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JENar™ F-θ 렌즈: 중간 및 고출력 적용을 위한 레이저 소재 가공

JENar ™ F-θ 대물 렌즈는 다양한 소재의 고정밀 미세 구조화, 마킹 및 라벨링에 사용할 수 있습니다.

F theta 렌즈
JENar F-θ 대물 렌즈는 킬로와트 범위의 중간 및 고출력 적용 분야에 사용되는 마이크로 머시닝에 특히 적합합니다. UV ~ VIS 및 IR의 레이저 파장에서 표준 대물 렌즈를 사용할 수 있습니다. 1080 ~ 266  나노미터 파장용 대물 렌즈가 제공됩니다.

Jenoptik의 기존 F-θ 대물 렌즈는 탁월한 내구성을 제공하며 고정밀 레이저 소재 가공을 수행할 수 있습니다. 이런 렌즈를 다양한 소재의 미세 구조화, 마킹 및 라벨링에 사용할 수 있습니다. 대물 렌즈에는 보호 유리가 있습니다. 특별한 서비스로서 STEP 파일을 제공하여 이를 통해 JENar F-θ 대물 렌즈를 모든 시스템에 빠르고 쉽게 통합할 수 있습니다.

각 대물 렌즈는 표준화된 적용 분야 테스트 절차를 거칩니다. 이를 통해 당사는 시리즈 생산 전 과정에서 매우 일관된 광학 특성을 얻을 수 있습니다. 대물 렌즈를 쉽게 바꿀 수 있고 수명주기 안정성이 향상되는 장점이 있습니다.

이러한 표준 설계 외에도 레이저 빔 형성에서 레이저 빔 확장 및 분할까지의 구성 요소를 사용하여 완벽한 시스템을 개발할 수 있습니다. 당사의 전문가들은 파이버 레이저와 단 펄스 레이저를 사용하는 고출력 적용 분야를 위해 Silverline ™ F-θ 제품군인 완전 융합 실리카 렌즈를 개발했습니다.

장점

  • 강력한 내구성: 특수한 저 오염 실장 기술, 접착제 및 윤활제 사용 방지, 공인된 청정실에서의 조립으로 가능
  • 고정밀: 다양한 소재의 미세 구조화, 마킹 및 라벨링에 적합
  • 유연성: 모든 기존 시스템에 빠르고 쉽게 통합
  • 주문형: 표준 선택 또는 개별 요구 사항에 맞게 조정 가능
  • 효율성: 광학 어셈블리의 열적 및 기계적 응력에 대한 FEM 분석으로 비용 절감
  • 시리즈 안전성: 종합적인 테스트를 통해 현장에서의 대체가능성 보장

적용 분야

  • 마이크로 일렉트로닉스: 예: 유리의 미세 구조화
  • 반도체 산업: 예: 미세 가공
  • 자동차 산업: 예: 복합체의 절단 및 구조화
  • 의학: 예: 치료 시 거즈가 필요하지 않음
  • 일반적인 적용 분야: 예: 유리 가공, 배터리 용접

제품 개요 및 다운로드

F-θ-대물 렌즈 JENar™ 파장
[nm]
주문 번호 데이터 시트(DB)
017700*-
STEP(STP) Zemax-Blackbox(ZIP)
03-90FT-125-1030...1080 1030...1080 017700-003-26 DB *-003-26 STP *-003-26 ZIP *-003-26
03-424FT-350-1030...1080 1030...1080 017700-009-26 DB *-009-26 STP *-009-26 ZIP *-009-26
100-1030...1080-93 1030...1080 017700-024-26 DB *-024-26 STP *-024-26 ZIP *-024-26
125-1030...1080-80 + VIS 1030...1080 601926 DB 601926 STP 601926 ZIP 601926
160-1030...1080-170 1030...1080 017700-019-26 DB *-019-26 STP *-019-26 ZIP *-019-26
160-1030...1080-170 + VIS 1030...1080 601914 DB 601914 STP 601914 ZIP 601914
170-1030...1080-170 1030...1080 017700-018-26 DB *-018-26 STP *-018-26 ZIP *-018-26
255-1030...1080-239 1030...1080 017700-017-26 DB *-017-26 STP *-017-26 ZIP *-017-26
255-1030...1080-239 + VIS 1030...1080 601948 DB 601948 STP 601948 ZIP 601948
347-1030...1080-354 1030...1080 017700-022-26 DB *-022-26 STP *-022-26 ZIP *-022-26
420-1030...1080-420 1030...1080 017700-021-26 DB *-021-26 STP *-021-26 ZIP *-021-26
03-75FT-100-532 532 017700-202-26 DB *-202-26 STP *-202-26 ZIP *-202-26
03-75FT-108-532 532 017700-203-26 DB *-203-26 STP *-203-26 ZIP *-203-26
100-532-90 532 017700-209-26 DB *-209-26 STP *-209-26 ZIP *-209-26
170-532-160 532 017700-206-26 DB *-206-26 STP *-206-26 ZIP *-206-26
255-532-233 532 017700-205-26 DB *-205-26 STP *-205-26 ZIP *-205-26
330-532-336 532 017700-208-26 DB *-208-26 STP *-208-26 ZIP *-208-26
420-532-420 532 017700-207-26 DB *-207-26 STP *-207-26 ZIP *-207-26
53-355-22 355 017700-401-26 DB *-401-26 STP *-401-26 ZIP *-401-26

JENar™: EU, CN, JP, SG 에 등록된 상표 |  Silverline™: DE, JP, SG에 등록된 상표
F-θ: EU, CN, KR, IN, SG에 등록된 디자인

당사의 완전 융합 실리카 대물 렌즈를 확인해 보려면 여기를 클릭하십시오.

다운로드

F theta 렌즈의 기본 원리

f theta 렌즈의 기본 원리

F-θ 대물 렌즈

Jenoptik의 fθ 렌즈는 레이저 소재 가공 요건에 맞게 최적화되어 있습니다. 한편으로, 이 렌즈들은 우수한 광학 성능을 제공하도록 설계되어 작은 시야 곡률, 작은 왜곡 및 회절 제한된 초점 크기로 나타납니다. 한편, f theta 렌즈의 경우 입사하는 레이저 빔의 각도 Θ와, 공작물에서 포커스된 스폿의 이미지 높이 h 사이의 선형 의존성이 실현됩니다. 비례 요소는 초점 거리 f입니다. 이 관계는 수학적으로 다음과 같인 표현됩니다 

h = f Θ

따라서 이런 특별한 렌즈의 이름이 f theta가 됩니다.

적용 관련성

우수한 광학 성능의 이점을 쉽게 볼 수있지만 fθ 관계의 장점은 폴리곤 스캐너를 고려할 때 더욱 미묘하고 잘 이해됩니다. 이런 스캐너는 일정한 각속도로 회전합니다. 이미지 높이가 Θ의 접선에 비례한다면, 더 큰 각에 대해 공작물상의 스폿 속도가 증가하므로 소재에 내재된 에너지가 감소하여 적용 분야 성능이 일정하지 않을 수 있습니다. fθ 렌즈는 다각형의 일정한 각속도를 공작물상의 스폿의 일정한 속도로 변환하기 때문에 이 문제는 사라집니다.

초점 거리

이론적인 명명법에서 초점 길이는 두 번째 기본면에서 대물 렌즈의 근축 초점까지의 거리입니다. 즉, 대물 렌즈를 소실 길이를 갖는 것으로 나타내는 경우 이 이상적인 렌즈에서 초점까지의 거리가 초점 거리가 됩니다.

적용 관련성

fθ 관계 h = f * 세타이므로 이미지 높이는 초점 길이에 비례합니다. 즉, 적용 영역을 증가시키려면 초점 거리가 더 큰 렌즈를 사용할 수 있습니다. 그러나, 동일한 스폿 크기를 유지하려면, 초점 크기 정의에 따라 레이저 입력 빔 크기도 증가시켜야 합니다. 또 다른 특성은 렌즈와 공작물 사이의 거리입니다. 이 값을 늘리려면 일반적으로 초점 거리를 늘려야 합니다.

Jenoptik fθ 렌즈는 갈보 스캐너를 사용할 때 2차 스캔 필드에 최적화되어 있습니다.

스캔 필드

검류계 2D 스캐너를 사용할 때 미러 각도를 변경하면 공작물 위로 레이저 스폿이 이동합니다. Jenoptik의 fθ 렌즈는이 사각형의 대각선이 스캔 필드 대각선으로 표시되는 사변형 스캔 필드에 맞게 최적화됩니다.

적용 관련성

검류계 미러가 2차 스캔 필드 영역에 해당하는 각도 이상 기울어지는 경우 두 가지 주요 효과가 나타납니다. 첫째, 광학 성능이 회절 한계 이상으로 저하되고 두번째로 레이저 빔이 대물 렌즈 내부에서 잘릴 수 있습니다.

스캐너 형상

2D 검류계 스캐너의 형상은 효율적인 렌즈 설계에 매우 중요합니다. 2개의 검류계 스캔 미러는 충돌을 방지하기 위해 일정한 거리를 가져야 하므로 애플리케이션 성능은 회전 대칭이 아니며 대신 X와 Y에서 두 배의 미러 대칭을 나타냅니다. 미러 사이의 거리는 매개변수 a1로 제공됩니다. 두번째 미러에서 대물 렌즈의 플랜지까지의 거리는 매개변수 a2로 제공됩니다. 미러가 분리되면 동공의 실제적 개념을 허용할 수 없게 됩니다. 따라서 유효 동공은 두 미러 사이의 중간에 있는 것으로 정의됩니다. 실제 동공이 존재하지 않기 때문에 2D 갈바노메트릭 스캔 시스템이 완벽하게 텔레센트릭이 될 수 없다는 결과가 생깁니다.

적용 관련성

기존 fθ 렌즈의 다양한 광학 특성은 스캐너 형상을 수정하여 바꿀 수 있습니다. 그러나 대물 렌즈의 어딘가에서 레이저 광선이 잘리지 않도록 주의해야 합니다. 예를 들어, 대물 렌즈와 유효 동공 간의 거리가 늘어나면 텔레센트리시티 각도가 변경됩니다(일반적으로 텔레센티시티 각도가 감소함). 그러나 잘리는 것을 방지하기 위해 최대 스캔 각도, 따라서 최대 필드 크기를 줄여야 합니다.

텔레센트릭 렌즈는 보다 균일한 초점 크기 분포를 보여줍니다.

텔레센트리시티

텔레센트리시티는 스캔 필드의 가장자리에서 레이저 빔 중심의 각도를 나타냅니다. 예를 들어 전체 빔이 광축에 대해 얼마나 기울어졌는지를 나타냅니다.

적용 관련성

텔레센트릭 렌즈는 일반적으로 전체 필드에서 보다 균일한 초점 크기 분포를 보여줍니다. 또한, 텔레센트릭 렌즈는 공작물의 초점을 흐리게할 때 "축척을 더 보존"합니다. 예를 들어, 공작물이 렌즈에서 멀어지지만 레이저 빔의 기울기가 사라지면 스폿 위치가 변경되지 않습니다. 이것은 드릴링 적용 분야에서 중요합니다. 텔레센트리시티 각도가 작으면 즉각적으로 렌즈가 대각선 필드와 거의 동일한 직경을 갖게 됩니다. 따라서 텔레센트릭 렌즈는 일반적으로 비 텔레센트릭 렌즈보다 비쌉니다.

스캔 각

최대 전체 대각 스캔 각도는 스캔 필드 대각선에 대응하며, 즉 이 최대 각도를 초과하는 각도를 갖는 대물 렌즈를 사용하면 사용하면 빔이 잘립니다.

적용 관련성

fθ 관계에 따라 더 큰 스캔 각도를 사용하면 필드 크기의 증가도 가능합니다. 이렇게 하면 빔 크기가 동일하게 유지된다는 장점이 있습니다. 그러나 스캔 각도가 크면 비용 효율적인 f theta 렌즈의 설계가 상당히 복잡해집니다.

입력 빔 직경 강도 프로파일

입력 빔 직경

미광을 제어하고 레이저 소재 가공 적용 분야에서 필요한 광학 요소의 크기를 줄이기 위해 입력 가우스 레이저 빔은 일반적으로 강도가 최대 값의 1/e²로 떨어진 직경에서 잘립니다. 본 대물 렌즈는 이런 빔이 전혀 잘리지 않고 대물 렌즈를 통과하도록 설계되었습니다.

적용 관련성

입력 빔 직경은 스폿 크기 관계에 따라 즉시 반비례적으로 스폿 크기에 영향을 줍니다. 빔 직경이 커지면 스폿 크기가 작아지고 그 반대도 마찬가지입니다. 직경이 최대 허용 빔 크기를 초과하는 빔을 사용하면 필드의 가장자리에서 빔이 잘립니다.

초점 크기

집광할 때 스폿 크기 σ는 회절 한계를 초과할 수 없습니다. 즉 스폿 크기는 렌즈의 수차에 더 이상 좌우되지 않고 물리적 특성 파장 λ, 입력 빔 직경 Ø 및 초점 길이 f에 의해 좌우됩니다. 레이저 입력 빔 직경의 경우 초점 크기는 강도가 스폿 중심의 최대 강도의 1/e²로 떨어지는 직경으로 정의하는 것이 일반적입니다. "입력 빔 직경"으로 정의된 입력 빔의 경우 초점 크기는 다음으로 지정됩니다.

σ = 1.83 λ f / Ø

적용 관련성

초점 크기를 줄이면 작성된 패턴의 구조 크기가 즉시 줄어듭니다. 또한 스폿 중심의 최대 강도가 증가되므로 특정 소재의 적용 임계 값보다 높아집니다. 그러나 강도가 적용 임계 값보다 높으면 처리된 적용에 필요하지 않은 에너지가 소재에 축적되어 제어 불가능한 부작용이 다양해질 수 있으므로  적용 성능이 저하될 수 있습니다. 따라서 사용자는 해당하는 적용에 대한 최적의 초점 크기를 찾아야 합니다.

빔 잘림

입력 레이저 빔의 빔 직경이 너무 작거나 스캔 각도가 최대 허용 각도를 초과하면 대물 렌즈를 통과할 때 레이저 빔의 일부가 기계의 일부에 닿을 수 있습니다. 이것을 레이저 빔의 잘림이라고 합니다.

적용 관련성

대물 렌즈 내부에서 잘리는 레이저 빔은 원치 않는 미광을 발생시킬 수 있으며, 또한 대물 렌즈도 가열하여 열 초점이 이동하거나 심지어 렌즈가 파손될 수 있습니다. 모든 JENar Standard 및 Silverline 렌즈는 데이터 시트의 스캐너 설정에 따라 사용할 때 빔 잘림이 나타나지 않도록 설계되었습니다.

후방 작동 거리

초점 길이가 다소 이론적인 표현인 반면, 후방 작동 거리는 대물 렌즈 끝(공작물과 가장 가까운 가장자리)과 공작물 사이의 실제 거리를 나타냅니다.

적용 관련성

후방 작동 거리는 공작물과 렌즈 사이의 여유 공간을 나타냅니다. 초점 길이와 후방 작동 거리는 밀접하게 관련되어 있기 때문에, 일반적으로 공작물과 대물 렌즈 사이의 여유 공간이 더 커야 하므로 초점 거리가 더 큰 렌즈를 사용해야 합니다.

열 초점 이동

광학 소재의 온도가 변하면 해당 모양과 굴절률이 변합니다. 이 두 가지 효과로 인해 시스템의 광학 특성, 주로 초점 위치가 변경됩니다. 이런 위치의 변화를 열 초점 이동이라고 합니다. 렌즈는 온도 의존성 스페이서를 사용하는 등과 같이 전체적으로 균일한 온도 변화(실내 온도의 변화 및 충분한 완화 시간으로 인한)를 견디도록 최적화할 수 있습니다. 그러나, 고출력 레이저와 함께 사용될 때, 렌즈 요소들의 온도 분포는 균일해지지 않고 또한 스캔 패턴에 따라 달라집니다. 이러한 효과에 대해 대물 렌즈를 둔감하게 만드는 유일한 방법은 온도 변화를 줄이는 것입니다(예: 렌즈 및 코팅 소재의 흡수를 줄이는 것).

톱햇(Δz_T) 및 가우스(Δz_G) 강도 분포에 대한 유도된 열 초점 이동은

P_0이 레이저의 입력 전력이므로 분석적으로 계산할 수 있습니다. f는 렌즈의 초점 거리입니다. 합계는 지수 i로 표시되는 시스템의 모든 광학 요소에 적용됩니다. n_i와 dn/dT_i는 굴절률과 열 미분을 나타냅니다. alpha_i는 열팽창 계수, lambda_i는 열전도 계수, A_i 및 B_i는 코팅 및 소재의 흡수 계수를 각각 나타냅니다. d_i는 요소의 두께이고, phi_i는 요소 i의 레이저 빔의 직경입니다.
고출력 적용 분야의 경우, 사용/입수 가능한 소재의 범위는 대부분이 소재 계수(dn/dT, n, alpha, lambda)가 고정되는 좁은 범위입니다(융합 실리카 또는 CaF2). 또한 F-θ 렌즈에서 매개변수 입력 전력(P_0) 및 초점 거리(f)와 요소의 빔 크기 (phi) 및 두께(d)를 결정하는 적용 분야 요구 사항은 일반적으로 강력한 최적화 매개변수를 구성하지 않습니다. 즉, 광학 사양을 충족시키는 광학 설계는 일반적으로 각각의 렌즈 형상에서 크게 다르지 않습니다. 따라서 시스템의 열 초점 이동을 줄이는 가장 유망한 방법은 흡수되는 에너지의 양을 줄이는 것입니다. 이렇게 하려면 흡수성이 낮은 소재 및 코팅재를 사용하면 됩니다.

적용 관련성

열 초점 이동은 보상되지 않으면 시간이 지남에 따라 적용 성능이 바뀝니다. 공정 시작시 완벽한 초점 상태에 있는 공작물은 공정 시간이 어느 정도 지나면 상당히 초점이 맞지 않아 적용 결과가 매우 다르게 보일 수 있습니다.

Silverline™

용합 실리카는 소재 흡수가 극히 적은 것으로 보이므로 고출력 적용 시 사용에 매우 적합합니다. NIR(1064nm) Silverline ™ F-θ 렌즈의 경우 Jenoptik은 저 흡수성 융합 조재와 최적화된 최저 흡수성 고성능 코팅재를 사용합니다. 코팅의 최대 흡수량 5ppm는 모든 코팅 배치에 대해 표준화된 흡수 측정 절차에 의해 보장됩니다. 제조 통계는 다음 그래프로 표시됩니다.

적용 관련성

(열 조첨 이동 참조)

따라서 다음 흡수 값이 지정됩니다.
 NIR Silverline™ F-θ  흡수 사양
 소재  < 15 ppm/cm
 코팅  < 5 ppm (평균 = 3 ppm)

손상 임계 값 LIDT

레이저 유도 손상 임계 값(LIDT)은 렌즈의 손상이 발생하는 레이저 강도(또는 플루언스)를 나타냅니다. 이 임계 값은 파장 및 펄스 지속 시간과 같은 여러 매개변수에 따라 달라지며 물리적 현상은 서로 다릅니다. CW와 장 펄스의 경우(10ns 이상) 주된 문제는 소재 내부의 에너지 축적과 그에 따른 용융 및 증발입니다. 반면에 극단적인 단 펄스(10 ps보다 작음)의 경우, 애벌런치 이온화 및 쿨롱 폭발과 같은 비 열처리 공정이 손상의 주된 이유입니다. 이러한 다양한 공정으로 인해 분석적 설명이 매우 어려워지며 산업용으로 사용하기 위해 코팅 및 소재를 테스트하고 현상적으로 설명하는 것이 바람직합니다. Jenoptik은 가장 보편적인 적용 매개변수에 대한 표준 코팅 및 소재를 테스트했고 펄스 지속 시간 τ의 전력 법칙으로 펄스 지속 시간 의존성 임계 값 플루언스 Φ를 발표했습니다.

Φ = c * τ ^ p

이 법칙의 매개변수 c 및 p는 파장 길이에 따라 다릅니다.

적용 관련성

광학 시스템을 통해 시간당 더 많은 에너지를 전달할 수 있으므로 스캔 속도가 빨라지고 따라서 처리량이 증가합니다.

레이저 펄스의 펄스 스트레칭은 최대 강도(GDD 공식)를 줄입니다.

펄스 스트레칭 GDD

빛이 비분산 광학 소재를 통과할 때 파장 의존적 광학 위상이 축적됩니다. 사실상 파장이 서로 다른 조파 진동의 선형 중첩인 레이저 펄스의 경우 펄스 형상에 영향을 줍니다. 가우스 펄스에 대한 2차 근사법에서 레이저 펄스의 시간적 스트레칭은 위상 변화의 2차 미분(그룹 지연 분산(GDD/P2)이라고도 함)에 의해서만 결정됩니다. 

레이저 펄스 형상은 가우스 형상을 유지하지만 표준 편차로 표시되는 폭은 다음과 같이 조정됩니다. P3 .

적용 관련성

레이저 펄스의 시간적 스트레칭은 레이저 펄스의 최대 강도를 감소시킵니다. 이에 의해 적용 성능이 크게 영향을 받을 수 있습니다. 펄스 스트레칭으로 인해 공작물에서 너무 장 펄스가 발생하는 문제를 해결하기 위해 출력 펄스가 더 짧은 레이저를 사용할 수 있습니다. 이렇게 하면 관련된 광학 시스템의 손상 임계 값 이상으로 강도가 증가할 수 있습니다. 또 다른 방법은 격자, 프리즘 및 마이크로 광학 요소(P1)를 사용하여 유도된 GDD를 사전에 보정하는 것입니다. 

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