Nel preciso percorso ottico dellamarcatrice laser, c'è un componente apparentemente semplice ma cruciale: l'espansore di fascio. Questo articolo approfondirà il principio di funzionamento, i parametri tecnici dell'espansore di fascio e la sua influenza decisiva sul processo di marcatura laser.
Innanzitutto, per capire perché è necessario un espansore di fascio, dobbiamo prima riconoscere che il fascio di luce emesso direttamente dal laser ha due caratteristiche intrinseche:
Angolo di divergenza del fascio: Durante il processo di trasmissione del laser, non si tratta di un fascio perfettamente parallelo. Man mano che la distanza percorsa aumenta, si espande gradualmente. Questo angolo di espansione è noto come angolo di divergenza (unità: mrad).
Caratteristiche del fascio gaussiano: La distribuzione dell'energia del fascio laser nella sua sezione trasversale segue un modello gaussiano, il che significa che è più luminoso al centro e diminuisce gradualmente verso i bordi.
Se questo tipo di fascio divergente viene utilizzato direttamente per la marcatura, si presenterà un grave problema: le dimensioni dello spot focalizzato cambieranno con la distanza di lavoro.
Quando la distanza è breve: Il fascio di luce non si è ancora completamente espanso. Dopo essere stato focalizzato dalla lente di campo, lo spot di luce è piccolo, la densità di potenza è elevata e la marcatura è chiara.
A lunga distanza: Il fascio si è notevolmente espanso. Anche dopo essere stato focalizzato dalla stessa lente, lo spot di luce risultante diventerà più grande, la densità di potenza diminuirà, causando l'ispessimento delle linee di marcatura, la sfocatura e persino l'incapacità di raggiungere la soglia del materiale.
Ciò limita severamente il raggio di azione effettivo (profondità di campo) della marcatrice e rende estremamente difficile mantenere risultati di marcatura coerenti su pezzi a diverse altezze o su superfici curve.
II. La funzione fondamentale dell'espansore di fascio è quella di risolvere i problemi sopra menzionati. La sua funzione principale è:
Convertire il fascio laser incidente con un diametro minore in un fascio laser in uscita con un diametro maggiore, un angolo di divergenza minore (più vicino al parallelo).
Questo processo è definito "collimazione del fascio" in ottica.
Principio tecnico: Basato su un sistema telescopico invertito
Le lenti di espansione del fascio più comuni sono le strutture kepleriane o galileiane, costituite da una coppia di lenti: una lente di collimazione a corta focale (la lente di ingresso) e una lente di uscita a lunga focale.
Incidenza: Un fascio di luce con un angolo di divergenza passa prima attraverso una lente di collimazione. Secondo l'ottica geometrica, questo fascio di luce verrà inizialmente focalizzato e convergerà in un singolo punto focale.
Traslazione: Prima che il fascio si sia nuovamente divaricato, consentirgli di passare attraverso la lente di uscita. A causa della maggiore lunghezza focale della lente di uscita, essa "tirerà indietro" il fascio e lo farà uscire in modo più parallelo.
Il fascio in uscita finale non solo ha un diametro maggiore, ma anche un angolo di divergenza significativamente ridotto.
Formula chiave:
Le prestazioni dell'espansore di fascio sono definite da due parametri chiave:
Rapporto di espansione (M):
Tra questi, f2 rappresenta la lunghezza focale della lente di uscita, f1 è la lunghezza focale della lente di collimazione, D out è il diametro del fascio in uscita e D in è il diametro del fascio in ingresso. Ad esempio, un espansore di fascio 3x può aumentare il diametro del fascio in ingresso di 3 volte.
Compressione dell'angolo di divergenza:
L'angolo di divergenza θ out del fascio in uscita viene compresso a 1/M dell'angolo di divergenza in ingresso θ in. Ciò significa che un espansore di fascio 3x può ridurre l'angolo di divergenza a un terzo del suo valore originale.
III. Dopo che il fascio di luce è stato collimato dall'espansore di fascio, entra nello specchio di scansione e nella lente di campo (lente F-θ), e si verificherà un salto di qualità:
1, Per ottenere uno spot focalizzato più piccolo e migliorare la precisione e la risoluzione della marcatura
Secondo la teoria della diffrazione ottica, il diametro d dello spot focalizzato è approssimativamente:
Tra questi, λ rappresenta la lunghezza d'onda del laser, f è la lunghezza focale della lente di campo e D è il diametro del fascio di luce che entra nella lente di campo.
La conclusione è ovvia: La lente di espansione aumenta il diametro D del fascio incidente sulla lente di campo, riducendo così direttamente le dimensioni dello spot focalizzato d. Uno spot più piccolo significa linee più sottili, una maggiore risoluzione grafica e bordi più nitidi, il che è fondamentale per la marcatura di codici QR, microtesti e loghi complessi.
2. Aumentare la profondità di campo ed espandere il raggio di azione effettivo
La profondità di campo si riferisce all'intervallo di distanza assiale entro il quale è possibile mantenere una dimensione dello spot focalizzato accettabile. Dopo essere stato collimato, il fascio ha un angolo di divergenza molto piccolo, quindi le dimensioni dello spot cambiano molto poco su una lunga distanza di propagazione. Ciò consente alla marcatrice laser di marcare su pezzi a diverse altezze e persino su superfici con una certa curvatura senza regolare frequentemente la lunghezza focale, ottenendo comunque risultati chiari e uniformi. Ciò è particolarmente importante quando si maneggiano pezzi irregolari su vassoi in una linea di produzione automatizzata.
3. Proteggere i componenti ottici e aumentare la densità di potenza
Riduzione della densità di potenza: Il fascio laser viene espanso prima di entrare nella lente dello specchio di scansione, causando l'aumento della sua area della sezione trasversale e la diminuzione della densità di potenza (potenza per unità di area). Ciò riduce il carico termico sulla lente dello specchio e i potenziali danni, prolungando la sua durata, in particolare nelle applicazioni di marcatura laser ad alta potenza.
Migliorare l'utilizzo dell'energia: Uno spot focalizzato più piccolo significa energia più concentrata, con conseguente maggiore densità di potenza sul materiale quando la potenza del laser è la stessa. Ciò rende il processo di marcatura più efficiente, più veloce o consente di ottenere lo stesso effetto di marcatura con una potenza inferiore, risparmiando energia e prolungando la durata del laser.
L'espansore di fascio, che non è solo la base tecnica per ottenere una marcatura ad alta precisione e ad alta risoluzione, ma anche la chiave per espandere l'adattabilità dell'apparecchiatura, proteggere i componenti ottici principali e migliorare la stabilità complessiva del processo. Si può dire che senza un espansore di fascio in una marcatrice laser, le sue prestazioni saranno notevolmente ridotte. Comprendere e applicare correttamente l'espansore di fascio è una parte indispensabile per ottimizzare qualsiasi sistema di marcatura laser.