Conception d'asphères grand diamètre pour systèmes laser haute puissance

Tendances optiques : puissance laser et taille optique

L'industrie optique connaît des tendances d'augmentation de la puissance laser et d'avancement de la technologie de revêtement pour répondre à cette demande. Cependant, une optique n'a pas toujours besoin de technologie de revêtement de pointe pour implémenter lasers haute puissance dans un système. Une seconde solution est d'augmenter la taille du faisceau, et donc la taille des optiques, ce qui diminue la densité de puissance ou énergie par unité de surface sur l'optique. Cela nécessite optiques d'expansion de faisceau grand format, ainsi qu'optiques de focalisation plus loin sur le chemin optique.

Un second catalyseur pour augmenter taille optique : tout système de collecte de lumière collectant lumière collimatée. Plus grand diamètre optique, plus surface de collecte. Dans les deux cas, et bien d'autres, des gains de performance peuvent être réalisés en concevant lentilles asphériques plutôt que sphériques. Auparavant, concepteurs hésitaient à concevoir asphères diamètres >100 mm, inquiets manufacturabilité et équipement métrologie pour vérifier asphère si grand. Cependant, avec avancées fabrication et métrologie, asphères jusqu'à 200 mm sont maintenant commercialement disponibles.

Grand vs très grand

En discutant grands asphères, important de distinguer grands asphères et très grands asphères, qui ne peuvent être portés à la main par une personne et nécessitent support mécanique pour déplacement. Ceux-ci présentent défis encore plus grands et requièrent planification détaillée du processus fabrication en amont.

Bien qu'aligner une optique 1,02 m sur machine polissage avec masse soit amusant, cet article se concentre sur limites fabrication asphères grands produits en série. Ces lentilles ont considérations design et limitations en plus des considérations manufacturabilité générales asphères taille normale.

Considérations fabrication

Diamètre

Limite fabrication évidente : taille machines meulage/polissage asphères. Fabricants machines étiquettent modèles commodément (ex: CNC100, CNC200, CNC300), lié à plage mouvement machine. Malheureusement, « CNC200 » ne signifie pas qu'on peut usiner asphère grand 200 mm.

D'abord, pendant fabrication, un blanc diamètre plus grand utilisé, puis ébarbé au diamètre final dans dernières étapes. Mais surtout, limitation taille machine donnée par combinaison cinématique machine et forme optique. Exemple : optique placée face vers le haut sur broche centre machine, outil disque tournant déplacé radialement, partant un bord finissant autre, position verticale outil ajustée par machine selon forme optique. De là, pour optique concave, outil voyage bien moins horizontalement pour usiner même pièce que pour optique convexe.

Ingénieur fabrication optique pourrait grappiller quelques mm en ajustant paramètres processus, mais impactera négativement coût/qualité/délai. Exemple : réduire diamètre meule, mais limite vitesse coupe, augmente temps processus et usure outil. Ces étiquettes n'indiquent pas limite dure, mais transition économico-coûteux à non-faisable.

Poids

En plus dimensions, machine meulage/polissage asphères a limite poids maximal usinable. Selon cinématique machine, optique peut être tournée/translatée et moteurs affectant ces mouvements doivent avoir couple suffisant pour accélération requise. Parfois, machine doit être configurée spécifiquement pièces lourdes, menant à temps cycle plus longs et coût plus élevé.

Généralement, fabricants machines sélectionnent moteurs assez forts pour usiner poids typiques pièces classe taille, donc moins problème. Mais pendant fabrication, optique typiquement collée sur porte-pièce pour transfert/alignement facile entre machines et équipement mesure, ce qui ajoute poids.

Considérations métrologie

Diamètre

Parlant mesures, limitations équipement métrologie ne doivent pas être négligées. Plateforme métrologie doit avoir course suffisante pour atteindre diamètre complet optique.

Hauteur sagittale

Pendant fabrication, asphère typiquement mesuré par profilomètre tactile. Avec taille optique accrue, hauteur sagittale aussi probablement augmentée (mais dépend design asphère). Autre facteur limitant profilomètre tactile, en plus plage course : hauteur stylet utilisé. Limite capacité atteindre au-dessus vertex asphère convexe pour mesurer profil surface côté opposé (Figure 2).

Optique concave a limitation analogue pour atteindre dans optique mesurer vertex. Astuces existent pour ingénieur fabrication optique pour presser plus de métrologie plateforme disponible, mais affecteront encore coût/qualité/délai.

Précision

De plus, utiliser stylet plus grand peut négativement affecter précision métrologie dû poids accru, flexion, instabilité, et ainsi aussi négativement affecter coût/qualité/délai.

Surfaces non-asphériques

Face arrière

Typiquement, face arrière non-asphérique lentille asphérique a influence limitée sur analyse manufacturabilité et coût. Pour grands asphères, plus vrai. Équipement doit accommoder taille optiques. Plus problématique : solution métrologie, typiquement interféromètre grande ouverture. Si atelier optique produit aussi composants prismes, séparateurs faisceaux, fenêtres, peut probablement lever équipement existant. Même ainsi, peu fabricants asphères ont solution standard mesurer surfaces planes au-delà 10 pouces (254 mm).

Pour faces arrière sphériques convexes, solutions métrologie encore plus limitées, investir interféromètre grande ouverture et sphères transmission grande ouverture souvent prohibitif ou indisponible. Pour faces arrière sphériques convexes et concaves, diamètre plus grand va avec rayon courbure (RoC) plus grand. Typiquement, RoC contrôlé en déplaçant étage avec optique montée le long rail entre position œil de chat (faisceau interféromètre contacte point unique surface sphérique) et position confocale (foyer point faisceau interféromètre au rayon courbure). Ainsi, plage RoC mesurable limitée par longueur rail.

De plus, utilisation plaques test pour contrôle en-cours risquée et encombrante grands diamètres. Sans mentionner mêmes difficultés s'appliquent fabrication plaques test elles-mêmes.

Bien sûr, pour mesurer face arrière lentille asphérique, on pourrait utiliser métrologie asphère disponible. Mais rend processus fabrication coûteux et inefficace, surface sphérique concurrencerait face asphérique pour temps mesure sur plateforme chère et métrologie asphère tend à être plus chronophage et/ou nécessiter compétences additionnelles pas typiquement trouvées artisans optiques sphériques. Ainsi, généralement impraticable jeter coup d'œil rapide surface sphérique via métrologie asphère pendant fabrication pour surveiller processus et ajuster paramètres si nécessaire.

Diamètre

Comme mentionné, une des dernières étapes, diamètre pièce ébarbé au diamètre final. Si atelier optique n'a pas une ou plusieurs machines ébarbage dédiées, ou pas assez grandes pour grand diamètre, pièces devront être ébarbées sur machine meulage asphère. Inefficace et coûteux.

Qualité surface et inspection

Arguablement, nombre imperfections surface créées corrèle avec surface traitée. Ainsi, plus difficile maintenir tolérance qualité surface serrée sur grand diamètre optique, selon norme ISO ou MIL. De plus, grand diamètre optique plus difficile manipuler, donc risque plus élevé défauts surface dus manipulation. Inspection surface surtout encombrante grands diamètres, car nécessite beaucoup manipulation.

Blanc

Blanc peut venir disque découpé (disque coupé tige diamètre adéquat) ou pressage (recuit moules sur mesure). Pour asphères taille normale, peut être facteur 3-4x plus économique utiliser pressages production grand volume, selon matériau exact. Pour blanc asphère grand, coût matériau devient facteur déterminant sur coût main-d'œuvre, volume augmentant. Pressages deviennent moins avantageux grands blancs asphères, considérant pressages délai plus long et limités épaisseur centre ~40 mm.

Revêtement

Comme mentionné, taille optique accrue, hauteur sagittale aussi probablement accrue. Influence négativement uniformité revêtement, donc spécifier même uniformité revêtement typique asphères taille normale sur grand asphère entraînera probablement surcoût.

Garder ces considérations fabrication et métrologie en tête permet designs optiques incorporer asphères grand diamètre dans systèmes optiques. Systèmes résultants ouvrent voie applications laser haute puissance et systèmes collecte lumière haut débit. Parfois, plus grand est vraiment mieux.

Cet article a été rédigé par Wilhelmus Messelink, Directeur Technologie, Edmund Optics Singapore ; et Shawn Scarfo, Responsable Ligne Produit Lentilles, Edmund Optics (Barrington, NJ). Pour plus d'informations, contactez M. Messelink à l'adresse protégée, M. Scarfo à l'adresse protégée, ou visitez le site web.