Trong đường dẫn quang học chính xác củamáy khắc laser, có một thành phần tưởng chừng đơn giản nhưng lại vô cùng quan trọng - bộ mở rộng chùm tia. Bài viết này sẽ đi sâu vào nguyên lý hoạt động, các thông số kỹ thuật của bộ mở rộng chùm tia và ảnh hưởng quyết định của nó đối với quá trình khắc laser.
Đầu tiên, để hiểu tại sao cần có bộ mở rộng chùm tia, trước tiên chúng ta phải nhận ra rằng chùm tia sáng phát ra trực tiếp từ laser có hai đặc điểm cố hữu:
Góc phân kỳ của chùm tia: Trong quá trình truyền của laser, nó không phải là một chùm tia hoàn toàn song song. Khi khoảng cách truyền đi tăng lên, nó dần dần lan rộng ra. Góc lan rộng này được gọi là góc phân kỳ (đơn vị: mrad).
Đặc tính chùm tia Gaussian: Sự phân bố năng lượng của chùm tia laser trong mặt cắt ngang của nó tuân theo mô hình Gaussian, có nghĩa là nó sáng nhất ở trung tâm và dần dần giảm về phía các cạnh.
Nếu loại chùm tia phân kỳ này được sử dụng trực tiếp để đánh dấu, một vấn đề nghiêm trọng sẽ phát sinh: kích thước của điểm hội tụ sẽ thay đổi theo khoảng cách làm việc.
Khi khoảng cách gần: Chùm tia sáng chưa lan rộng hoàn toàn. Sau khi được thấu kính trường hội tụ, điểm sáng nhỏ, mật độ năng lượng cao và việc đánh dấu rõ ràng.
Ở khoảng cách xa: Chùm tia đã lan rộng đáng kể. Ngay cả sau khi được hội tụ bởi cùng một thấu kính, điểm sáng kết quả sẽ trở nên lớn hơn, mật độ năng lượng sẽ giảm, khiến các đường đánh dấu trở nên dày hơn, mờ hơn và thậm chí không thể đạt đến ngưỡng vật liệu.
Điều này hạn chế nghiêm trọng phạm vi làm việc hiệu quả (độ sâu trường ảnh) của máy đánh dấu và khiến việc duy trì kết quả đánh dấu nhất quán trên các phôi ở các độ cao khác nhau hoặc trên các bề mặt cong trở nên cực kỳ khó khăn.
II. Chức năng cơ bản của bộ mở rộng chùm tia là giải quyết các vấn đề đã nêu. Chức năng cốt lõi của nó là:
Chuyển đổi chùm tia laser tới có đường kính nhỏ hơn thành chùm tia laser ra có đường kính lớn hơn, góc phân kỳ nhỏ hơn (gần song song hơn).
Quá trình này được gọi là "làm chuẩn trực chùm tia" trong quang học.
Nguyên tắc kỹ thuật: Dựa trên hệ thống kính thiên văn đảo ngược
Các thấu kính mở rộng chùm tia phổ biến nhất là cấu trúc Keplerian hoặc Galilean, bao gồm một cặp thấu kính: một thấu kính chuẩn trực tiêu cự ngắn (thấu kính đầu vào) và một thấu kính đầu ra tiêu cự dài.
Sự cố: Một chùm ánh sáng có góc phân kỳ trước tiên đi qua một thấu kính chuẩn trực. Theo quang hình học, chùm ánh sáng này ban đầu sẽ được hội tụ và hội tụ vào một điểm tiêu cự duy nhất.
Dịch chuyển: Trước khi chùm tia phân kỳ trở lại, hãy cho nó đi qua thấu kính đầu ra. Do tiêu cự dài hơn của thấu kính đầu ra, nó sẽ "kéo lại" chùm tia và làm cho nó thoát ra theo cách song song hơn.
Chùm tia đầu ra cuối cùng không chỉ có đường kính lớn hơn mà còn có góc phân kỳ giảm đáng kể.
Công thức chính:
Hiệu suất của bộ mở rộng chùm tia được xác định bởi hai thông số chính:
Tỷ lệ mở rộng (M):
Trong đó, f2 biểu thị tiêu cự của thấu kính đầu ra, f1 là tiêu cự của thấu kính chuẩn trực, D out là đường kính của chùm tia đầu ra và D in là đường kính của chùm tia đầu vào. Ví dụ, bộ mở rộng chùm tia 3x có thể tăng đường kính của chùm tia đầu vào lên 3 lần.
Nén góc phân kỳ:
Góc phân kỳ θ out của chùm tia đầu ra được nén thành 1/M của góc phân kỳ đầu vào θ in. Điều này có nghĩa là bộ mở rộng chùm tia 3x có thể giảm góc phân kỳ xuống còn một phần ba giá trị ban đầu của nó.
III. Sau khi chùm tia sáng được chuẩn trực bởi bộ mở rộng chùm tia, nó đi vào gương quét và thấu kính trường (thấu kính F-θ), và một bước nhảy vọt về chất lượng sẽ xảy ra:
1, Để có được điểm hội tụ nhỏ hơn và cải thiện độ chính xác và độ phân giải đánh dấu
Theo lý thuyết nhiễu xạ ánh sáng, đường kính d của điểm hội tụ xấp xỉ:
Trong đó, λ biểu thị bước sóng laser, f là tiêu cự của thấu kính trường và D là đường kính của chùm tia sáng đi vào thấu kính trường.
Kết luận là rõ ràng: Thấu kính mở rộng làm tăng đường kính D của chùm tia tới trên thấu kính trường, do đó làm giảm trực tiếp kích thước của điểm hội tụ d. Một điểm nhỏ hơn có nghĩa là các đường nét mịn hơn, độ phân giải đồ họa cao hơn và các cạnh sắc nét hơn, điều này rất quan trọng để đánh dấu mã QR, văn bản nhỏ và logo phức tạp.
2. Tăng độ sâu trường ảnh và mở rộng phạm vi làm việc hiệu quả
Độ sâu trường ảnh đề cập đến phạm vi khoảng cách trục mà trong đó có thể duy trì kích thước điểm hội tụ có thể chấp nhận được. Sau khi được chuẩn trực, chùm tia có góc phân kỳ rất nhỏ, vì vậy kích thước điểm thay đổi rất ít trong một khoảng cách truyền dài. Điều này cho phép máy khắc laser đánh dấu trên các phôi ở các độ cao khác nhau và thậm chí trên các bề mặt có độ cong nhất định mà không cần điều chỉnh thường xuyên tiêu cự, đồng thời vẫn đạt được kết quả rõ ràng và đồng đều. Điều này đặc biệt quan trọng khi xử lý các phôi không bằng phẳng trên khay trong dây chuyền sản xuất tự động.
3. Bảo vệ các thành phần quang học và tăng mật độ năng lượng
Giảm mật độ năng lượng: Chùm tia laser được mở rộng trước khi đi vào thấu kính của gương quét, khiến diện tích mặt cắt ngang của nó tăng lên và mật độ năng lượng (năng lượng trên một đơn vị diện tích) giảm. Điều này làm giảm tải nhiệt lên thấu kính gương và các hư hỏng tiềm ẩn, kéo dài tuổi thọ của nó, đặc biệt là trong các ứng dụng đánh dấu laser công suất cao.
Cải thiện việc sử dụng năng lượng: Một điểm hội tụ nhỏ hơn có nghĩa là năng lượng tập trung hơn, dẫn đến mật độ năng lượng cao hơn trên vật liệu khi công suất laser là như nhau. Điều này làm cho quá trình đánh dấu hiệu quả hơn, nhanh hơn hoặc cho phép đạt được cùng một hiệu ứng đánh dấu với công suất thấp hơn, tiết kiệm năng lượng và kéo dài tuổi thọ của laser.
Bộ mở rộng chùm tia, không chỉ là nền tảng kỹ thuật để đạt được khả năng đánh dấu có độ chính xác cao và độ phân giải cao, mà còn là chìa khóa để mở rộng khả năng thích ứng của thiết bị, bảo vệ các thành phần quang học cốt lõi và tăng cường sự ổn định tổng thể của quy trình. Có thể nói rằng nếu không có bộ mở rộng chùm tia trong máy khắc laser, hiệu suất của nó sẽ bị giảm đi rất nhiều. Việc hiểu và áp dụng đúng bộ mở rộng chùm tia là một phần không thể thiếu để tối ưu hóa bất kỳ hệ thống khắc laser nào.