokus lensa keluaran yang lebih panjang, ia akan "menarik kembali" berkas dan membuatnya keluar dengan cara yang lebih sejajar.
Berkas keluaran akhir tidak hanya memiliki diameter yang lebih besar tetapi juga sudut divergensi yang berkurang secara signifikan.
Rumus kunci:
Kinerja beam expander didefinisikan oleh dua parameter kunci:
Rasio ekspansi (M):
Di antaranya, f2 mewakili panjang fokus lensa keluaran, f1 adalah panjang fokus lensa kolimasi, D out adalah diameter berkas keluaran, dan D in adalah diameter berkas masukan. Misalnya, beam expander 3x dapat meningkatkan diameter berkas masukan sebanyak 3 kali.
Kompresi sudut divergensi:
Sudut divergensi θ out dari berkas keluaran dikompresi menjadi 1/M dari sudut divergensi masukan θ in. Ini berarti bahwa beam expander 3x dapat mengurangi sudut divergensi menjadi sepertiga dari nilai aslinya.
III. Setelah berkas cahaya dikolimasikan oleh beam expander, ia memasuki cermin pemindai dan lensa medan (lensa F-θ), dan lompatan kualitatif akan terjadi:
1, Untuk mendapatkan titik fokus yang lebih kecil dan meningkatkan akurasi dan resolusi penandaan
Menurut teori difraksi optik, diameter d dari titik fokus kira-kira:
Di antaranya, λ mewakili panjang gelombang laser, f adalah panjang fokus lensa medan, dan D adalah diameter berkas cahaya yang masuk ke lensa medan.
Kesimpulannya jelas: Lensa pelebar meningkatkan diameter D dari berkas insiden pada lensa medan, sehingga secara langsung mengurangi ukuran titik fokus d. Titik yang lebih kecil berarti garis yang lebih halus, resolusi grafis yang lebih tinggi, dan tepi yang lebih tajam, yang sangat penting untuk menandai kode QR, teks mikro, dan logo yang kompleks.
2. Tingkatkan kedalaman fokus dan perluas jangkauan kerja yang efektif
Kedalaman fokus mengacu pada rentang jarak aksial di mana ukuran titik fokus yang dapat diterima dapat dipertahankan. Setelah dikolimasikan, berkas memiliki sudut divergensi yang sangat kecil, sehingga ukuran titik berubah sangat sedikit selama jarak perambatan yang panjang. Hal ini memungkinkan mesin penandaan laser untuk menandai pada benda kerja pada ketinggian yang berbeda dan bahkan pada permukaan dengan kelengkungan tertentu tanpa sering menyesuaikan panjang fokus, sambil tetap mencapai hasil yang jelas dan seragam. Hal ini sangat penting saat menangani benda kerja yang tidak rata pada baki di lini produksi otomatis.
3. Lindungi komponen optik dan tingkatkan kepadatan daya
Mengurangi kepadatan daya: Berkas laser diperluas sebelum memasuki lensa cermin pemindai, menyebabkan luas penampangnya meningkat dan kepadatan daya (daya per satuan luas) menurun. Hal ini mengurangi beban termal pada lensa cermin dan potensi kerusakan, memperpanjang masa pakainya, terutama dalam aplikasi penandaan laser berdaya tinggi.
Tingkatkan pemanfaatan energi: Titik fokus yang lebih kecil berarti energi yang lebih terkonsentrasi, menghasilkan kepadatan daya yang lebih tinggi pada material ketika daya laser sama. Hal ini membuat proses penandaan lebih efisien, lebih cepat, atau memungkinkan efek penandaan yang sama dicapai dengan daya yang lebih rendah, menghemat energi dan memperpanjang masa pakai laser.
Beam expander, yang tidak hanya menjadi dasar teknis untuk mencapai penandaan presisi tinggi dan resolusi tinggi, tetapi juga kunci untuk memperluas kemampuan adaptasi peralatan, melindungi komponen optik inti, dan meningkatkan stabilitas proses secara keseluruhan. Dapat dikatakan bahwa tanpa beam expander dalam mesin penandaan laser, kinerjanya akan sangat berkurang. Memahami dan menerapkan beam expander dengan benar adalah bagian yang sangat diperlukan untuk mengoptimalkan sistem penandaan laser apa pun.