Что такое лазерный коллиматор?
Видео: Коротко о коллиматорных прицелах. Все что нужно знать за 6 минут.
Содержание
Концепция коллимации довольно уникальна. Он используется в лабораториях для корректировки угла обзора, а также играет жизненно важную роль в астрономии. Сегодняшние стандартные 8-дюймовые телескопы могут видеть далекие квазары и галактики, но как такие обычные телескопы смогли получить четкость для наблюдения за такими далекими объектами? Ответ заключается в том, что современные телескопы в основном оснащены лазерными или оптическими коллиматорами. Прежде чем мы рассмотрим, что такое лазерный коллиматор, давайте сначала попробуем понять, что на самом деле означает коллимация луча.
Что такое коллимация?
Всякий раз, когда свет проходит через какой-либо преломляющий объект, он претерпевает определенную дифракцию. Лучи света рассеиваются и не достигают наблюдателей; кроме того, у них нет параллельных лучей света, а скорее рассеянных углов.
С другой стороны, коллимированный луч света имеет очень параллельные лучи света. Таким образом, мы можем определить коллимацию как процесс преобразования рассеянного света в луч света с большим количеством параллельных лучей. Коллимированный луч света — это луч (обычно лазерный луч) с малой расходимостью луча, так что радиус луча не претерпевает значительных изменений в пределах умеренных расстояний распространения. В простом (и часто встречающемся) случае гауссовых пучков это означает, что длина Рэлея должна быть большой по сравнению с предполагаемым расстоянием распространения.
А коллиматор это устройство, сужающее луч света. Сужение луча света может иметь два значения. Первый означает направление луча света в определенном направлении. Второй означает уменьшение пространственного сечения балки, чтобы стать меньше.
Как проходит лазерная коллимация
Лазер можно определить как устройство, которое генерирует когерентный пучок монохроматического света высокой интенсивности. Большинство обычных лазеров, которые используют гражданские лица, — это лазерные диоды. В отличие от своих газовых или кристаллических лазеров, имеющихся в лабораториях, лазерные диоды обладают серьезным уровнем расходимости. Луч диодного лазера имеет низкое качество волнового фронта, серьезный астигматизм, а также проблемы с эллиптикой. Астигматизм в лазерном диоде обычно относится к уровню аберрации, с которой сталкивается лазерный луч из лазерного диода. Эллиптические лучи также могут вызвать небольшое растекание кромок лазера; Вместо идеальной точки он образует небольшой эллипс. Обе эти проблемы можно исправить с помощью нескольких оптических поправок.
Самый простой и популярный способ коллимировать луч лазерного диода — использовать одну асферическую линзу. Чем больше фокусное расстояние этой линзы, тем больше будет диаметр луча после коллимации. Кроме того, если необходимо выполнить определенную настройку луча, например, чтобы расширить радиус луча коллимированного луча, часто используется двухлинзовая система — так называемый телескоп. Одна линза с отрицательным фокусным расстоянием, а другая с положительным фокусным расстоянием создает установку для коллимации и расширения или сжатия луча. Чтобы исправить эллиптическую проблему, коллимированный эллиптический пучок можно сделать круговым путем расширения либо в направлении медленной оси эллипса, либо путем сжатия в направлении быстрой оси.
Лазерный коллиматор в телескопе
Лазерный коллиматор позволяет удобно юстировать оптику телескопа-отражателя. Во-первых, вы используете лазерный коллиматор, чтобы определить, вторичное зеркало указывает прямо на центр главное зеркало.
Первое, что вы делаете, это светите лазерным коллиматором через трубку телескопа. Необходимо следить за тем, чтобы лазерный коллиматор стоял на месте без каких-либо движений. Это обеспечит правильную юстировку лазерного коллиматора без каких-либо изгибов или провисаний.
Луч лазера отразится от вторичного зеркала и достигнет главного зеркала. Главное зеркало обычно имеет небольшую маркировочную ленту. Лазер выравнивается так, чтобы попасть в этот маркер, и вторичное зеркало затем соответствующим образом ориентируется и фокусируется.
Коллимация лазера сделана не зря. Это помогает теоретически выровнять фокус изображения на бесконечности. Это помогает повысить четкость далеких небесных объектов. Давайте рассмотрим теоретический пример, который может объяснить, почему в телескопах для коллимации используется лазер.
Проблема коллимации возникает, когда удаленные объекты появляются как точечные источники. К сожалению, ничто не может быть истинным точечным источником, и размер источника должен быть включен в любые вычисления, если точечный источник имеет радиус y1 и максимальный луч под углом θ1. Если мы коллимируем выходной сигнал от этого источника с помощью линзы с фокусным расстоянием f, в результате получится луч с радиусом y2 = θ1f и углом расходимости θ2 = y1 / f. Обратите внимание, что независимо от того, какая линза используется, радиус луча и расходимость луча имеют обратную зависимость. Таким образом, если бы точка фокусировки находилась на бесконечности, это привело бы к тому, что угол луча был бы равен нулю, тем самым коллимируя луч света.
Лазерная коллимация в лабораториях
Коллимированные лазерные лучи очень полезны в лабораторных установках, так как радиус луча остается приблизительно постоянным, поэтому расстояния между оптическими компонентами можно легко изменять без применения дополнительной оптики, а также избегать чрезмерных радиусов луча. Большинство твердотельных лазеров излучают коллимированные лучи естественным образом; плоский выходной элемент связи обеспечивает плоские волновые фронты (то есть перетяжку пучка) на выходе, а перетяжка пучка обычно достаточно велика, чтобы избежать чрезмерной расходимости. Однако лазерные диоды с торцевым излучением излучают сильно расходящиеся лучи и поэтому часто оснащены коллимационной оптикой — по крайней мере, коллиматором с быстрой осью, что в значительной степени снижает сильную расходимость в «быстром» направлении. Для волокон часто бывает достаточно простой оптической линзы для коллимации, хотя качество луча может быть лучше сохранено с помощью асферической линзы, особенно для одномодовых волокон с большой числовой апертурой.
Коллиматорная линза в лазерной голове для волоконного станка по металлу
Лазерная резка не может быть реализована при отсутствии лазерного луча, сфокусированного надлежащим образом. Фокусировка достигается использованием качественной оптики. Поэтому весьма важно правильно подобрать линзу для работ по лазерной гравировке и резке металла.
Назначение линзы коллиматорной в лазерной голове
Коллиматорная линза не фокусирует, с её помощью мы получаем параллельный поток излучения лазера. Грубо говоря, она снижает расходимость луча.
Поэтому важное значение имеет выбор качественной линзы, своевременное её обслуживание, контроль чистоты поверхности последней.
Кварцевые линзы
Чаще всего линзы для волоконных лазеров изготавливают из кварцевого стекла. Подобные модели отличаются длительными сроками эксплуатации, способны воспринимать существенно большие температуры, в сравнении с селенидом цинка (ZnSe), применяемым в лазерных газовых гравёрах СО2.
Штатный комплект лазерной головы включает коллиматорную и фокусирующую линзы.
Первая принимает и выпрямляет расширяющийся луч лазера, а вторая фокусирует его на поверхности обрабатываемой заготовки.
Коллиматорная линза
Подобные линзы монтируются на выходе оптоволоконного лазерного излучателя. Отстоят от него на расстоянии, которое равно фокусному.
Выходящее лазерное излучение аккумулируется коллиматорной линзой, внутри которой оно преобразуется в направленный параллельный пучок, минимизируя его расходимость. Линзы двояковыпуклые, выпукло-вогнутые, иной геометрии всегда используются в комплекте.
Они устанавливаются в коллиматорном блоке, представляющем законченную оптическую систему из двух или более подобных изделий, которые смонтированы в охлаждаемом корпусе на определённых расстояниях.
Фокусные линзы
Чаще всего линзы для фокусировки это небольшая лупа, одна сторона которой выпуклая, а вторая, плоская. Существуют модели, у которых вместо плоской стороны вогнутая, но их применяют значительно реже.
Наиболее востребованным материалом для производства линз лазерных излучателей является арсенид галия (химическая формула, GaAs). Второй по востребованности, (ZnSe). Оба названных материала отличаются существенной стойкостью к внешним механическим воздействиям, значительным температурным нагрузкам. Но оптика из GaAs имеет большие сроки эксплуатации.
Ассортимент фокусных линз, применяемых на различных лазерных станках по металлу, многовариантен по применяемому исходному материалу, диаметрам, типам нанесённых напылений, степени выпуклости.
Сформированный лазером поток излучения, попадающий на линзу, аккумулируется в ней и ужимается в луч. Его сечение равно диаметру, проецируемого на поверхность заготовки, светового пятна. Фокусом именуется минимальный диаметр последнего. Расстояние до подобной точки, фокусным.
В точке фокусировки луч лазера отличается максимальной интенсивностью.
В зависимости от мощности установленного излучателя, он может резать за проход заготовки, выполненные из материалов доступной толщины.
Короткофокусные, длиннофокусные линзы
Короткофокусные, длиннофокусные линзы, основные различия
Лазерные станки, это универсальное оборудование, обеспечивающим гравировку, резку различных материалов.
Формируемый луч быстро, с надлежащей точностью обрабатывает папиросную бумагу, толстую фанеру или металлический лист.
Но корректное выполнение работы с получением надлежащего выходного качества требуется выполнить правильную фокусировку.
В противном случае, лазерный луч может пережигать материал, осуществлять рез не на всю глубину заготовки, возможно появление искажений воспроизводимого изображения, иные дефекты.
Чтобы исключить подобные проблемы требуется правильно подойти к подбору линзы с учётом её фокусного расстояния: длиннофокусная, короткофокусная, среднефокусная (часто именуется универсальной).
Основной интерес представляют две первые версии, каждая из которых используется для решения конкретных задач.
Длиннофокусные линзы
Эта продукция задана размерным рядом (4–7.5). Расстояние между зоной обработки, располагающейся на заготовке, и головкой излучателя, у подобных изделий достаточно значительное.
Применение подобных линз позволяет выполнить одним проходом качественный рез достаточно толстого материала, толщина которого может составлять (8–10 мм). В отдельных случаях, ещё более толстого.
Его не рекомендуется применять для высокоточной гравировки, обработки деликатных поверхностей.
Это объясняется тем, что формируемое пятно имеет значительный диаметр. В точке резания уменьшается мощность излучения (если сравнивать её значение с аналогичным параметром короткофокусных моделей). Это объясняется распределением плотности по всей площади пятна. При этом зона каустики (так именуется протяжённость луча, имеющего максимальную фокусировку) у длиннофокусной линзы больше.
Именно это позволяет лазерному лучу резать более толстый материал, формируя ровные кромки реза, без образования скосов.
Короткофокусные линзы
Размерный ряд данной продукции задан диапазоном (1.0–1.5).
Подобные модели применяют при необходимости выполнения прецизионного реза мелких деталей из заготовок с незначительной толщиной, нанесения сверхточной гравировки.
В качестве примера можно назвать производство печатей и штампов в соответствии с положениями действующих ГОСТ.
После того, как луч лазера прошёл через короткофокусную линзу, формируется пятно, диаметр которого соответствует минимально возможному. Он может составлять доли миллиметра.
Это приводит к существенной концентрации мощности излучения, благодаря повышенной плотности частиц.
Поделиться Share this content
Вам также может понравиться
Как выбрать сопла для лазерной резки металла
Изготовление металлических изделий по чертежам на лазере
Коллиматорная линза в лазерной голове для волоконного станка по металлу
Лазерная резка не может быть реализована при отсутствии лазерного луча, сфокусированного надлежащим образом. Фокусировка достигается использованием качественной оптики. Поэтому весьма важно правильно подобрать линзу для работ по лазерной гравировке и резке металла.
Назначение линзы коллиматорной в лазерной голове
Коллиматорная линза не фокусирует, с её помощью мы получаем параллельный поток излучения лазера. Грубо говоря, она снижает расходимость луча.
Поэтому важное значение имеет выбор качественной линзы, своевременное её обслуживание, контроль чистоты поверхности последней.
Кварцевые линзы
Чаще всего линзы для волоконных лазеров изготавливают из кварцевого стекла. Подобные модели отличаются длительными сроками эксплуатации, способны воспринимать существенно большие температуры, в сравнении с селенидом цинка (ZnSe), применяемым в лазерных газовых гравёрах СО2.
Штатный комплект лазерной головы включает коллиматорную и фокусирующую линзы.
Первая принимает и выпрямляет расширяющийся луч лазера, а вторая фокусирует его на поверхности обрабатываемой заготовки.
Коллиматорная линза
Подобные линзы монтируются на выходе оптоволоконного лазерного излучателя. Отстоят от него на расстоянии, которое равно фокусному.
Выходящее лазерное излучение аккумулируется коллиматорной линзой, внутри которой оно преобразуется в направленный параллельный пучок, минимизируя его расходимость. Линзы двояковыпуклые, выпукло-вогнутые, иной геометрии всегда используются в комплекте.
Они устанавливаются в коллиматорном блоке, представляющем законченную оптическую систему из двух или более подобных изделий, которые смонтированы в охлаждаемом корпусе на определённых расстояниях.
Фокусные линзы
Чаще всего линзы для фокусировки это небольшая лупа, одна сторона которой выпуклая, а вторая, плоская. Существуют модели, у которых вместо плоской стороны вогнутая, но их применяют значительно реже.
Наиболее востребованным материалом для производства линз лазерных излучателей является арсенид галия (химическая формула, GaAs). Второй по востребованности, (ZnSe). Оба названных материала отличаются существенной стойкостью к внешним механическим воздействиям, значительным температурным нагрузкам. Но оптика из GaAs имеет большие сроки эксплуатации.
Ассортимент фокусных линз, применяемых на различных лазерных станках по металлу, многовариантен по применяемому исходному материалу, диаметрам, типам нанесённых напылений, степени выпуклости.
Сформированный лазером поток излучения, попадающий на линзу, аккумулируется в ней и ужимается в луч. Его сечение равно диаметру, проецируемого на поверхность заготовки, светового пятна. Фокусом именуется минимальный диаметр последнего. Расстояние до подобной точки, фокусным.
В точке фокусировки луч лазера отличается максимальной интенсивностью.
В зависимости от мощности установленного излучателя, он может резать за проход заготовки, выполненные из материалов доступной толщины.
Короткофокусные, длиннофокусные линзы, основные различия
Лазерные станки, это универсальное оборудование, обеспечивающим гравировку, резку различных материалов.
Формируемый луч быстро, с надлежащей точностью обрабатывает папиросную бумагу, толстую фанеру или металлический лист.
Но корректное выполнение работы с получением надлежащего выходного качества требуется выполнить правильную фокусировку.
В противном случае, лазерный луч может пережигать материал, осуществлять рез не на всю глубину заготовки, возможно появление искажений воспроизводимого изображения, иные дефекты.
Чтобы исключить подобные проблемы требуется правильно подойти к подбору линзы с учётом её фокусного расстояния: длиннофокусная, короткофокусная, среднефокусная (часто именуется универсальной).
Основной интерес представляют две первые версии, каждая из которых используется для решения конкретных задач.
Длиннофокусные линзы
Эта продукция задана размерным рядом (4–7.5). Расстояние между зоной обработки, располагающейся на заготовке, и головкой излучателя, у подобных изделий достаточно значительное.
Применение подобных линз позволяет выполнить одним проходом качественный рез достаточно толстого материала, толщина которого может составлять (8–10 мм). В отдельных случаях, ещё более толстого.
Его не рекомендуется применять для высокоточной гравировки, обработки деликатных поверхностей.
Это объясняется тем, что формируемое пятно имеет значительный диаметр. В точке резания уменьшается мощность излучения (если сравнивать её значение с аналогичным параметром короткофокусных моделей). Это объясняется распределением плотности по всей площади пятна. При этом зона каустики (так именуется протяжённость луча, имеющего максимальную фокусировку) у длиннофокусной линзы больше.
Именно это позволяет лазерному лучу резать более толстый материал, формируя ровные кромки реза, без образования скосов.
Короткофокусные линзы
Размерный ряд данной продукции задан диапазоном (1.0–1.5).
Подобные модели применяют при необходимости выполнения прецизионного реза мелких деталей из заготовок с незначительной толщиной, нанесения сверхточной гравировки.
В качестве примера можно назвать производство печатей и штампов в соответствии с положениями действующих ГОСТ.
После того, как луч лазера прошёл через короткофокусную линзу, формируется пятно, диаметр которого соответствует минимально возможному. Он может составлять доли миллиметра.
Это приводит к существенной концентрации мощности излучения, благодаря повышенной плотности частиц.
Как оценить и улучшить качество резки металла на оптоволоконном лазерном станке
А вы сталкивались с тем, что ваш волоконный лазерный резак не справляется с возложенными на него задачами? Ведь вы покупали станок для того, что бы существенно повысить производительность, качество изделий, сократить накладные расходы связанные с раскроем листового металла. Есть хорошая новость! Большинство проблем возникающих в процессе эксплуатации лазерного станка решаются очень просто — достаточно знать какие параметры и как влияют на результат.
В этой статье мы расскажем об основных параметрах, изменение которых позволит улучшить качество резки ваших деталей из углеродистой стали на оптоволоконном лазерном станке.
Как известно, на качество лазерной резки металла влияют множество факторов:
Параметрозависимые
- Скорость подачи
- Давление вспомогательного газа
- Фокусное расстояние
- Диаметр сопла
- Высота от поверхности материала до сопла
- Юстировка оптического тракта
Независящие от настроек системы
- Чистота фокусирующих и коллиматорных линз
- Чистота защитного стекла фокусирующей линзы
- Качество газа
- Качество материала
Думаю, что с последним блоком все понятно. Достаточно своевременно менять расходники и использовать качественные материалы. Но первый блок факторов вызывает много вопросов, особенно у пользователей, которые начали работать с оптоволоконными лазерами совсем недавно.
6 простых шагов для улучшения качества лазерной резки
- Use the closest known settings to the material you are trying to cut.
- Verify that the lens and/or window is clean and in good condition.
- Verify that the nozzle is in good condition and is centered properly.
- Create a test part that has interior and exterior features.
- Adjust the focus either up or down until the best possible edge quality is visually achieved.
- Adjust the gas pressure up or down until the best possible edge quality is visually achieved.
- Begin by setting feed rate 10% below the recommended setting. Adjust the feed rate up in increments of 5% with each improving test part. When the cut begins to visually degrade, set the feedrate back to the previous setting achieving optimum edge quality
- Для начала настройки воспользуйтесь наиболее подходящими из известных вам параметров. Как правило значения скорости подачи и давления газа есть в таблицах параметров поставляемых вместе с источниками лазерного излучения. В интернете эти данные в избытке. Однако, эти таблицы стоит использовать исключительно как отправную точку для подбора ваших идеальных значений параметров.
- Проверьте чистоту элементов оптического тракта. В основном это сводится к проверке чистоты и целостности поверхности защитного стекла фокусирующей линзы. Проверить фокусирующие и коллиматорные линзы сложнее — необходимо демонтировать режущую голову и вынуть оптический коннектор из коллиматора. Если на линзах будут замечены дефекты, голову придется разбирать. Рекомендую это доверить профессионалам. Неправильная сборка головы или попадание в коллиматор пыли может привести к порче линз, а что еще хуже, к повреждению внешней оптики коннектора оптического волокна. Коннектор может быть поврежден механически в следствии удара, а может «прогореть» если на нем осядет пыль. Важно отметить, что внешняя оптика источников Raycus защищена колпачком, у IPG такой защиты нет.
- Убедитесь, что используемое сопло в хорошем состоянии и подходящей конфигурации. Как правило, двухканальное сопло используется для резки кислородом, одноканальное для резки азотом. От правильного подобранного диаметра сопла зависит не только качество резки, но и расход вспомогательного газа.
1. Параметры лазерной резки
Для начала настройки воспользуйтесь наиболее подходящими из известных вам параметров. Как правило значения скорости подачи и давления газа есть в таблицах параметров поставляемых вместе с источниками лазерного излучения. В интернете эти данные в избытке. Однако, эти таблицы стоит использовать исключительно как отправную точку для подбора ваших идеальных значений параметров.
Ниже вы можете скачать файл, в котором перечислены параметры резки различных материалов рекомендуемый компанией Raycus. Эти параметры имеет смысл брать за основу при первичной настройки параметров резки.
2. Оптические элементы режущей головы
Проверьте чистоту элементов оптического тракта. В основном это сводится к проверке чистоты и целостности поверхности защитного стекла фокусирующей линзы.
Проверить фокусирующие и коллиматорные линзы на режущих головах не оснащенных системой «картриджной» замены линз сложнее — необходимо демонтировать режущую голову и вынуть оптический коннектор из коллиматора. Если на линзах будут замечены дефекты, голову придется разбирать. Рекомендую это доверить профессионалам.
Неправильная сборка головы или попадание в коллиматор пыли может привести к порче линз, а что еще хуже, к повреждению внешней оптики коннектора оптического волокна. Коннектор может быть поврежден механически в следствии удара, а может «прогореть» если на нем осядет пыль.
Важно отметить, что внешняя оптика источников IPG не имеет защиты. Поэтому обходиться с коннектором следует предельно осторожно. Замена в следствии повреждения отнимет у вас уйму времени и немалое количество денег.
Осмотр поверхности внешней оптики коннектора QBH источника лазерного излучения IPG
Очистка поверхности внешней оптики коннектора IPG
А вот коннектор QBH от Raycus защищен сменным колпачком. Сменный колпачок защищает выходное кварцевое стекло от физического повреждения. Однако, колпачек не сможет защитить внешнюю оптику коннектора от «прогара» если в процессе его установки или замены на кварцевом стекле осела пыль.
3. Сопла
Убедитесь, что используемое сопло в хорошем состоянии и подходящей конфигурации. Как правило, двухканальные сопла улучшают качество поверхности при кислородной резке низкоуглеродистой стали, одноканальные для резки тонкого материала, нержавеющей стали и алюминия.
От правильного подобранного диаметра сопла зависит не только качество резки, но и расход вспомогательного газа. Расстояние от сопла до поверхности материала рекомендуется регулировать от 0,5 до 1,5 мм. Чем меньше высота, тем эффективнее используется газ.