光学镜片与镜组实习报告

光学镜片与镜组实习报告

一、激光光路中镜片组组成

一台性能优良的激光切割设备，最核心的就是其光学系统，从激光器发出的激光光束到用于切割零件的过程中离不开合理的激光光路设计，激光光路的改变及激光光束的控制则通过一些列的光学镜片组成的镜片组实现，激光镜片组主要包括：扩束镜、反射镜、振镜及平场镜。我司UCUT-F9000机型激光光路及各光学镜片位置示意图见图1，如下：

图1：激光光路及光学镜片位置示意

激光器发出的激光经过扩束镜扩束后，光束直径变大，发散角变小，降低光束功率，避免过大的能量烧坏振镜同时也更利于用平场镜聚焦成光束直径更小的光斑。经反射镜1与2改变光路方向，使光束水平进入振镜，通过对振镜中的伺服电机施加控制信号控制X、Y振镜偏转实现光斑在焦平面上X、Y轴方向的移动。

上述镜片组中还可以取消两个反射镜，将经过扩束镜后的激光束直接射入振镜中，Z轴的运动可通过焦平面的上下移动来实现[1]。

二、各光学镜片工作原理与在光路中的作用

1.扩束镜

扩束镜原理：最通用的扩束镜起源于伽利略望远镜，通常包括一个输入负透镜（凹透镜）和一个输出正透镜（凸透镜）。输入镜将一个虚焦点光束传送给输出镜，两个透镜是虚共焦结构。一般小于20 倍的扩束镜都用该原理制造。它的局限性在于不能容纳空间滤波或者进行大倍率的扩束。如图2：

[1]

图2：伽利略型扩束镜扩束原理

此外还有开普勒型扩束镜，开普勒型扩束镜由一个凸透镜作为输入镜，把实焦距聚焦的光束聚焦到输出镜片上，同时还可以通过在第一个透镜的焦点位置放置小孔来实现空间滤波[1]。开普勒型扩束镜原理图见图3。

图3：开普勒型扩束镜原理图

扩束倍数和准直倍率不仅与扩束镜的参数有关，还与激光束参数和扩束镜透

[1]

镜的位置有关 [1]。

扩束镜作用：光束直径S 0，光束发散角θ关系有如下：

θ λ π [2]

由此可知，增大光束面积可有效的减小光束的发散角。

所以扩束镜的作用就是增大光束直径，减小发散角，利于聚焦成直径更小的光斑。

2. 反射镜

反射镜（mirror ）是在光学玻璃的背面，镀一层金属银（或铝）薄膜，使入射光反射的光学元件，是一种利用反射定律工作的光学元件。反射镜按形状可分为平各类反射镜照片各类反射镜照片面反射镜、球面反射镜和非球面反射镜三种；按反射程度，可分成全反反射镜和半透半反反射镜[3]。

反射镜的主要作用是在激光光路中改变光的传播方向，不会造成能量衰减。主要依据光的波长选择反射镜规格，选型不当将导致反射过程中存在能量损失。

3. 振镜

由X-Y 光学扫描头, 电子驱动放大器和光学反

射镜片组成。电脑控制器提供的信号通过驱动放大

电路驱动光学扫描头, 从而在X-Y 平面控制激光束

的偏转。其工作原理是将激光束入射到两反射镜（扫

描镜）上，用计算机控制反射镜的反射角度，这两

个反射镜可分别沿X 、Y 轴扫描，从而达到激光束

的偏转，使具有一定功率密度的激光聚焦点在打标

材料上按所需的要求运动，从而在材料表面上留下

永久的标记，聚焦的光斑可以是圆形或矩形，其原

理如图4所示[4]。

需特别注意的是，进入振镜的光束必须是水平

方向。振镜的主要作用是接受计算机信号的控制实现光束在焦平面上沿X 、Y 轴方向移动，振镜中X 、Y 反射镜最大偏转角度直接决定了光线在焦平面上所能达到的最大区域面积。

4. 平场镜

[1]

来自百度文库 [2]

来自百度百科与专业公司网站 [3]

来自百度百科 [4]

图4：振镜工作原理

平场镜又叫聚焦镜，目的是将经扩束镜扩束后重新聚焦成光束直径更小，能量密度更高的光斑，在振镜控制光斑的路径下实现焦平面上的打标或切割作业。

聚焦镜的主要作用是：

1.提高边缘光束入射到探测器的能力；

2.在相同的主光学系统中，附加场镜将减少探测器的面积；如果使用同样

的探测器面积，可扩大视场，增加入射的通量；

3.使探测器光敏面上的非均匀光照得以均匀化。

备注：因网上资料较少，对聚焦镜了解较浅，待后续继续学习，加深了解。

三、拓展：激光器的原理，构造与分类

1.激光发生原理：

形成激光的五个条件：

1.受激辐射

2.工作介质必须具有亚稳态能级

3.粒子数反转

4.谐振腔

5.谐振腔中光子数量增益大于损耗[1]

满足上述5各条件，则可形成激光光束，激光光束具体形成的过程：

以红宝石激光器为例，原子首先吸收外部注入的能量，跃迁至受激态（E3）。原子处于受激态的时间非常短，大约为10－7秒后，它便会落到一个称为亚稳态（E2）的中间状态。原子在亚稳态的时间很长，大约是10－3秒或更长的时间。原子长时间停留在亚稳态，导致在亚稳态的原子数目多于在基态的原子数目，此时的状态称就是粒子数反转。其产生的结果就导致使通过受激辐射由亚稳回到基态（E1）的原子，比通过受激吸收由基态跃迁至亚稳态的原子为多，从而保证介质内的光子可以增多，从而形成激光。这就是典型的激光三能级系统，见图5.

图5：三能级系统激光发射过程示意图

此时产生的激光辐射强度很弱，无法实际应用，所以还需要利用光学谐振腔

[1]

对激光的辐射强度进行放大，已达到实际使用需求。

2.激光器的结构

工作介质

激光的产生必须选择合适的工作介质，可以是气体、液体、固体或半导体。关键是能在这种介质中有亚稳态能级的存在能够实现粒子数反转，以获得产生激光的必要条件。

激励源

为了使工作介质中出现粒子数反转，必须用一定的方法去激励原子体系，使处于上能级的粒子数增加。一般可以用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发介质原子，称为电激励；也可用脉冲光源来照射工作介质，称为光激励；还有热激励、化学激励等。各种激励方式被形象化地称为泵浦或抽运。

谐振腔

所谓光学谐振腔，就是在激光器两端，平行装上两块反射率很高的镜片，一块为全反射镜片，一块为部分反射、少量透射镜片。全反射镜片的作用是将入射的光全部按原路径反射回去，部分反射镜片的作用是将能量未达到一定限度的部分光子按原路径反射回去，而达到一定能量限度的光子则透射而出。这样，透射而出的这部分光子就成为我们需要的，经过放大了的激光；而被反射回工作介质的光，则继续诱发新一轮的受激辐射，光将逐渐被放大。因此，光在谐振腔中来回振荡，造成连锁反应，雪崩似的获得放大，产生强烈的激光，直到能量达到一定的限度，从部分反射镜片中输出。谐振腔结构如图6所示。

图6：谐振腔结构示意图

3.激光器的分类及各自特点

气体激光器－－体积较大、寿命较长、高功率、价廉化学激光器－－高功率、大体积

灯泵固体激光器－－光束好、高功率、寿命短、大体积半导体激光器－－体积小、寿命长、光束差、功率低全固态激光器－－体积小、寿命长、光束好、高功率