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Lentes ópticas: Una mirada en profundidad a los tipos y funciones

El nombre mismo de "lente" revela su naturaleza de transmisión de luz. Las lentes están hechas principalmente de materiales transparentes. Si bien estos materiales pueden ser opacos a la luz visible, permiten que la luz de longitudes de onda específicas pase a través de ellos. Por lo tanto, una lente puede considerarse un dispositivo de transmisión de luz para longitudes de onda específicas. Por ejemplo, la lente de campo de CO2 común está hecha de arseniuro de galio (GaAs), que es opaco al ojo humano pero actúa como una lente para la luz láser de CO2.

A continuación, profundizaremos en los diversos tipos y funciones de las lentes. La función principal de una lente reside en su refracción de la luz, lo que permite el enfoque de la luz paralela y la colimación de fuentes de luz puntuales. Las lentes vienen en varias formas, comúnmente lentes convexas y cóncavas. Las lentes convexas se caracterizan por ser más gruesas en el centro y más delgadas en los bordes, y se dividen en tipos cóncavo-convexo, plano-convexo y doble-convexo. Las lentes cóncavas son lo opuesto, siendo más delgadas en el centro y más gruesas en los bordes, incluyendo los tipos doble-cóncavo, plano-cóncavo y convexo-cóncavo. Es importante tener en cuenta que la clasificación de las lentes convexo-cóncavas puede cambiar dependiendo del grado de su curvatura.

En la industria del láser, encontramos con frecuencia varios tipos de lentes, como lentes de enfoque, lentes de colimacióny expansores de haz.

Lentes de enfoque

Una lente de enfoque es aquella que enfoca un haz paralelo en una fuente de luz puntual y se utiliza ampliamente. Además, existen lentes de enfoque especiales, como lentes asféricas o acromáticas, para satisfacer necesidades específicas de aplicación.

• 1. Lentes de enfoque asféricas: Estas son lentes utilizadas para eliminar la aberración esférica, incluyendo lentes de enfoque asféricas combinadas y lentes asféricas individuales. La aberración esférica se refiere al enfoque desigual de la luz debido a la forma esférica de una lente; es decir, los rayos de luz cerca del centro de la lente se enfocan en un punto diferente al de los rayos en los bordes. Esto evita que todo el haz se concentre en un solo punto, sino que lo extiende a lo largo de una distancia mayor, lo que afecta la calidad del corte. Para solucionar este problema, se pueden utilizar lentes de enfoque compuestas por dos o tres elementos de lente combinados para corregir la aberración esférica, o utilizar lentes asféricas individuales. Entre estos, la lente asférica individual es la mejor opción, pero es más cara. Dichas lentes asféricas combinadas y lentes asféricas individuales eran comunes durante la era de los cortadores YAG, pero su uso ha disminuido gradualmente con la popularidad de los láseres de fibra.

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• 2. Lentes de enfoque de un solo elemento: Este término se utiliza en relación con las lentes de enfoque asféricas combinadas. Una lente de un solo elemento consta de una pieza de lente y tiene una estructura simple. Sin embargo, como solo puede corregir parte de la aberración esférica, su efectividad puede no coincidir con la de las lentes de enfoque combinadas de múltiples elementos. En el contexto de la creciente adopción de láseres de fibra, el uso de lentes de enfoque de un solo elemento ha disminuido gradualmente, pero aún mantienen una cierta demanda del mercado.

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• 3. Características de la aberración esférica de las lentes de un solo elemento y comparación con las lentes asféricas combinadas: Las lentes de enfoque de un solo elemento, compuestas principalmente por una pieza de lente, tienen una estructura simple pero solo pueden corregir parte de la aberración esférica, lo que podría hacer que su rendimiento sea ligeramente inferior al de las lentes de enfoque combinadas de múltiples elementos. Sin embargo, aún mantienen una cierta demanda del mercado en medio de la tendencia de la creciente adopción de láseres de fibra. Por otro lado, las lentes asféricas combinadas logran la corrección de la aberración esférica combinando inteligentemente elementos de lente positivos y negativos. Específicamente, cuando una lente positiva se combina con una lente negativa, y el valor de aberración esférica positiva de la lente positiva compensa exactamente el valor de aberración esférica negativa de la lente negativa, esta combinación de lentes puede eliminar eficazmente la aberración esférica. Este es el principio de funcionamiento único de las lentes asféricas combinadas.

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• 4.Lentes acromáticas: Debido a los diferentes efectos refractivos de los materiales de las lentes sobre la luz de diferentes longitudes de onda, se puede encontrar la aberración cromática en aplicaciones prácticas. Por ejemplo, durante la alineación de visión coaxial en máquinas de marcado o soldadura láser de fibra, si se utiliza una lente estándar, es posible que descubra que cuando el campo de visión de la CCD es claro, el resultado del corte o la soldadura no es ideal, lo que requiere un ajuste fino de la posición focal para lograr un procesamiento satisfactorio. Sin embargo, al ajustar el enfoque para obtener el mejor resultado de procesamiento, el campo de visión vuelve a ser borroso. Esto se debe principalmente a la aberración cromática. Específicamente, las lentes convexas tienen una mayor capacidad refractiva para longitudes de onda más cortas y una menor para longitudes de onda más largas; las lentes cóncavas (negativas) son lo contrario, tienen una mayor capacidad de divergencia para longitudes de onda más cortas y una menor para longitudes de onda más largas. Basado en esta comprensión, se pueden diseñar sistemas de lentes compuestos por lentes convexas y cóncavas para eliminar los efectos de la aberración cromática. Sin embargo, cabe señalar que, debido a la demanda relativamente menor de lentes acromáticas, su precio suele ser más alto.

Lentes de colimación: Principio y función

Una lente de colimación, como su nombre indica, es una lente que transforma una fuente de luz puntual en un haz paralelo. Su principio de funcionamiento es exactamente lo contrario de una lente de enfoque. Cuando una fuente de luz puntual se coloca a una distancia focal de una lente de enfoque, se forma un haz paralelo en el otro lado de la lente. Este proceso de conversión es la función fundamental de la lente de colimación.

Lentes de colimación de fibra: Aplicación y ajuste

Las lentes de colimación de fibra juegan un papel clave en aplicaciones como cabezales de corte de fibra y cabezales de soldadura de fibra. Si ciertas aplicaciones requieren la eliminación de la aberración esférica o cromática, entonces se pueden utilizar lentes de colimación de haz combinadas para satisfacer esta necesidad.

Expansores de haz

Además, los expansores de haz son componentes ópticos comunes cuya función es magnificar el haz. Aunque tanto las lentes de colimación como los expansores de haz emiten haces paralelos, sus principios de funcionamiento y estructuras difieren. Una lente de colimación toma una fuente puntual como entrada y emite un haz paralelo, y la fuente puntual debe colocarse a una distancia focal de la lente. Un expansor de haz, sin embargo, toma un haz paralelo como entrada y emite un haz paralelo como salida, simplemente magnificando el haz paralelo, y la posición de la fuente tiene poca influencia en él. Para diseños y aplicaciones específicas de expansores de haz, puede consultar mis otros artículos para una comprensión más profunda.

Lentes generadoras de línea: Aplicación

La función de una lente generadora de línea es transformar un haz paralelo en una línea de luz más larga, haciendo que se extienda en forma de abanico. Este tipo de lente tiene un valor de aplicación potencial en la detección de la planitud del producto. Al encender la luz y escanear el producto, cualquier parte elevada o empotrada bloqueará la luz, revelando así la planitud del producto.

Lentes de colimación de luz de línea: Aplicación

La lente de colimación de luz de línea está diseñada para colimar con precisión un haz paralelo en una luz paralela lineal. Este proceso implica el uso de una lente cóncava cilíndrica para divergir la luz paralela, y luego una lente convexa cilíndrica cuyo punto focal coincide con el punto focal virtual de la lente cóncava, colimando así el haz. Además, este tipo de lente de colimación de luz de línea también se puede utilizar para detectar la planitud de la superficie, aunque su aplicación específica puede variar según la situación.

Placas de cuña: Aplicación

Una placa de cuña es una lente con un ángulo entre sus superficies frontal y posterior, lo que significa que no son paralelas. Cuando un láser pasa a través de dicha lente, el haz se desvía en un cierto ángulo. Esta característica se utiliza en cabezales de soldadura oscilantes. Cuando la placa de cuña gira, el haz láser desviado también gira, trazando un patrón circular, formando así un punto en forma de anillo. Al combinar dos placas de cuña, se puede ajustar el diámetro de este anillo. El tamaño del diámetro depende de los ángulos de deflexión relativos de las dos placas.