Проектирование больших асфер для высокомощных лазерных систем

Оптическая индустрия переживает тренды как увеличения лазерной мощности, так и продвижения технологии покрытий для соответствия этому спросу. Однако оптический элемент не всегда должен использовать передовую технологию покрытий для внедрения высокомощных лазеров в систему. Второе решение — увеличить размер пучка, а значит и размер оптики, что снизит общую мощность или плотность энергии на единицу площади на оптике. Это требует больших оптик расширения пучка, а также фокусирующих оптик дальше по оптическому пути.

Второй катализатор для увеличения размера оптики — любая система сбора света, собирающая коллимированный свет. Чем больше диаметр оптики, тем больше площадь поверхности для сбора. В обоих этих случаях, и во многих других, есть улучшения производительности, которые можно реализовать, проектируя асферические линзы вместо сферических. Ранее проектировщики могли колебаться проектировать асферы с диаметром больше 100 мм, имея опасения вокруг производственной реализуемости и метрологического оборудования, доступного для верификации такой большой асферы. Однако с достижениями в производстве и метрологии, асферы размером до 200 мм теперь коммерчески доступны.

Большие против очень больших

Обсуждая большие асферы, важно сделать различие между большими асферами и очень большими асферами, которые не могут быть перенесены руками одного человека и требуют механической поддержки для перемещения. Те представляют ещё больше вызовов и требуют планирования производственного процесса заранее в большом деталях.

Хотя определенно весело выравнивать 1,02-метровую оптику на полировальном станке с кувалдой, фокус этой статьи — на производственных пределах серийно выпускаемых больших асфер. Эти линзы имеют проектные соображения и ограничения в дополнение к общим соображениям производственной реализуемости для нормально размерных асфер.

Производственные соображения

Диаметр

Очевидный производственный предел, приходящий на ум — размер асферических шлифовально-полировальных станков. Многие производители станков удобно маркируют свои модели (например, CNC100, CNC200 или CNC300), что склонно быть связанным с диапазоном движения станка. К сожалению, это не означает, что станок «CNC200» может использоваться для обработки 200-мм большой асферы.

Во-первых, в производственном процессе используется заготовка большего диаметра, которая затем обточается до конечного диаметра в одном из последних шагов обработки. Но что важнее, ограничение размера станка задается комбинацией кинематики станка и формы оптики. Например, допустим, оптика помещена лицевой стороной вверх на шпиндель в центре станка, и вращающийся дисковый инструмент движется радиально, начиная с одного края и заканчивая другим, и вертикальная позиция инструмента корректируется станком как требуется формой оптики. Отсюда следует, что для вогнутой оптики инструменту нужно пройти гораздо меньше горизонтально для обработки детали того же размера, чем для выпуклой оптики.

Оптический производственный инженер может выжать дополнительные несколько миллиметров диапазона, настраивая параметры процесса, но это, скорее всего, негативно скажется на стоимости и/или качестве и/или времени выполнения. В примере выше можно уменьшить диаметр круга, но это ограничит скорость резания и увеличит время процесса и износ инструмента. Как таковые, эти метки не указывают жесткий предел, а переход от экономичного к дорогому к нереализуемому.

Вес

Помимо размеров оптики, асферический шлифовально-полировальный станок также имеет предел на максимальный вес, который он способен обрабатывать. В зависимости от кинематики станка, оптика может вращаться и/или транслироваться, и моторы, влияющие на эти движения, должны иметь достаточное крутящее момент для генерации требуемого ускорения. В некоторых случаях это означает, что станок должен быть специально настроен для тяжелых заготовок, что может привести к более длинным циклам и, следовательно, более высокой стоимости.

В общем, производители станков выбирают достаточно сильные моторы для обработки весов, типичных для заготовок в классе размера, так что это должно быть менее проблемой. Однако имейте в виду, что в производстве оптика обычно приклеивается к носителю для легкой передачи и выравнивания между станками и измерительным оборудованием, что также добавляет вес.

Метрологические соображения

Диаметр

Говоря об измерениях, ограничения метрологического оборудования не должны быть упущены. И, конечно, метрологическая платформа должна иметь достаточное перемещение для достижения полного диаметра оптики.

Сагиттальная высота

Во время производства асфера обычно измеряется тактильным профилометром. С увеличением размера оптики также вероятно, что сагиттальная высота увеличена (но это очень сильно зависит от фактического дизайна асферы). Другим ограничивающим фактором тактильного профилометра, помимо диапазона перемещения, является высота иглы, используемой. Это ограничивает, насколько она может достигнуть над вершиной выпуклой асферы для измерения профиля поверхности на противоположной стороне (Рисунок 2).

Вогнутая оптика имеет аналогичное ограничение для достижения внутрь оптики для измерения вершины. Есть некоторые трюки, которые оптический производственный инженер может применить, чтобы выжать дополнительный пробег из метрологической платформы, которой он/она располагает, но эти снова повлияют на стоимость и/или качество и/или время выполнения.

Точность

Кроме того, необходимость использовать большую иглу может негативно влиять на точность метрологии из-за увеличенного веса, флекса и нестабильности, и таким образом также негативно влиять на стоимость и/или качество и/или время выполнения.

Неасферические поверхности

Задняя сторона

Обычно неасферическая задняя сторона асферической линзы имеет ограниченное влияние на анализ производственной реализуемости и стоимость. Для больших асфер это больше не правда. Очевидно, используемое оборудование должно быть способно вмещать размер оптики. Более проблематично — метрологическое решение, обычно большой апертурный интерферометр. Если оптический цех также производит компоненты такие как призмы, пучкоделители и окна, он, скорее всего, может использовать существующее оборудование. Даже так, не многие производители асфер имеют стандартное решение для измерения планарных поверхностей свыше 10 дюймов (254 мм).

Для выпуклых сферических задних сторон метрологические решения еще более ограничены, так как инвестиции в большой апертурный интерферометр и ассоциированные большие апертурные передающие сферы часто недопустимо дорого или недоступны. Для обоих выпуклых и вогнутых сферических задних сторон больший диаметр идет рука об руку с большим радиусом кривизны (RoC). Обычно RoC контролируется перемещением подвижка с закрепленной оптикой вдоль рельса между позицией «кошачьего глаза» (где луч интерферометра контактирует с одной точкой на сферической поверхности) и конфокальной позицией (где точечный фокус луча интерферометра находится на радиусе кривизны). Таким образом, диапазон RoC, который может быть измерен, ограничен длиной рельса.

Кроме того, использование тестовых пластин для внутрипроцессного контроля рискованно и громоздко для оптики большого диаметра. Не говоря уже о тех же трудностях, упомянутых выше, применяющихся к производству самих тестовых пластин.

Конечно, для измерения задней стороны асферической линзы можно использовать доступную асферическую метрологию. Однако это делает производственный процесс дорогим и неэффективным, так как сферическая поверхность будет конкурировать с асферической стороной за время измерения на дорогой платформе, и асферическая метрология склонна быть более трудоемкой и/или требовать дополнительных навыков, не типичных для мастеров сферической оптики. Как таковое, обычно непрактично быстро заглянуть на сферическую поверхность с использованием асферической метрологии во время производства для мониторинга процесса и корректировки параметров процесса, если необходимо.

Диаметр

Как упоминалось ранее, как один из последних шагов обработки, диаметр детали обточивается до конечного диаметра. Если оптический цех не имеет одного или более выделенных обточивающих станков, или если они не достаточно большие для обработки большого диаметра, детали придется обточивать на асферическом шлифовальном станке. Это и неэффективно, и дорого.

Качество поверхности и инспекция

Можно утверждать, что количество поверхностных дефектов коррелирует с обрабатываемой площадью. Как таковое, сложнее поддерживать жесткую спецификацию допуска качества поверхности на оптике большего диаметра, будь то специфицировано с использованием ISO или MIL стандарта. Кроме того, оптика большего диаметра сложнее в обращении и, как таковая, под более высоким риском поверхностных дефектов из-за неправильного обращения. Кроме того, инспекция поверхности особенно громоздка для оптики большого диаметра, так как она требует много обращения.

Заготовка

Заготовка может прийти либо как вырезанный диск (диск, вырезанный из стержня адекватного диаметра) или как прессовка (отожженная в кастомных формах). Для регулярных асфер это может быть фактором 3- или 4-раз более экономичным использовать прессовки для высокообъемного производства, в зависимости от точного материала. Для заготовки большой асферы стоимость материала становится движущим фактором над стоимостью труда, так как объем увеличивается. Как таковое, прессовки становятся менее преимущественными для заготовок больших асфер, особенно учитывая, что прессовки имеют более длинное время выполнения и ограничены центральной толщиной примерно 40 мм.

Покрытие

Как упоминалось ранее, с увеличением размера оптики также вероятно, что сагиттальная высота увеличена. Это негативно повлияет на однородность покрытия, так что имейте в виду, что спецификация той же однородности покрытия, как типично для регулярных асфер, на большой асфере скорее всего влечет за собой премию.

Учитывая эти производственные и метрологические соображения в уме позволяет оптическим дизайнам включить большие диаметры асфер в свои оптические системы. Полученные системы проложивают путь для высокомощных лазерных приложений и высокопропускных систем сбора света. Иногда больше действительно лучше.

Статью написали Вильгельмус Месселинк, директор технологии, Edmund Optics Сингапур; и Шон Скарфо, менеджер продуктовой линейки, Линзы, Edmund Optics (Баррингтон, штат Нью-Джерси). Для получения дополнительной информации свяжитесь с г-ном Месселинком по адресу This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., г-ном Скарфо по адресу This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., или посетите here .