En la trayectoria óptica precisa de lamáquina de marcado láser, hay un componente aparentemente simple pero crucial: el expansor de haz. Este artículo profundizará en el principio de funcionamiento, los parámetros técnicos del expansor de haz y su influencia decisiva en el proceso de marcado láser.
Primero, para entender por qué es necesario un expansor de haz, debemos reconocer que el haz de luz emitido directamente por el láser tiene dos características inherentes:
Ángulo de divergencia del haz: Durante el proceso de transmisión del láser, no es un haz perfectamente paralelo. A medida que aumenta la distancia que recorre, se extiende gradualmente. Este ángulo de extensión se conoce como ángulo de divergencia (unidad: mrad).
Características del haz gaussiano: La distribución de energía del haz láser en su sección transversal sigue un patrón gaussiano, lo que significa que es más brillante en el centro y disminuye gradualmente hacia los bordes.
Si este tipo de haz divergente se utiliza directamente para el marcado, surgirá un problema grave: el tamaño del punto enfocado cambiará con la distancia de trabajo.
Cuando la distancia es corta: El haz de luz aún no se ha extendido por completo. Después de ser enfocado por la lente de campo, el punto de luz es pequeño, la densidad de potencia es alta y el marcado es claro.
A una larga distancia: El haz se ha extendido significativamente. Incluso después de ser enfocado por la misma lente, el punto de luz resultante se volverá más grande, la densidad de potencia disminuirá, lo que hará que las líneas de marcado sean más gruesas, borrosas e incluso incapaces de alcanzar el umbral del material.
Esto restringe severamente el rango de trabajo efectivo (profundidad de campo) de la máquina de marcado y dificulta extremadamente el mantenimiento de resultados de marcado consistentes en piezas de trabajo a diferentes alturas o en superficies curvas.
II. La función fundamental del expansor de haz es abordar los problemas mencionados anteriormente. Su función principal es:
Convertir el haz láser incidente con un diámetro más pequeño en un haz láser de salida con un diámetro más grande, un ángulo de divergencia más pequeño (más cercano al paralelo).
Este proceso se conoce como "colimación del haz" en óptica.
Principio técnico: Basado en un sistema de telescopio invertido
Las lentes de expansión de haz más comunes son las estructuras Keplerianas o Galileanas, que consisten en un par de lentes: una lente de colimación de corta distancia focal (la lente de entrada) y una lente de salida de larga distancia focal.
Incidencia: Un haz de luz con un ángulo de divergencia primero pasa a través de una lente de colimación. Según la óptica geométrica, este haz de luz se enfocará inicialmente y convergerá en un único punto focal.
Traslación: Antes de que el haz se haya vuelto a divergir, se le permite pasar a través de la lente de salida. Debido a la mayor distancia focal de la lente de salida, "retraerá" el haz y hará que salga de forma más paralela.
El haz de salida final no solo tiene un diámetro mayor, sino también un ángulo de divergencia significativamente reducido.
Fórmula clave:
El rendimiento del expansor de haz se define por dos parámetros clave:
Relación de expansión (M):
Entre ellos, f2 representa la distancia focal de la lente de salida, f1 es la distancia focal de la lente de colimación, D out es el diámetro del haz de salida y D in es el diámetro del haz de entrada. Por ejemplo, un expansor de haz 3x puede aumentar el diámetro del haz de entrada en 3 veces.
Compresión del ángulo de divergencia:
El ángulo de divergencia θ out del haz de salida se comprime a 1/M del ángulo de divergencia de entrada θ in. Esto significa que un expansor de haz 3x puede reducir el ángulo de divergencia a un tercio de su valor original.
III. Después de que el haz de luz es colimado por el expansor de haz, entra en el espejo de escaneo y la lente de campo (lente F-θ), y ocurrirá un salto cualitativo:
1, Para obtener un punto enfocado más pequeño y mejorar la precisión y resolución del marcado
Según la teoría de la difracción óptica, el diámetro d del punto enfocado es aproximadamente:
Entre ellos, λ representa la longitud de onda del láser, f es la distancia focal de la lente de campo y D es el diámetro del haz de luz que entra en la lente de campo.
La conclusión es obvia: La lente de expansión aumenta el diámetro D del haz incidente en la lente de campo, reduciendo así directamente el tamaño del punto enfocado d. Un punto más pequeño significa líneas más finas, mayor resolución gráfica y bordes más nítidos, lo cual es crucial para marcar códigos QR, microtextos y logotipos complejos.
2. Aumentar la profundidad de campo y ampliar el rango de trabajo efectivo
La profundidad de campo se refiere al rango de distancia axial dentro del cual se puede mantener un tamaño de punto enfocado aceptable. Después de ser colimado, el haz tiene un ángulo de divergencia muy pequeño, por lo que el tamaño del punto cambia muy poco a lo largo de una larga distancia de propagación. Esto permite que la máquina de marcado láser marque en piezas de trabajo a diferentes alturas e incluso en superficies con ciertas curvaturas sin ajustar con frecuencia la distancia focal, al tiempo que se logran resultados claros y uniformes. Esto es particularmente importante al manipular piezas de trabajo irregulares en bandejas en una línea de producción automatizada.
3. Proteger los componentes ópticos y aumentar la densidad de potencia
Reducción de la densidad de potencia: El haz láser se expande antes de entrar en la lente del espejo de escaneo, lo que hace que su área de sección transversal aumente y la densidad de potencia (potencia por unidad de área) disminuya. Esto reduce la carga térmica en la lente del espejo y los posibles daños, prolongando su vida útil, especialmente en aplicaciones de marcado láser de alta potencia.
Mejorar la utilización de la energía: Un punto enfocado más pequeño significa una energía más concentrada, lo que resulta en una mayor densidad de potencia en el material cuando la potencia del láser es la misma. Esto hace que el proceso de marcado sea más eficiente, más rápido o permite que se logre el mismo efecto de marcado con menor potencia, ahorrando energía y extendiendo la vida útil del láser.
El expansor de haz, que no solo es la base técnica para lograr un marcado de alta precisión y alta resolución, sino también la clave para ampliar la adaptabilidad del equipo, proteger los componentes ópticos centrales y mejorar la estabilidad general del proceso. Se puede decir que sin un expansor de haz en una máquina de marcado láser, su rendimiento se reducirá en gran medida. Comprender y aplicar correctamente el expansor de haz es una parte indispensable para optimizar cualquier sistema de marcado láser.