Ống kính laser quang học: loại, ứng dụng và nguyên tắc làm việc

Ống kính laser quang học Đóng một vai trò quan trọng trong các hệ thống dựa trên laser khác nhau. Chúng được thiết kế để điều khiển các chùm tia laser, cho dù đó là tập trung, đối chiếu hoặc định hình chúng cho các ứng dụng cụ thể. Các tính chất độc đáo của các ống kính này, chẳng hạn như độ chính xác cao và khả năng xử lý các dầm laser năng lượng cao, làm cho chúng các thành phần thiết yếu trong công nghệ hiện đại.

Các loại ống kính laser quang học

Ống kính hình cầu

Đặc trưng: Ống kính hình cầu được đặc trưng bởi công suất khúc xạ và độ cong của bề mặt ống kính của chúng. Tùy thuộc vào việc ống kính là lồi hay lõm, chúng có thể hội tụ hoặc phân kỳ các tia sáng. Ví dụ, một ống kính hình cầu plano - lồi dày hơn ở trung tâm và có thể tập trung một chùm tia laser va chạm đến một điểm.

Ứng dụng: Chúng thường được sử dụng trong các ứng dụng tập trung laser cơ bản, chẳng hạn như trong các hệ thống cắt laser đơn giản hoặc đánh dấu trong đó cần tập trung tương đối cơ bản của chùm tia laser.

Ống kính Aspherical

Đặc trưng: Ống kính Aspherical được thiết kế để điều chỉnh quang sai. Trong ánh sáng đơn sắc, chúng có thể giải quyết các vấn đề như lỗi độ sắc nét hình ảnh và biến dạng. Chúng thường được sử dụng khi cần tập trung chính xác hơn của chùm tia laser, vì chúng có thể làm giảm quang sai hình cầu đáng kể so với ống kính hình cầu.

Ứng dụng: Một ứng dụng điển hình là sự tập trung của chùm tia đối chiếu vào sợi quang. Trong các hệ thống truyền thông quang, ống kính hoa trung bình giúp trong việc ghép ánh sáng laser hiệu quả vào sợi, đảm bảo mất tín hiệu tối thiểu.

Ống kính hình trụ
​
Đặc trưng: Ống kính hình trụ, có sẵn ở dạng tròn và hình chữ nhật, được thiết kế để tạo ra các đường hoặc mở rộng chùm theo một hướng. Plano - Khan lõm và plano - Ống kính hình trụ lồi có thể thay đổi hình dạng của chùm tia laser. Ví dụ, một ống kính hình trụ phẳng - lồi có thể biến một chùm tia laser tròn thành một chùm tia hình đường.

Ứng dụng: Chúng được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng trong đó cần có một chùm tia laser hình dòng, chẳng hạn như trong quét laser cho đầu đọc mã vạch hoặc trong một số kỹ thuật xử lý vật liệu trong đó cần có chùm tia laser dài, hẹp để cắt hoặc khắc theo một hướng cụ thể.

Ống kính Axicon

Đặc trưng: Ống kính Axicon, còn được gọi là ống kính hình nón hoặc lăng kính đối xứng xoay vòng, có bề mặt hình nón thay vì một ống cong như ống kính truyền thống. Một ống kính Axicon điển hình có hình dạng phẳng - lồi. Chúng được sử dụng để chuyển đổi một chùm tia laser được va chạm thành một điểm - hình có hình hoặc một dòng tiêu điểm.

Ứng dụng: Trong một số ứng dụng y tế, chẳng hạn như trong một số loại thủ tục phẫu thuật dựa trên laser, ống kính Axicon có thể được sử dụng để tạo ra một mô hình cụ thể về cung cấp năng lượng laser. Chúng cũng được sử dụng trong một số thiết lập nghiên cứu khoa học để tạo ra các mẫu ánh sáng độc đáo.

Ống kính Powell

Đặc trưng: Ống kính Powell là các ống kính chuyên dụng được sử dụng để chuyển đổi các chùm tia laser Collimated với phân phối cường độ Gaussian thành các đường thẳng, đồng đều. So với các ống kính hình trụ tiêu chuẩn, tạo ra các đường tia laser với cấu hình cường độ Gaussian, ống kính Powell tạo ra các đường laser với sự phân bố năng lượng đồng đều hơn nhiều trên các đường laser.

Ứng dụng: Chúng thường được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp như kích thước laser, trong đó cần có một chùm tia laser hình đồng đều cao để đo chính xác.

Nguyên tắc làm việc của ống kính laser quang học

Tập trung và đối chiếu

Tập trung: Khi một chùm tia laser đi qua ống kính lấy nét, chẳng hạn như ống kính plano - lồi, ống kính uốn cong các tia sáng về phía tiêu điểm. Độ dài tiêu cự của ống kính được xác định bởi các yếu tố như kích thước chùm tia laser đầu vào, kích thước điểm điểm mong muốn và độ sâu lấy nét cần thiết. Ví dụ, trong máy cắt laser, ống kính lấy nét được sử dụng để cô đặc chùm tia laser vào một điểm nhỏ, tăng mật độ năng lượng tại thời điểm đó để cắt qua vật liệu một cách hiệu quả.

Collimating: Mặt khác, một ống kính đối chiếu được sử dụng để chuyển đổi chùm tia laser phân kỳ từ nguồn thành chùm tia song song hoặc chuẩn. Độ dài tiêu cự của ống kính đối chiếu có thể được xác định dựa trên góc phân kỳ laser (FWHM - chiều rộng đầy đủ ở một nửa tối đa) và đường kính chùm tia laser cần thiết. Trong một con trỏ laser, một ống kính đối chiếu được sử dụng để làm cho chùm tia laser đi theo một đường thẳng trên một khoảng cách dài hơn.

Định hình chùm tia

Tạo dòng: Ống kính máy phát laser, như ống kính Powell hoặc ống kính hình trụ, được sử dụng để chuyển đổi chùm tia laser chuẩn bị thành một dòng. Quá trình này bao gồm uốn cong chùm tia laser theo một hướng để tạo ra đầu ra hình đường. Ví dụ, trong một công cụ san lấp dựa trên laser, một ống kính máy phát điện được sử dụng để chiếu một đường laser thẳng lên bề mặt, có thể được sử dụng cho mục đích căn chỉnh.

Thế hệ vòng: Ống kính Axicon được sử dụng để tạo ra một chùm tia laser hình vòng. Bề mặt hình nón của ống kính Axicon làm cho chùm tia laser được chuyển hướng theo cách tạo thành một mẫu hình vòng - hình ở một khoảng cách nhất định từ ống kính. Điều này có thể hữu ích trong các ứng dụng trong đó cần phân phối năng lượng laser hình vòng, chẳng hạn như trong một số thí nghiệm bẫy quang trong vật lý.

Ứng dụng của ống kính laser quang học

Xử lý vật liệu

Cắt và hàn: Trong các ứng dụng cắt và hàn laser, các ống kính laser quang học được sử dụng để tập trung chùm tia laser vào điểm mật độ năng lượng cao. Các ống kính laser công suất cao, thường được làm từ các vật liệu như kẽm selenide (ZnSe) cho laser CO₂, có khả năng chịu được mức năng lượng cao. Ví dụ, trong ngành công nghiệp ô tô, ống kính laser được sử dụng để cắt và hàn các bộ phận kim loại với độ chính xác cao.

Đánh dấu và khắc: Hệ thống đánh dấu và khắc bằng laser sử dụng ống kính để tập trung chùm tia laser lên bề mặt vật liệu. Ống kính cho phép kiểm soát chính xác năng lượng laser trên bề mặt, được sử dụng để tạo ra các dấu hiệu hoặc bản khắc. Các loại ống kính khác nhau có thể được sử dụng tùy thuộc vào vật liệu được đánh dấu và chất lượng dấu mong muốn.

Ứng dụng y tế

Ca phẫu thuật: Trong laser - Các quy trình phẫu thuật được hỗ trợ, ống kính laser quang học được sử dụng để chỉ đạo và tập trung chính xác chùm tia laser. Ví dụ, trong phẫu thuật nhãn khoa, ống kính được sử dụng để tập trung chùm tia laser để khắc phục các vấn đề về thị lực. Các ống kính cần có chất lượng cao để đảm bảo cung cấp năng lượng laser chính xác cho mô mục tiêu.

Chẩn đoán: Trong một số thiết bị chẩn đoán y tế, ống kính laser được sử dụng để hướng ánh sáng laser vào các mẫu sinh học. Ánh sáng phản xạ hoặc truyền qua sau đó có thể được phân tích để có được thông tin về mẫu. Ví dụ, trong các kỹ thuật chẩn đoán dựa trên huỳnh quang, các ống kính được sử dụng để tập trung ánh sáng laser kích thích vào mẫu và thu thập ánh sáng huỳnh quang phát ra.

Nghiên cứu khoa học

Bẫy quang học: Trong các thí nghiệm bẫy quang học, ống kính Axicon và các ống kính chuyên dụng khác được sử dụng để tạo ra các mẫu chùm tia laser độc đáo. Những mẫu này có thể được sử dụng để bẫy và thao tác các hạt nhỏ, chẳng hạn như các tế bào hoặc hạt nano, để nghiên cứu tính chất của chúng.

Quang phổ: Ống kính laser được sử dụng trong các thiết lập quang phổ để hướng chùm tia laser vào mẫu và thu thập ánh sáng phát ra hoặc hấp thụ bởi mẫu. Các loại ống kính khác nhau được sử dụng tùy thuộc vào kỹ thuật quang phổ cụ thể, chẳng hạn như quang phổ Raman hoặc quang phổ hấp thụ.

Chọn ống kính laser quang học phù hợp

Khi chọn ống kính laser quang học, một số yếu tố cần được xem xét:

Khả năng tương thích bước sóng

Laser khác nhau hoạt động ở các bước sóng khác nhau. Ví dụ, laser CO₂ thường hoạt động ở mức 10,6 μm, trong khi laser ND: YAG hoạt động ở mức 1.064 μm. Vật liệu ống kính và lớp phủ cần phải tương thích với bước sóng laser. Ví dụ, các ống kính làm bằng kẽm selenide (ZnSe) phù hợp với laser Co₂, trong khi các ống kính làm bằng silica nung chảy thường được sử dụng để nhìn thấy và laser hồng ngoại gần và gần.

Năng lượng và năng lượng laser

Laser năng lượng cao yêu cầu các ống kính có thể chịu được mức năng lượng cao mà không bị hư hại. Vật liệu ống kính và lớp phủ nên có ngưỡng thiệt hại laser cao. Trong các ứng dụng cắt laser công suất cao, các ống kính có ngưỡng thiệt hại cao là rất cần thiết để đảm bảo hoạt động dài hạn và đáng tin cậy.

Ứng dụng - Yêu cầu cụ thể

Tùy thuộc vào ứng dụng, chẳng hạn như tập trung, đối chiếu hoặc định hình chùm tia, loại ống kính thích hợp cần được chọn. Ví dụ, nếu một chùm tia laser hình dòng là cần thiết cho một ứng dụng khảo sát, một ống kính hình trụ hoặc Powell sẽ là lựa chọn đúng.

So sánh các ống kính laser quang khác nhau

Kết luận

Ống kính laser quang học là các thành phần thiết yếu trong một loạt các ứng dụng, từ xử lý vật liệu đến nghiên cứu y tế và khoa học. Các loại ống kính khác nhau, mỗi loại có các đặc điểm và nguyên tắc làm việc độc đáo của chúng, cung cấp nhiều cách khác nhau để điều khiển các chùm tia laser. Bằng cách xem xét cẩn thận các yếu tố như khả năng tương thích bước sóng, năng lượng laser và ứng dụng - các yêu cầu cụ thể, ống kính laser quang bên phải có thể được chọn để đảm bảo hiệu suất tối ưu trong bất kỳ hệ thống dựa trên laser nào. Khi công nghệ tiếp tục phát triển, thiết kế và hiệu suất của ống kính laser quang học cũng có khả năng cải thiện, cho phép các ứng dụng laser chính xác và hiệu quả hơn trong tương lai.