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Ópticas especiales de diamante torneado

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Diamond-Turned Custom Optics: non-rotational symmetries
Diamond-Turned Custom Optics: non-rotational symmetries

La mayoría de las ópticas presentan simetría de rotación, se utilizan en casi todas las aplicaciones existentes. Sin embargo, las ópticas sin simetrías de rotación, a menudo poseen muchas ventajas sobre sus contrapartes más tradicionales, con simetría de rotación.

Como ejemplos tenemos las lentes bicónicas y espejos, que combinan dos radios superficie en un único sustrato; lentes y espejos tallados, que combinan múltiples superficies planas en un único sustrato, y matrices ópticas - tanto de reflexión como de transmisión - que combinan múltiples superficies curvadas sobre un sustrato único. Otras ópticas no anulares incluyen larga parábolas de larga distancia, parábolas de anillo de enfoque, y divisores de haz apuntados.

Lentes bicónicas

Biconic Lens
Biconic Lens

Las lentes bicónicas tienen dos radios diferentes sobre una superficie. Es posible hacer una lente bicónica con curvas esféricas o asféricas, dependiendo de la aplicación y la necesidad de eliminar aberraciones. Las lentes bicónicas se utilizan para producir un enfoque de forma elíptica o lineal. Estas lentes también se utilizan en expansores de haz anamórficos para reducir el astigmatismo en el haz de láser. Muchos láseres de tipo guía de ondas producen haces con astigmatismo. Como la mayoría de las aplicaciones de láser requieren rayos gaussianos simétricos, los haces con astigmatismo deben ser corregidos.

El tipo habitual de la óptica utilizada en los expansores de haz anamórfica y lentes de enfoque elípticas es la lente cilindro. Para la aplicación del expansor de haz y algunas aplicaciones de enfoque, es necesario el uso de dos cilindros, lo que causa procedimientos de alineación difíciles. La lente bicónica puede reducir el número de elementos utilizados en esta aplicación y, más importante aún, reducir las fatigosas tareas de alineación.

  • Fácil de alinear. La perpendicularidad de las curvas está asegurada por mecanizado.
  • Útil en los expansores de haz anamórficos .
  • Como una lente de enfoque, produce focos de forma elíptica.
  • Las curvaturas pueden ser esféricas o elípticas

Espejos bicónicos

Biconic Mirror
Biconic Mirror

En muchas aplicaciones, los espejos esféricos, espejos cilíndricos, y los espejos parabólicos ayudan a dar forma al rayo láser. Los espejos bicónicos - o los espejos toroidales más generales - pueden combinar dos ópticas distintas en una sola.
Los espejos bicónicos tienen dos radios diferentes sobre una superficie.

Es posible hacer un espejo bicónico con curvas esféricas o asféricas, dependiendo de la aplicación y la necesidad de eliminar las aberraciones. Cuando se diseñan adecuadamente, pueden sustituir a los habituales espejos de flexión 90° para recolimar un rayo láser en una trayectoria larga.

  • Biconic optical power can be placed on one surface.
  • Curves can be designed to produce diffraction-limited focus at 45º AOI.
  • Useful in anamorphic beam expanders.
  • As a focusing mirror at 0º AOI, it will produce elliptically shaped spots.
  • Curvatures can be spherical or aspherical.

 

Integradores de haz transmisores

Faceted Lens
Faceted Lens

Estos integradores de haz se utilizan en aplicaciones de láser que requieren una importante intensidad centrada en la parte superior plana. Los integradores tallados enfocan un haz de alta potencia a un haz de superficie relativamente plano, con un tamaño y una forma que es equivalente al tamaño y forma de la faceta individual. Tradicionalmente, ha sido extremadamente difícil producir integradores tallados. Hoy, sin embargo, estas lentes integradoras talladas se han realizado utilizando avanzadas técnicas de torneado de diamante. Aunque el material sustrato primario para las lentes del integrador tallado es de ZnSe, es posible producir esta superficie de Ge o cualquier otro material torneado con diamante.

Las lentes talladas son una buena alternativa al espejo tallado. Las facetas se organizan sobre la superficie de la lente en casi cualquier estado o forma. Hay algunos límites prácticos para el tamaño de las facetas que están fabricadas mecánicamente.

  • Integradores haz producen perfiles de intensidad relativamente planas.
  • Los haces integrados pueden ser cuadrados o rectangulares.
  • Los tamaños del haz enfocado son relativamente grandes - 2 mm y más - y son ideales para la soldadura y el tratamiento térmico.
  • El grado de integración dependerá de la falta de coherencia del haz de láser.
  • Se obtiene un mejor trabajo con rayos láser que tiene poca coherencia

Integradores de haz reflectantes

Faceted Mirror
Faceted Mirror

Los integradores de haz reflectantes son ampliamente utilizados en láseres de alta potencia para las soldaduras, revestimientos, y aplicaciones de tratamiento térmico. Los integradores tallados enfocan un haz de alta potencia a un haz de superficie relativamente plano, con un tamaño y una forma que es equivalente al tamaño y forma de la faceta individual. Tradicionalmente, los integradores reflectantes se producen al hacer espejos individuales tallados y luego disponerlos sobre un sustrato curvo. Hoy, sin embargo, estos espejos integradores tallados se fabrican utilizando avanzadas técnicas de torneado de diamante. El tedioso y lento trabajo de organizar las facetas individuales sobre un sustrato ya no es necesario, lo que permite la ventaja adicional de ser un espejo refrigerado por agua directamente.

Las facetas están dispuestas en el espejo en casi cualquier forma o manera. Hay algunos límites prácticos para el tamaño de las facetas que están fabricadas mecánicamente. Los integradores funcionan mejor con los rayos láser que tiene poca coherencia.

  • Integradores haz producen perfiles de intensidad relativamente planas.
  • Los haces integrados pueden ser cuadrados o rectangulares.
  • Espejos son de cobre, ideales para los láseres de alta potencia.
  • Los tamaños del haz enfocado son relativamente grandes - 2 mm y más - y son ideales para la soldadura y el tratamiento térmico.
  • El grado de integración dependerá de la falta de coherencia del haz de láser.
  • Se obtiene un mejor trabajo con rayos láser que tiene poca coherencia

Lente doble con enfoque plano

Flat-Topped Doublet
Flat-Topped Doublet

II -VI diseña una lente de forma sencilla para convertir un modo gaussiano en un perfil de intensidad superior plana.

La conversión de un modo a otro de haz es siempre un proceso difícil. Existen diferentes productos para hacer frente a este problema, incluyendo lentes de difracción, integradores de haces especiales, combinaciones de lentes asféricas y placas de fase. Como ocurre con muchos tipos de diseño, es conveniente utilizar la forma más simple. La forma asférica II - VI es uno de los tipos más simples.

El método utilizado para convertir un haz de Gauss en un foco plano es algo determinado de alguna manera por el tamaño del haz enfocado requerido. Un integrador de haz tallado es necesario para grandes tamaños de punto (véase más arriba). Sin embargo, cuando es necesario enfocar un rayo láser a una intensidad superior plana con un tamaño de punto de 100μm, también es necesario ir a asféricos o difractivos más sofisticados. II-VI logra esto con una forma asférica sencilla. Dependiendo de la longitud focal, este objetivo se produce como un singlete o como doblete.

  • Longitudes focales de 25 mm en adelante.
  • La unidad puede constar de una o dos lentes, dependiendo del tamaño de punto deseado.
  • Requiere haces de entrada Gaussianos con valores M2 < 1.1 para mejores resultados.
  • Aplicaciones para perforación y procesamiento de materiales.

Espejo parabólico de largo alcance

Long WD Off-Axis Parabola
Long WD Off-Axis Parabola

En el pasado, la distancia de trabajo (WD) de los espejos parabólicos con eje desfasado estaba limitada al diámetro de giro del torno de diamante de dos ejes. Hoy en día, II-VI produce de manera habitual espejos parabólicos de largo alcance con cualquier ángulo de giro gracias a la utilización de la tecnología auxiliar “slow tool”.

Al igual que los espejos parabólicos desfasados de distancia de trabajo estándar, los espejos de largo alcance están fabricados con sustratos de cobre (ya sean inclinados o planos), que soportan potencias de láser extremadamente altas en entornos industriales. Estos espejos proporcionan una difracción limitada de enfoque cuando se montan y alinean correctamente. Además, los espejos de cobre se recubren para ofrecer una mayor reflectividad.

II - VI diseña espejos parabólicos que reflejan y enfocan el haz de láser en un ángulo de 90° (estándar) o en cualquier otro ángulo que se estime conveniente. Comercializamos bajo pedido otros diseños a medida, tales como la refrigeración por agua o configuraciones especiales de montaje.

  • Distancias de trabajo que sobrepasan las capacidades estándar de las máquinas de dos ejes.
  • Extraordinaria precisión de corte < 0.5μm.
  • Excelente rugosidad superficial < 0,6 nm.
  • Ópticas de gran diámetro hasta 250 mm.

Matriz de Ópticas

Optical Array
Optical Array

Ciertos diseños de sistemas ópticos requieren del posicionamiento preciso de múltiples elementos ópticos como una matriz. En el pasado, las ópticas individuales eran fabricadas y conectadas a un sustrato común, lo que planteaba dificultades de posicionamiento y alineación. En la actualidad, con las avanzadas técnicas de II-VI de torneado de diamante, es posible producir matrices ópticas monolíticas directamente sobre un substrato. Los materiales de sustrato más habituales son ZnSe y Ge, y metales como el Cu y Al.

Una aplicación común para estos diseños ópticos es una matriz de lente de enfoque con pequeñas lentes de longitud focal idéntica. Sin embargo, no es necesario producir únicamente pequeñas lentes con iguales distancias focales sobre un substrato. Los elementos individuales pueden tener diferentes distancias focales, incluyendo una mezcla de elementos positivos y negativos. Es también posible combinar lentes y espejos.

Las matrices ópticas monolíticas dotan al diseñador óptico con una herramienta más en sus opciones de diseño para fabricar pequeños y complejos elementos ópticos en aplicaciones avanzadas

  • Las matrices ópticas monolíticas proporcionan soluciones ópticas únicas y compactas.
  • Las matrices de lentes pequeñas son fácilmente mecanizadas y proporcionan matrices de enfoque múltiple.
  • Es posible combinar lentes, espejos u otros elementos ópticos en un sustrato.

Óptica parabólica desfasada de enfoque anular

Ring-Focus Off-Axis Parabola
Ring-Focus Off-Axis Parabola

La óptica parabólica desfasada de enfoque anular combina las propiedades de un espejo parabólico de enfoque 90° con una óptica de enfoque cónico (axicon). Por lo general, para crear un foco anular se utilizan lentes cónicas ZnSe, la óptica parabólica de enfoque anular elimina la óptica transmisora mediante la combinación del axicon con un espejo parabólico. La geometría resultante es una superficie de forma libre.

Este enfoque ofrece soluciones de diseño versátiles para la distancia de trabajo, diámetro del anillo, y el ángulo de giro. Puede utilizarse un diseño con substrato de cobre directamente enfriado para aplicaciones de alta potencia.

  • Una óptica lleva a cabo el trabajo de dos.
  • Se puede utilizar en sistemas de láser de alta potencia.
  • Excelente rugosidad RMS <6 nm.
  • Fácilmente diseñada para producir cualquier diámetro de anillo deseado en el foco.

Divisor de haz apuntado

Rooftop Beamsplitter
Rooftop Beamsplitter

Prismas y divisores de haz transmisores son elementos ópticos comunes, que se utilizan para dividir rayos láser en dos haces separados. Estos dispositivos son comunes en las longitudes de onda visible e infrarroja. Para potencias muy altas de láser infrarrojo (1-10,6 m), la mayoría de los prismas divisores de haz, no son útiles debido a que sufren el efecto de “lente térmica”. Esto ocurre especialmente en los láseres de CO2 a niveles de potencia CW > 500 W. Por estas altas potencias, es posible dividir el haz usando un prisma apuntado de metal.

Los divisores de haz apuntados, hechos de cobre, son directamente enfriados con agua. Esto permite utilizarlo en potencias de láser superiores de 6 Kw. Un espejo apuntado 90° se utiliza para dividir físicamente el haz en dos haces de trabajo.

Estas dos haces se distanciarán 180° el uno del otro. Con algunos espejos simples, los haces se utilizan en aplicaciones de tratamiento de calor y soldadura.
El espejo apuntado está hecho de un único sustrato con dos espejos de precisión alineados.

  • Divisor de haz de prisma se utiliza para dividir rayos láser infrarrojos de muy alta potencia rayos láser en dos haces de trabajo.
  • Estos espejos están hechos de cobre o aluminio.
  • Espejos de cobre pueden ser directamente enfriados con agua para su uso a altas potencia del láser, de > 5,0 kW.

Lentes vórtice

Vortex Lens
Vortex Lens

La lente de vórtice es única, ya que presentacaminos espirales en la superficie curvada. Este patrón espiral controla la fase del haz transmitido. Cuando los caminos espirales se mecanizan en una superficie de la lente curvada, producen un haz enfocado con cero energía o potencia en el medio. En otras palabras, la lente de vórtice produce un anillo de enfoque. Otra característica es que el haz enfocado hace espirales a medida que el rayo se propaga, por lo que a veces se llama una lente espiral.

Por lo general, estos tipos de lentes se producían usando elementos de difracción. Ahora ellos están mecanizados directamente con técnicas de torneado de diamante. El resultado es lente de vórtice o espiral que puede producir un enfoque con forma de anillo.

Las lentes vórtice están hechas de cualquier tipo de material torneado por diamante. Para su uso en 10.6μm, supone el uso de materiales como ZnSe y Ge. Esta superficie también es posible en un espejo reflectante, de Cu o Al.

  • Provides a unique optical surface for producing a spiral-phased focused beam.
  • Spiral phase at focus produces a ring mode.
  • Can be used in ring-focus applications.
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