듀얼 스팟 레이저 시스템에서 구면 볼록렌즈의 주요 기능은 콜리메이션 요소로 작용하는 것입니다. 이 렌즈는 광섬유에서 나오는 자연적으로 발산하는 레이저 빔을 가로채어 평행하고 콜리메이트된 빔으로 변환하도록 전략적으로 배치됩니다. 이 변환은 시스템 내에서 후속 빔 분할, 형성 또는 초점 조정을 위한 중요한 전제 조건입니다.
이 렌즈는 광섬유에서 나오는 퍼지는 빛을 직선의 평행 경로로 변환함으로써 정확한 듀얼 스팟 생성을 위한 기하학적 기초를 설정합니다. 빔이 분할되거나 초점이 맞춰지기 전에 레이저 에너지의 초기 일관성과 안정성을 결정합니다.
빔 변환 메커니즘
빔 발산 보정
광섬유에서 나오는 레이저 빛은 직선으로 이동하지 않고 원뿔 모양으로 확장됩니다.
구면 볼록렌즈는 이 확장되는 원뿔을 포착합니다. 렌즈의 기하학적 구조는 광선을 안쪽으로 구부려 발산을 효과적으로 상쇄합니다. 그 결과 광선이 광축에 평행하게 이동하는 빔이 생성됩니다.
초점 거리의 역할
진정한 콜리메이션을 달성하기 위해 렌즈의 위치는 협상 불가능합니다.
렌즈는 광섬유 끝에서 정확히 초점 거리와 같은 거리에 배치되어야 합니다. 렌즈가 너무 가깝거나 멀리 있으면 빔이 너무 일찍 수렴하거나 계속 발산하여 전체 광학 경로를 손상시킬 수 있습니다.
시스템 성능에 미치는 영향
스팟 형성 활성화
콜리메이션은 최종 목표가 아니라 준비 단계입니다.
주요 참조 사항은 이 과정이 후속 스팟 형성 및 크기 조정에 기본적이라는 것입니다. 빔을 "듀얼 스팟"으로 분할하도록 설계된 광학 부품은 일반적으로 예측 가능하게 작동하기 위해 평행 입력이 필요합니다. 이 초기 콜리메이션 없이는 최종 스팟이 왜곡되거나 크기가 잘못될 것입니다.
출력 안정성 결정
최종 레이저 스팟의 품질은 이 초기 렌즈에 크게 좌우됩니다.
렌즈는 출력의 형상 안정성을 결정합니다. 콜리메이션이 일관되지 않으면 작업물에서의 최종 에너지 밀도가 변동하여 신뢰할 수 없는 레이저 처리 결과를 초래합니다.
절충안 이해
정렬에 대한 민감도
볼록렌즈는 효율적이지만 높은 기계적 정밀도가 필요합니다.
콜리메이션 품질이 전적으로 섬유로부터의 특정 거리(초점 거리)에 의존하기 때문에, 이 거리를 변경하는 기계적 진동이나 열팽창은 즉시 빔 품질을 저하시킬 것입니다.
구면 수차 한계
구면 렌즈 표면의 물리적 한계를 인지하는 것이 중요합니다.
구면 렌즈는 모든 광선을 완벽하게 같은 지점으로 초점을 맞출 수 없으며, 특히 렌즈 가장자리에 닿는 광선은 더욱 그렇습니다. 일반적인 콜리메이션에는 효과적이지만, 더 비싼 비구면 대안에 비해 빔 프로파일에 약간의 "부드러움" 또는 후광 효과를 유발할 수 있습니다.
광학 설정 최적화
듀얼 스팟 시스템이 올바르게 작동하도록 하려면 이 렌즈를 광 경로의 고정점으로 간주해야 합니다.
- 빔 일관성이 주요 초점인 경우: 평행 출력을 유지하기 위해 광섬유 끝과 렌즈 사이의 거리가 기계적으로 고정되고 열적으로 안정적인지 확인하십시오.
- 스팟 정밀도가 주요 초점인 경우: 에너지 손실을 방지하기 위해 렌즈 직경이 섬유 출력의 전체 개구수(원뿔)를 포착하기에 충분한지 확인하십시오.
구면 볼록렌즈는 시스템 품질의 수문장입니다. 효과적으로 콜리메이션하지 못하면 후속 조정으로는 결과 빔을 수정할 수 없습니다.
요약 표:
| 특징 | 듀얼 스팟 시스템에서의 기능 | 성능에 미치는 영향 |
|---|---|---|
| 주요 역할 | 빔 콜리메이션 | 발산하는 광섬유 빛을 평행 빔으로 변환 |
| 배치 | 초점 거리에 고정 | 빔 일관성을 보장하고 조기 수렴 방지 |
| 핵심 이점 | 스팟 형성 준비 | 예측 가능한 빔 분할 및 크기 조정 가능 |
| 안정성 | 기하학적 기초 | 에너지 밀도 및 출력 형상 안정성 유지 |
| 한계 | 구면 수차 | 비구면 유형에 비해 약간의 빔 '부드러움' 유발 가능 |
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참고문헌
- Nicolas Kudsieh, Zachary C. Wiley. Design and fabrication of dual-spot-size medical laser-handle prototype. DOI: 10.1109/honet.2019.8908115
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