Diseño de asféricos de gran diámetro para sistemas láser de alta potencia

La industria óptica está experimentando tendencias de tanto aumento de potencia láser como avance de tecnología de recubrimiento para acomodar esta demanda. Sin embargo, un óptico no siempre necesita utilizar tecnología de recubrimiento de vanguardia para implementar láseres de alta potencia en un sistema. Una segunda solución es aumentar el tamaño del haz, y por lo tanto el tamaño de los ópticos, lo que reducirá la densidad de potencia o energía general por unidad de área en el óptico. Esto requiere ópticos de expansión de haz grande, así como ópticos de enfoque más adelante en el camino óptico.

Un segundo catalizador para aumentar el tamaño del óptico sería cualquier sistema de recolección de luz que esté recolectando luz colimada. Cuanto mayor el diámetro de un óptico, más área de superficie para recolectar. En ambos casos, y en incontables otros, hay aumentos de rendimiento que pueden realizarse diseñando lentes asféricos en lugar de lentes esféricos. Previamente, los diseñadores pueden haber dudado en diseñar asféricos con diámetros mayores a 100 mm, teniendo preocupaciones sobre fabricabilidad y equipos de metrología disponibles para verificar un asférico tan grande. Sin embargo, con avances en tanto fabricación como metrología, asféricos tan grandes como 200 mm están ahora disponibles comercialmente.

Grande versus Muy Grande

Al discutir asféricos grandes, es importante hacer una distinción entre asféricos grandes y asféricos muy grandes, que no pueden ser transportados a mano por una sola persona y requieren soporte mecánico para moverlos. Estos presentan aún más desafíos y requieren planificar el proceso de fabricación por adelantado en gran detalle.

Aunque definitivamente es divertido alinear un óptico de 1,02 metros en una máquina de pulido usando un martillo, el foco de este artículo está en los límites de fabricación de asféricos grandes producidos en masa. Estas lentes tienen consideraciones y limitaciones de diseño además de las consideraciones generales de fabricabilidad para asféricos de tamaño normal.

Consideraciones de Fabricación

Diámetro

Un límite de fabricación obvio que viene a la mente es el tamaño de las máquinas de rectificado y pulido de asféricos. Muchos fabricantes de máquinas etiquetan convenientemente sus modelos (ej. CNC100, CNC200 o CNC300), lo que tiende a estar relacionado con el rango de movimiento de la máquina. Desafortunadamente, esto no significa que una máquina "CNC200" pueda usarse para mecanizar un asférico grande de 200 mm de diámetro.

Para empezar, durante el proceso de fabricación se usa un blank de mayor diámetro, que luego se reduce al diámetro final en uno de los últimos pasos de procesamiento. Pero más importante, la limitación de tamaño de una máquina viene dada por una combinación de la cinemática de la máquina y la forma del óptico. Por ejemplo, asumamos que el óptico se coloca boca arriba en un husillo en el centro de la máquina, y una herramienta de disco giratorio se mueve radialmente, comenzando en un borde y terminando en el otro, y la posición vertical de la herramienta es ajustada por la máquina como requerido por la forma del óptico. De ahí se sigue que para un óptico cóncavo la herramienta tiene que viajar mucho menos horizontalmente para mecanizar la misma pieza de tamaño que para un óptico convexo.

El ingeniero de fabricación óptica podría exprimir unos pocos milímetros extra de rango ajustando parámetros de proceso, pero estos lo más probable afectarán negativamente costo y/o calidad y/o tiempo de entrega. En el ejemplo anterior, uno podría reducir el diámetro de la rueda, pero esto limitará la velocidad de corte y aumentará el tiempo de proceso y el desgaste de la herramienta. Como tal, estas etiquetas no indican un límite duro, sino una transición de económico a costoso a no factible.

Peso

Además de las dimensiones de un óptico, una máquina de rectificado y pulido de asféricos también tiene un límite en el peso máximo que puede mecanizar. Dependiendo de la cinemática de la máquina, el óptico podría girar y/o trasladarse y los motores que afectan estos movimientos necesitan tener suficiente torque para generar la aceleración requerida. En algunos casos, esto significa que la máquina tiene que configurarse específicamente para piezas de trabajo pesadas, lo que podría llevar a tiempos de ciclo más largos y así mayor costo.

En general, los fabricantes de máquinas seleccionan motores lo suficientemente fuertes para mecanear los pesos típicos de piezas de trabajo en la clase de tamaño, así que esto debería ser menos un problema. Sin embargo, ten en cuenta que durante la fabricación el óptico típicamente se une a un portador para fácil transferencia y alineación entre máquinas y equipos de medición, lo que también añade peso.

Consideraciones de Metrología

Diámetro

Hablando de mediciones, las limitaciones del equipo de metrología no deben pasarse por alto. Y, por supuesto, la plataforma de metrología necesita tener suficiente recorrido para alcanzar el diámetro completo del óptico.

Altura Sagital

Durante la fabricación, un asférico se mide típicamente usando un perfilómetro táctil. Con el aumento del tamaño del óptico, también es probable que la altura sagital aumente (pero esto depende mucho del diseño actual del asférico). Otro factor limitante de un perfilómetro táctil, además del rango de recorrido, es la altura del estilus usado. Esto limita cuánto puede alcanzar sobre el vértice de un asférico convexo para medir el perfil de la superficie en el lado opuesto (Figura 2).

Un óptico cóncavo tiene una limitación análoga para alcanzar dentro del óptico para medir el vértice. Hay algunos trucos que el ingeniero de fabricación óptica puede aplicar para exprimir un poco más de rendimiento de la plataforma de metrología que tiene a su disposición, pero estos afectarán nuevamente costo y/o calidad y/o tiempo de entrega.

Precisión

Además, tener que usar un estilus más grande puede afectar negativamente la precisión de la metrología debido al peso aumentado, flexión e inestabilidad, y así también afectar negativamente costo y/o calidad y/o tiempo de entrega.

Superficies No-Asféricas

Reverso

Típicamente, el reverso no-asférico de una lente asférica tiene una influencia limitada en el análisis de fabricabilidad y costo. Para asféricos grandes esto ya no es cierto. Obviamente, el equipo usado necesita poder acomodar el tamaño de los ópticos. Más problemático es la solución de metrología, típicamente un interferómetro de gran apertura. Si una tienda óptica también produce componentes como prismas, divisores de haz y ventanas, lo más probable puede aprovechar el equipo existente. Aun así, no muchos fabricantes de asféricos tienen una solución estándar para medir superficies planas más allá de 10 pulgadas (254 mm).

Para reversos esféricos convexos, las soluciones de metrología son aún más limitadas, ya que invertir en el interferómetro de gran apertura y esferas de transmisión de gran apertura asociadas es a menudo prohibitivo en costo o no disponible. Para ambos reversos esféricos convexos y cóncavos, un diámetro mayor va de la mano con un radio de curvatura (RoC) mayor. Típicamente, el RoC se controla moviendo un escenario con el óptico montado a lo largo de un riel entre la posición de ojo de gato (donde el haz del interferómetro contacta un solo punto en la superficie esférica) y posición confocal (donde el foco puntual del haz del interferómetro está en el radio de curvatura). Así, el rango de RoC que puede medirse está limitado por la longitud del riel.

Además, el uso de placas de prueba para control en proceso es arriesgado y engorroso para ópticos de gran diámetro. Sin mencionar las mismas dificultades mencionadas arriba aplican a la fabricación de las placas de prueba mismas.

Por supuesto, para medir el reverso de una lente asférica, se podría hacer uso de la metrología de asféricos disponible. Sin embargo, esto hace el proceso de fabricación costoso e ineficiente, ya que la superficie esférica competiría con el lado asférico por tiempo de medición en una plataforma costosa y la metrología de asféricos tiende a ser más consumidora de tiempo y/o requerir habilidades adicionales no típicamente encontradas en artesanos de ópticas esféricas. Como tal, es típicamente impráctico echar un vistazo rápido a la superficie esférica usando metrología de asféricos durante la fabricación para monitorear el proceso y ajustar parámetros de proceso si es necesario.

Diámetro

Como se mencionó antes, como uno de los últimos pasos de procesamiento, el diámetro de la pieza se reduce al diámetro final. Si la tienda óptica no tiene una o más máquinas de biselado dedicadas, o si no son lo suficientemente grandes para manejar el gran diámetro, las piezas tendrán que biselarse en la máquina de rectificado de asféricos. Esto es tanto ineficiente como costoso.

Calidad de Superficie e Inspección

Se podría argumentar que el número de imperfecciones de superficie creadas correlaciona con el área procesada. Como tal, es más difícil mantener una especificación de tolerancia de calidad de superficie ajustada en un óptico de mayor diámetro, ya sea especificada usando el estándar ISO o MIL. Además, un óptico de mayor diámetro es más difícil de manejar y, como tal, tiene mayor riesgo de defectos de superficie debido a mal manejo. Además, la inspección de superficie es especialmente engorrosa para ópticos de gran diámetro, ya que requieren mucho manejo.

Blank

El blank puede venir ya sea como disco cortado (un disco cortado de una varilla de diámetro adecuado) o un prensado (recocido en moldes hechos a medida). Para asféricos de tamaño regular, puede ser un factor de 3 o 4 veces más económico usar prensados para producción de alto volumen, dependiendo del material exacto. Para un blank de asférico grande, el costo del material se convierte en el factor determinante sobre el costo de mano de obra, a medida que aumenta el volumen. Como tal, los prensados se vuelven menos ventajosos para blanks de asféricos grandes, especialmente considerando que los prensados tienen un tiempo de entrega más largo y están limitados a un espesor central de aproximadamente 40 mm.

Recubrimiento

Como se mencionó previamente, con el aumento del tamaño del óptico, también es probable que la altura sagital aumente. Esto influirá negativamente en la uniformidad del recubrimiento, así que ten en cuenta que especificar la misma uniformidad de recubrimiento que típica para asféricos de tamaño regular en un asférico grande probablemente incurrirá en una prima.

Mantener estas consideraciones de fabricación y metrología en mente permite a los diseños ópticos incorporar asféricos de gran diámetro en sus sistemas ópticos. Los sistemas resultantes allanan el camino para aplicaciones láser de alta potencia y sistemas de recolección de luz de alto rendimiento. A veces, lo más grande realmente es mejor.

Este artículo fue escrito por Wilhelmus Messelink, Director de Tecnología, Edmund Optics Singapur; y Shawn Scarfo, Gerente de Línea de Producto, Lentes, Edmund Optics (Barrington, NJ). Para más información, contacte al Sr. Messelink en Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Necesita tener JavaScript habilitado para verla., al Sr. Scarfo en Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Necesita tener JavaScript habilitado para verla., o visite aquí.