عدسات الليزر البصرية: الأنواع والتطبيقات ومبادئ العمل

عدسة الليزر البصرية تلعب دورًا محوريًا في الأنظمة القائمة على الليزر المختلفة. وهي مصممة لمعالجة عوارض الليزر ، سواء كانت تركيزًا أو موازية أو تشكيلها لتطبيقات محددة. الخصائص الفريدة لهذه العدسات ، مثل الدقة العالية والقدرة على التعامل مع عوارض الليزر عالية الطاقة ، تجعلها مكونات أساسية في التكنولوجيا الحديثة.

أنواع عدسات الليزر البصرية

العدسات الكروية

صفات: تتميز العدسات الكروية بقوة الانكسار وانحناء أسطح العدسات. اعتمادًا على ما إذا كانت العدسة محدبة أو مقعرة ، يمكنها أن تتقارب أو تختلف أشعة الضوء. على سبيل المثال ، تكون العدسة الكروية المحببة - المحببة أكثر سمكًا في الوسط ويمكن أن تركز شعاع ليزر موثق إلى حد ما.

التطبيقات: يتم استخدامها بشكل شائع في تطبيقات تركيز الليزر الأساسية ، كما هو الحال في أنظمة قطع الليزر البسيطة أو وضع العلامات حيث يتطلب التركيز الأساسي نسبيًا لحزمة الليزر.

العدسات غير المتسللة

صفات: تم تصميم العدسات الصفراء لتصحيح الانحرافات. في الضوء أحادي اللون ، يمكنهم معالجة مشكلات مثل أخطاء حدة الصورة والتشويه. غالبًا ما يتم استخدامها عندما تكون هناك حاجة إلى تركيز أكثر دقة لحزمة الليزر ، حيث يمكن أن تقلل من الانحراف الكروي بشكل كبير مقارنة بالعدسات الكروية.

التطبيقات: التطبيق النموذجي هو تركيز شعاع مواز على الألياف البصرية. في أنظمة الاتصالات البصرية ، تساعد العدسات الصفراء في اقتران ضوء الليزر بكفاءة في الألياف ، مما يضمن الحد الأدنى من فقدان الإشارة.

العدسات الأسطوانية
​
صفات: تم تصميم العدسات الأسطوانية ، المتوفرة في أشكال مستديرة ومستطيل ، لإنشاء خطوط أو توسعات شعاع في اتجاه واحد. Plano - Concave and Plano - يمكن أن تغير العدسات الأسطوانية المحدب شكل شعاع الليزر. على سبيل المثال ، يمكن للعدسة الأسطوانية المحدب أن تحول شعاع ليزر دائري إلى شعاع على شكل خط.

التطبيقات: يتم استخدامها على نطاق واسع في التطبيقات التي يلزم وجود شعاع ليزر على شكل خط ، كما هو الحال في مسح الليزر لقراء الباركود أو في بعض تقنيات معالجة المواد حيث تكون هناك حاجة إلى شعاع ليزر طويل ضيق لقطع أو نقش في اتجاه معين.

العدسات Acixon

صفات: تحتوي العدسات Axicon ، والمعروفة أيضًا باسم العدسات المخروطية أو المنشورات المتماثلة بالتناوب ، على سطح مخروطي بدلاً من العدسات التقليدية المنحنية. العدسة النموذجي Acixon لها شكل Plano - محدب. يتم استخدامها لتحويل شعاع ليزر مواز إلى بقعة على شكل حلقة أو خط محوري.

التطبيقات: في بعض التطبيقات الطبية ، كما هو الحال في أنواع معينة من العمليات الجراحية التي تعتمد على الليزر ، يمكن استخدام عدسات Axicon لإنشاء نمط معين من توصيل طاقة الليزر. كما أنها تستخدم في بعض إعدادات البحث العلمي لإنشاء أنماط إضاءة فريدة.

عدسات باول

صفات: عدسات Powell هي عدسات متخصصة تستخدم لتحويل عوارض الليزر المواز مع توزيعات شدة غوسية إلى خطوط مستقيمة وموحدة. بالمقارنة مع العدسات الأسطوانية القياسية ، التي تنتج خطوط شعاع الليزر مع ملامح كثافة غوسية ، تولد عدسات Powell خطوط الليزر مع توزيع طاقة أكثر اتساقًا عبر خطوط الليزر.

التطبيقات: غالبًا ما يتم استخدامها في التطبيقات الصناعية مثل أبعاد الليزر ، حيث يلزم وجود شعاع ليزر على شكل خط موحد للغاية للقياسات الدقيقة.

مبادئ عمل عدسات الليزر البصرية

التركيز والمواطن

التركيز: عندما تمر شعاع الليزر عبر عدسة تركيز ، مثل عدسة Plano - محدب ، تنحني العدسة أشعة الضوء نحو نقطة محورية. يتم تحديد الطول البؤري للعدسة بعوامل مثل حجم شعاع ليزر الإدخال ، والحجم البقبي المطلوب ، وعمق التركيز المطلوب. على سبيل المثال ، في آلة قطع الليزر ، يتم استخدام عدسة تركيز لتركيز شعاع الليزر على بقعة صغيرة ، مما يزيد من كثافة الطاقة عند تلك النقطة لقطع المادة بشكل فعال.

مواطن: من ناحية أخرى ، يتم استخدام عدسة موازية لتحويل شعاع ليزر متباعد من مصدر إلى شعاع متوازي أو موثق. يمكن تحديد الطول البؤري للعدسة المتوازنة استنادًا إلى زاوية تباعد الليزر (FWHM - العرض الكامل في نصف الحد الأقصى) وقطر شعاع الليزر المطلوب. في مؤشر الليزر ، يتم استخدام عدسة موازات لجعل شعاع الليزر يسافر في خط مستقيم على مسافة أطول.

تشكيل الشعاع

جيل الخط: يتم استخدام عدسات مولد خط الليزر ، مثل عدسات Powell أو العدسات الأسطوانية ، لتحويل شعاع ليزر مواز إلى خط. تتضمن العملية ثني شعاع الليزر في اتجاه واحد لإنشاء الإخراج على شكل خط. على سبيل المثال ، في أداة التسوية المستندة إلى الليزر ، يتم استخدام عدسة خطية - Line لعرض خط ليزر مستقيم على سطح ، والذي يمكن استخدامه لأغراض المحاذاة.

توليد الحلقة: يتم استخدام العدسات Axicon لإنشاء شعاع ليزر على شكل حلقة. يتسبب السطح المخروطي لعدسة Axicon في إعادة توجيه شعاع الليزر بطريقة تشكل نمطًا على شكل حلقة على مسافة معينة من العدسة. يمكن أن يكون ذلك مفيدًا في التطبيقات التي يلزم توزيع طاقة الليزر على شكل حلقة ، كما هو الحال في بعض تجارب الملاءمة البصرية في الفيزياء.

تطبيقات عدسات الليزر البصرية

معالجة المواد

القطع واللحام: في تطبيقات القطع واللحام بالليزر ، يتم استخدام عدسات الليزر البصرية لتركيز شعاع الليزر على بقعة كثافة عالية الطاقة. العدسات الليزرية عالية الطاقة ، غالبًا ما تكون مصنوعة من مواد مثل Selenide الزنك (ZNSE) لليزر CO₂ ، قادرة على تحمل مستويات الطاقة العالية. على سبيل المثال ، في صناعة السيارات ، يتم استخدام عدسات الليزر لقطع الأجزاء المعدنية ولحام بدقة عالية.

وضع العلامات والنقش: تستخدم أنظمة وضع علامة الليزر ونقش العدسات لتركيز شعاع الليزر على سطح المادة. تسمح العدسة بالتحكم الدقيق في طاقة الليزر على السطح ، والذي يتم استخدامه لإنشاء علامات أو نقوش. يمكن استخدام أنواع مختلفة من العدسات اعتمادًا على المواد التي يتم تمييزها وجودة العلامة المطلوبة.

التطبيقات الطبية

جراحة: في الليزر - الإجراءات الجراحية بمساعدة ، يتم استخدام عدسات الليزر البصرية لتوجيه وتركيز شعاع الليزر بدقة. على سبيل المثال ، في جراحة العيون ، يتم استخدام العدسات لتركيز شعاع الليزر لتصحيح مشاكل الرؤية. يجب أن تكون العدسات ذات جودة عالية لضمان توصيل دقيق لطاقة الليزر إلى الأنسجة المستهدفة.

التشخيص: في بعض المعدات التشخيصية الطبية ، يتم استخدام عدسات الليزر لتوجيه ضوء الليزر على العينات البيولوجية. يمكن بعد ذلك تحليل الضوء المنعكس أو المرسل للحصول على معلومات حول العينة. على سبيل المثال ، في تقنيات التشخيص القائمة على مضان ، يتم استخدام العدسات لتركيز ضوء ليزر الإثارة على العينة وجمع ضوء الفلورسنت المنبعث.

البحث العلمي

الملاءمة البصرية: في تجارب الملاءمة البصرية ، يتم استخدام العدسات Axicon والعدسات المتخصصة الأخرى لإنشاء أنماط شعاع ليزر فريدة. يمكن استخدام هذه الأنماط لفخ الجزيئات الصغيرة ومعالجتها ، مثل الخلايا أو الجسيمات النانوية ، لدراسة خصائصها.

التحليل الطيفي: يتم استخدام عدسات الليزر في إعدادات التحليل الطيفي لتوجيه شعاع الليزر على العينة وجمع الضوء المنبعث أو يمتصه العينة. يتم استخدام أنواع مختلفة من العدسات اعتمادًا على التقنية الطيفية المحددة ، مثل التحليل الطيفي للرامان أو التحليل الطيفي للامتصاص.

اختيار عدسة الليزر البصرية اليمنى

عند اختيار عدسة ليزر بصرية ، يجب مراعاة عدة عوامل:

توافق الطول الموجي

تعمل أشعة الليزر المختلفة بأطوال موجية مختلفة. على سبيل المثال ، تعمل الليزر CO₂ عادةً عند 10.6 ميكرون ، بينما تعمل الليزر ND: YAG عند 1.064 ميكرون. يجب أن تكون مادة العدسة والطلاء متوافقة مع الطول الموجي بالليزر. على سبيل المثال ، تعد العدسات المصنوعة من سيلينيد الزنك (ZNSE) مناسبة لليزر CO₂ ، في حين أن العدسات المصنوعة من السيليكا تنصهر غالبًا ما تستخدم في الليزر المرئي والقريب - الأشعة تحت الحمراء.

قوة الليزر والطاقة

تتطلب أشعة الليزر عالية الطاقة العدسات التي يمكنها تحمل مستويات الطاقة العالية دون تلف. يجب أن تحتوي مادة العدسة والطلاء على عتبة أضرار عالية بالليزر. في تطبيقات قطع الليزر ذات الطاقة العالية ، تعد العدسات ذات عتبات الضرر العالية ضرورية لضمان التشغيل الطويل والموثوق.

التطبيق - متطلبات محددة

اعتمادًا على التطبيق ، مثل التركيز ، أو التقاط ، أو تشكيل الشعاع ، يجب تحديد نوع العدسة المناسب. على سبيل المثال ، إذا كانت هناك حاجة إلى شعاع ليزر على شكل خط لتطبيق المسح ، فستكون عدسة أسطوانية أو باول هي الخيار الصحيح.

مقارنة بين عدسات الليزر البصرية المختلفة

الخلاصة

تعد عدسات الليزر البصرية مكونات أساسية في مجموعة واسعة من التطبيقات ، من معالجة المواد إلى البحوث الطبية والعلمية. توفر الأنواع المختلفة من العدسات ، لكل منها خصائصها الفريدة ومبادئ العمل ، مجموعة متنوعة من الطرق لمعالجة عوارض الليزر. من خلال النظر بعناية في عوامل مثل توافق الطول الموجي ، وقوة الليزر ، والمتطلبات المحددة - يمكن اختيار عدسة الليزر البصرية الصحيحة لضمان الأداء الأمثل في أي نظام قائم على الليزر. مع استمرار التقدم التكنولوجي ، من المحتمل أيضًا أن يتحسن تصميم وأداء عدسات الليزر البصرية ، مما يتيح تطبيقات ليزر أكثر دقة وكفاءة في المستقبل.