كيفية اختيار الفلتر البصري المناسب: دليل الاختيار العملي

نظام الليزر دقيق مثل البصريات الموجودة بداخله. تقوم المرايا بتوجيه الشعاع، وتركزه العدسات، ولكن عندما يحتاج النظام إلى إعادة توجيه الضوء أو إعادة تشكيله أو فصله طيفيًا بأقل قدر من الخسارة، غالبًا ما يكون المنشور البصري المخصص هو الإجابة الصحيحة. تتعامل المنشورات الجاهزة للاستخدام مع الأشكال الهندسية القياسية والأطوال الموجية الشائعة. تحل المنشورات المخصصة المشكلات الأصعب: الزوايا غير القياسية، والبيئات عالية الطاقة، ونطاقات الأشعة فوق البنفسجية أو الأشعة تحت الحمراء، وقيود المساحة الضيقة التي لا تعالجها الكتالوجات القياسية ببساطة.

تتناول هذه المقالة الوظائف الأساسية التي تؤديها المنشورات المخصصة في أنظمة الليزر والقرارات الهندسية التي تحدد أداء المنشور أو فشله.

توجيه الشعاع والتحكم في الاتجاه

التطبيق الأكثر مباشرة للمنشور في نظام الليزر هو تغيير اتجاه الشعاع. على عكس المرآة المسطحة، يقوم المنشور بإعادة توجيه الشعاع من خلال الانعكاس الداخلي الكلي (TIR) ​​أو الانكسار المتحكم فيه - دون الحاجة إلى طلاء على السطح العاكس. وهذا يجعل المنشور أكثر متانة في البيئات ذات معدل التكرار العالي حيث يمكن أن تتحلل طبقات المرآة عند التعرض المستمر لليزر.

المنشورات الزاوية اليمنى تعتبر قياسية للانحرافات بمقدار 90 درجة. المنشورات بورو عوارض عاكسة بزاوية 180 درجة. بالنسبة للزوايا غير القياسية - 30 درجة، 45 درجة، 60 درجة، أو القيم المخصصة - يجب حساب هندسة المنشور وتصنيعها خصيصًا للتطبيق. هذا هو المكان الذي يصبح فيه التصنيع المخصص ضروريًا: يمكن أن يؤدي خطأ قدره 1-2 دقيقة قوسية في تحمل الزاوية إلى اختلال مسار بصري كامل في الأنظمة الدقيقة مثل مقاييس التداخل أو أجهزة تحديد المدى بالليزر.

للأنظمة التي تتطلب توجيهًا قابلاً للتعديل، المنشورات البصرية الدقيقة للاستخدام الصناعي والعلمي مثل المنشورات الإسفينية يتم عادةً إقرانها بتكوينات مضادة للدوران. ومن خلال تدوير الإسفينين بالنسبة لبعضهما البعض، يمكن توجيه الشعاع عبر مخروط من الزوايا دون أي مرايا متحركة - وهو حل مدمج وقوي يستخدم في أنظمة المسح والاستهداف بالليزر.

تشكيل الشعاع: من بيضاوي الشكل إلى دائري

تنتج صمامات الليزر الثنائية شعاعًا غير متماثل، حيث يتباعد المحور السريع والمحور البطيء بمعدلات مختلفة، مما ينتج عنه مقطع عرضي بيضاوي الشكل. بالنسبة لمعظم تطبيقات اقتران الألياف والبصريات النهائية، يلزم وجود شعاع دائري. أزواج المنشور المشوهة تحل هذه المشكلة مباشرة.

يعمل زوج من المنشورات ذات الزوايا المتطابقة على توسيع الشعاع على طول محور واحد دون التأثير على الآخر، مما يحول المظهر الجانبي الإهليلجي إلى شكل شبه دائري. يبقى اتجاه الشعاع دون تغيير - وهو مطلب بالغ الأهمية في الأنظمة التي يكون فيها استقرار التوجيه مهمًا. يتم تحديد المنشورات المشوهة المخصصة بنسبة التكبير (عادة 2:1 إلى 4:1)، وأبعاد شعاع الإدخال، والطول الموجي، مما يجعلها غير قابلة للتبديل بين نماذج صمامات ثنائية الليزر المختلفة. عاكسات بصرية مصممة ل تطبيقات توجيه شعاع الليزر غالبًا ما يتم استخدامها جنبًا إلى جنب مع أزواج بصرية مشوهة لإكمال مرحلة تكييف الشعاع.

التحكم في التشتت وفصل الطول الموجي

يمكن للمنشورات فصل شعاع الليزر متعدد الأطوال الموجية إلى مكوناته الطيفية، أو التعويض بدقة عن تشتت سرعة المجموعة (GVD) في أنظمة الليزر فائقة السرعة. تستخدم هاتان الوظيفتان نفس المبدأ الفيزيائي (معامل الانكسار المعتمد على الطول الموجي) لكنهما يخدمان أهدافًا هندسية متعارضة.

في التحليل الطيفي وضبط الليزر ، تعمل منشورات متساوية الأضلاع أو منشورات بيلين-بروكا على تشتيت الشعاع إلى الأطوال الموجية المكونة له. على سبيل المثال، يعمل منشور بيلين-بروكا على انحراف طول موجي محدد بمقدار 90 درجة تمامًا بينما ينحرف عن طول موجة أخرى، مما يجعله مثاليًا لعزل توافقي واحد من مصدر ليزر متعدد الخطوط.

في أنظمة الليزر فائقة السرعة (نبضات الفيمتو ثانية والبيكو ثانية)، يتم استخدام أزواج المنشور لتعويض التشتت. عندما تنتشر نبضة قصيرة عبر الزجاج والعناصر البصرية الأخرى، تنتقل أطوال موجية مختلفة بسرعات مختلفة قليلاً، مما يؤدي إلى تمديد النبضة. يقدم زوج المنشور GVD سلبيًا لمواجهة ذلك، مما يؤدي إلى ضغط النبض مرة أخرى إلى مدة تصميمه. يجب حساب الهندسة - فصل المنشور، وزاوية القمة، والمادة - لعرض النبضة ونطاق الطول الموجي المحدد. التصنيع المخصص ليس اختياريًا هنا؛ الهندسة الخاطئة ببساطة لا تعوض. إقران هذه مع عدسات بصرية محسنة لجودة الشعاع وأداء النظام يضمن أن يحافظ مسار الشعاع الكامل على سلامة النبض.

اختيار المواد والطلاء

المنشور الذي يعمل عند 633 نانومتر قد يكون خاطئًا تمامًا عند 266 نانومتر أو 10.6 ميكرومتر. يتم تحديد اختيار المواد من خلال نطاق الطول الموجي وكثافة الطاقة:

• N-BK7 يغطي 350-2000 نانومتر، ويوفر تجانسًا جيدًا وفعالية من حيث التكلفة، ويناسب أنظمة الليزر الأكثر وضوحًا والقريبة من الأشعة تحت الحمراء. تعتبر عتبة الضرر الناجم عن الليزر (LIDT) مناسبة لتطبيقات الطاقة المعتدلة.
• الأشعة فوق البنفسجية تنصهر السيليكا يمتد ناقل الحركة إلى 195 نانومتر، ويحمل LIDT أعلى من BK7، وله معامل تمدد حراري أقل - وهو ضروري لبيئات الليزر فوق البنفسجية عالية الطاقة أو النبضية.
• فلوريد الكالسيوم (CaF₂) و سيلينيد الزنك (ZnSe) تخدم أنظمة الأشعة تحت الحمراء حيث يكون الزجاج القياسي معتمًا.

الطلاءات مهمة على قدم المساواة. الطلاءات المضادة للانعكاس (AR). على وجوه الدخول والخروج تقلل خسائر فريسنل إلى أقل من 0.5% لكل سطح - وهو أمر بالغ الأهمية في تجاويف الليزر عالية الكسب حيث تسبب الانعكاسات الصغيرة عدم الاستقرار. بالنسبة للمنشورات المستخدمة داخل مرنان الليزر، يجب أن تتطابق الطلاءات أيضًا مع الطول الموجي المحدد لليزر وطاقة النبض لتجنب تلف الطلاء. انظر كيف تعمل المنشورات الضوئية على تعزيز الدقة عبر التطبيقات العلمية والصناعية للحصول على نظرة عامة أوسع لمتطلبات الأداء.

المعلمات الرئيسية عند تحديد منشور مخصص

يتطلب طلب منشور مخصص أكثر من مجرد رسم تخطيطي للهندسة. تؤثر المعلمات التالية بشكل مباشر على أداء النظام ويجب تحديدها بدقة:

• التسامح الزاوية : عادةً ±1–5 دقيقة قوسية للاستخدام العام؛ ±10 ثانية قوسية أو أكثر إحكامًا لتطبيقات قياس التداخل أو التجويف
• التسطيح السطحي : يتم التعبير عنها بأجزاء من الطول الموجي (على سبيل المثال، 1/10 عند 632.8 نانومتر) - تؤدي التفاوتات الأكثر صرامة إلى زيادة التكلفة والمدة الزمنية بشكل كبير
• جودة السطح : محددة بمواصفات الحفر (على سبيل المثال، 10-5 لمستوى الليزر، 40-20 للاستخدام الصناعي)
• فتحة واضحة : المنطقة البصرية القابلة للاستخدام — عادة ≥80-90% من الفتحة المادية
• مواصفات الطلاء : نطاق الطول الموجي، وزاوية السقوط، والحد الأدنى لـ LIDT لمصدر الليزر المقصود

تتراوح الفترات الزمنية من أيام للأشكال الهندسية البسيطة في المواد المخزنة إلى عدة أسابيع للأشكال المعقدة أو الركائز الغريبة. إن إشراك الشركة المصنعة في وقت مبكر - قبل الانتهاء من التخطيط البصري - يتجنب عمليات إعادة التصميم المكلفة ويسمح بتقييم مقايضات التسامح عبر النظام بأكمله. اكتشف مجموعتنا الكاملة من عدسات بصرية عالية الأداء لتركيز شعاع الليزر لاستكمال اختيار المنشور الخاص بك في مجموعة تكييف شعاع كاملة.