В точном оптическом путилазерного маркировочного станкаесть, казалось бы, простой, но решающий компонент - расширитель луча. Эта статья углубится в принцип работы, технические параметры расширителя луча и его решающее влияние на процесс лазерной маркировки.
Во-первых, чтобы понять, зачем нужен расширитель луча, мы должны сначала признать, что световой луч, непосредственно выходящий из лазера, обладает двумя присущими ему характеристиками:
Угол расходимости луча: В процессе передачи лазера он не является идеально параллельным лучом. По мере увеличения пройденного расстояния он постепенно расширяется. Этот угол расширения известен как угол расходимости (единица измерения: мрад).
Характеристики гауссова луча: Распределение энергии лазерного луча в его поперечном сечении следует гауссовой модели, то есть оно наиболее яркое в центре и постепенно уменьшается к краям.
Если этот расходящийся луч напрямую использовать для маркировки, возникнет серьезная проблема: размер сфокусированного пятна будет меняться в зависимости от рабочего расстояния.
Когда расстояние небольшое: Световой луч еще не успел полностью распространиться. После фокусировки линзой поля, световое пятно небольшое, плотность мощности высокая, а маркировка четкая.
На большом расстоянии: Луч значительно распространился. Даже после фокусировки той же линзой, результирующее световое пятно станет больше, плотность мощности уменьшится, что приведет к утолщению линий маркировки, размытости и даже невозможности достижения порогового значения материала.
Это серьезно ограничивает эффективный рабочий диапазон (глубину резкости) маркировочного станка и чрезвычайно затрудняет поддержание стабильных результатов маркировки на заготовках разной высоты или на изогнутых поверхностях.
II. Основная функция расширителя луча - решить вышеупомянутые проблемы. Его основная функция:
Преобразовать падающий лазерный луч меньшего диаметра в выходной лазерный луч большего диаметра с меньшим углом расходимости (ближе к параллельному).
Этот процесс в оптике называется «коллимацией луча».
Технический принцип: Основан на инвертированной телескопической системе
Наиболее распространенными линзами для расширения луча являются структуры Кеплера или Галилея, состоящие из пары линз: короткофокусной коллимирующей линзы (входная линза) и длиннофокусной выходной линзы.
Падение: Луч света с углом расходимости сначала проходит через коллимирующую линзу. Согласно геометрической оптике, этот луч света сначала сфокусируется и сойдется в одной точке фокусировки.
Перемещение: Прежде чем луч снова разойдется, позвольте ему пройти через выходную линзу. Из-за большей фокусного расстояния выходной линзы она «оттянет» луч и заставит его выходить более параллельно.
Окончательный выходной луч не только имеет больший диаметр, но и значительно уменьшенный угол расходимости.
Ключевая формула:
Производительность расширителя луча определяется двумя ключевыми параметрами:
Коэффициент расширения (M):
Среди них f2 представляет собой фокусное расстояние выходной линзы, f1 - фокусное расстояние коллимирующей линзы, D out - диаметр выходного луча, а D in - диаметр входного луча. Например, расширитель луча 3x может увеличить диаметр входного луча в 3 раза.
Сжатие угла расходимости:
Угол расходимости θ out выходного луча сжимается до 1/M угла расходимости θ in входного луча. Это означает, что расширитель луча 3x может уменьшить угол расходимости до одной трети от его первоначального значения.
III. После того, как световой луч коллимируется расширителем луча, он попадает в сканирующее зеркало и линзу поля (F-θ lens), и произойдет качественный скачок:
1, Чтобы получить меньшее сфокусированное пятно и улучшить точность и разрешение маркировки
Согласно теории дифракции света, диаметр d сфокусированного пятна приблизительно равен:
Среди них λ представляет собой длину волны лазера, f - фокусное расстояние линзы поля, а D - диаметр светового луча, входящего в линзу поля.
Вывод очевиден: Расширяющая линза увеличивает диаметр D падающего луча на линзу поля, тем самым напрямую уменьшая размер сфокусированного пятна d. Меньшее пятно означает более тонкие линии, более высокое графическое разрешение и более четкие края, что имеет решающее значение для маркировки QR-кодов, микротекста и сложных логотипов.
2. Увеличьте глубину резкости и расширьте эффективный рабочий диапазон
Глубина резкости относится к диапазону осевого расстояния, в котором можно поддерживать приемлемый размер сфокусированного пятна. После коллимации луч имеет очень небольшой угол расходимости, поэтому размер пятна меняется очень мало на большом расстоянии распространения. Это позволяет лазерному маркировочному станку маркировать заготовки на разных высотах и даже на поверхностях с определенной кривизной, не часто регулируя фокусное расстояние, при этом достигая четких и однородных результатов. Это особенно важно при работе с неровными заготовками на поддонах в автоматизированной производственной линии.
3. Защитите оптические компоненты и увеличьте плотность мощности
Уменьшение плотности мощности: Лазерный луч расширяется перед входом в линзу сканирующего зеркала, в результате чего увеличивается его площадь поперечного сечения и уменьшается плотность мощности (мощность на единицу площади). Это снижает тепловую нагрузку на зеркальную линзу и потенциальное повреждение, продлевая срок ее службы, особенно в приложениях лазерной маркировки высокой мощности.
Улучшение использования энергии: Меньшее сфокусированное пятно означает более концентрированную энергию, что приводит к более высокой плотности мощности на материале, когда мощность лазера одинакова. Это делает процесс маркировки более эффективным, быстрым или позволяет достичь того же эффекта маркировки с меньшей мощностью, экономя энергию и продлевая срок службы лазера.
Расширитель луча, который является не только технической основой для достижения высокоточной и высокого разрешения маркировки, но и ключом к расширению адаптируемости оборудования, защите основных оптических компонентов и повышению общей стабильности процесса. Можно сказать, что без расширителя луча в лазерном маркировочном станке его производительность будет значительно снижена. Понимание и правильное применение расширителя луча является неотъемлемой частью оптимизации любой системы лазерной маркировки.