[激光原理与应用-93]：激光焊接检测传感器中常用的聚焦镜、分色镜、分光镜、滤波镜

一、聚焦镜

1.1 原理及作用

1.2 性能指标

1.3 应用

1.4 类型

二、分色镜

2.1 原理及应用

2.2 种类

2.3 特点

2.4 注意事项

2.5 性能指标

三、分光镜

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3.1 分光镜的类型

3.2 分光镜的工作原理

3.3 分光镜的应用

3.4 分光镜的参数

3.5 分光镜的优点

3.5 性能指标

四、滤波镜

4.1. 工作原理

4.2. 性能指标

4.3. 应用领域

4.4. 种类

4.5. 注意事项

一、聚焦镜

聚焦镜是一种专业的透镜系统，主要用于将激光束在整个打标平面内形成均匀大小的聚焦光斑。以下是关于聚焦镜的详细解释：

1.1 原理及作用

聚焦镜的原理是通过调整透镜或反射镜的曲率和位置，使光线在通过时发生折射或反射，从而改变光线的方向和路径，最终聚焦到一个点上。其主要作用包括：

提高边缘光束入射到探测器的能力。
在相同的主光学系统中，附加场镜将减少探测器的面积；
如果使用同样的探测器面积，可扩大视场，增加入射的通量。
使探测器光敏面上的非均匀光照得以均匀化。

1.2 性能指标

聚焦镜的性能指标主要包括：

扫描范围：镜头能扫描到的面积，与场镜焦距成正比，焦距越大，视野越大（长焦），聚焦越小，视野越小（短焦）。但过大的扫描范围可能导致光点变粗、失真加大等问题。
焦距：焦距与工作距离有一定关系，但不等同于工作距离。焦距的加大可能导致扫描范围的加大、工作距离的加长以及激光能量的损耗。同时，聚焦后的光斑直径与焦距成正比，过大的焦距可能导致光点直径增大，不利于加工。
工作波长：目前市场上使用的聚焦镜多适用于1064nm和10600nm两种波长，但随着激光器的发展，532nm、355nm及266nm的场镜也将有相应应用。

1.3 应用

聚焦镜广泛应用于各种领域，如：

激光打标机：聚焦镜是激光打标机的重要配件之一，用于将激光束聚焦到工件表面进行标刻。
显微镜：聚焦镜可将光线聚焦到物体上，通过放大物体的影像来观察微小的细节。
照相机：在照相机的镜头中使用聚焦镜来调整焦距，使被摄物体清晰可见。
投影仪：聚焦镜将光线聚焦到投影屏上，形成清晰的图像。

1.4 类型

聚焦透镜有5种基本类型，即平凸、正凹凸、非球面、衍射和反射透镜。其中，反射透镜通常为离轴抛物面反射镜，但有些系统设计者使用小入射角的球面反射镜来完成同样功能。

综上所述，聚焦镜是一种重要的光学元件，具有广泛的应用前景。随着科技的不断发展，聚焦镜的性能将不断提升，应用领域也将更加广泛。

二、分色镜

分色镜是一种非常精确的滤色片，主要用于选择性地传递特定波长范围颜色的光，同时反射其他颜色的光。

以下是关于分色镜的详细解释：

2.1 原理及应用

工作原理：
- 分色镜基于光的折射和反射原理工作。当光线从一种介质射向另一种介质时，由于介质的折射率差异，光线会发生折射。而当光线从一种介质射向另一种介质的界面上时，一部分光线会反射回原来的介质。分色镜通过这两个过程，将光线分隔成不同的颜色。
应用领域：
- 建筑和戏剧：虽然分色镜较为昂贵，但因其能产生高度饱和（强烈）颜色的光，在建筑和戏剧应用中备受欢迎。
- 光源控制：分色镜通常用于光源后面以向前反射可见光，同时允许不可见的红外光（辐射热）从固定装置的后部通过，从而使光束在字面上更冷（较低的热温度）。
- 光谱分析：在光谱分析、激光技术、光通信等领域也有广泛应用。
- 摄影色彩校正：分色镜还可以用于摄影领域的色彩校正，通过过滤和调整不同颜色的光，使照片的色彩更加准确和生动。

2.2 种类

棱镜分色镜：最常见的分色镜类型，由多个三角形或四边形的玻璃片组成，可将光线分解成光谱。通常用于光谱分析和颜色测量等领域。
光栅分色镜：由一系列紧密排列的平行凹槽组成，可以将光线衍射成光谱。通常用于光谱分析和光谱仪等领域。
干涉分色镜：利用光的干涉原理将光线分离成不同的波长，通常用于高精度光谱分析和天文学等领域。

2.3 特点

过滤特性：分色镜能够精确地选择性地传递、通过小范围颜色的光，并反射其他颜色。
产热少：由于不需要的波长被反射而不是被吸收，分色镜在操作过程中不会吸收这种不必要的能量，因此不会变得几乎与等效的常规分色镜一样热。
长寿命：与常规过滤器相比，分色镜的寿命更长，因为颜色在硬显微镜层的构造中是固有的，在过滤器的寿命内不会“漂移”。

2.4 注意事项

在使用分色镜时，需要根据实际需求选择合适的类型，以确保其能够准确地完成所需的任务。
在某些特定应用中，如室内家居和商业照明，如果使用分色镜不当，可能会引发火灾等安全问题，因此需要谨慎使用。

2.5 性能指标

分色镜的性能指标是衡量其性能优劣的重要标准。以下是分色镜的主要性能指标，按照清晰、分点的方式进行归纳和解释：

色散性能：
- 定义：分色镜将复色光分解成单色光，并按波长进行分离和传输的能力。
- 评估标准：通常通过测量不同波长光线的分离角或分散度来评估色散性能。
- 优点：高色散性能的分色镜能够实现更精确的波长分离和传输。
透射率：
- 定义：分色镜对特定波长光线的透过能力。
- 评估标准：通常以百分比表示，如90%的透射率意味着90%的光线能够通过分色镜。
- 优点：高透射率的分色镜能够减少光能损失，提高系统的整体效率。
反射率：
- 定义：分色镜对特定波长光线的反射能力。
- 评估标准：同样以百分比表示，与透射率互补。
- 注意事项：在需要反射某些波长光线时，反射率成为关键指标。
光谱范围：
- 定义：分色镜能够有效工作的波长范围。
- 评估标准：通常指定一个起始波长和一个终止波长，如400-700nm。
- 重要性：根据应用需求选择合适的光谱范围。
角度容忍度：
- 定义：分色镜在不同入射角度下保持性能稳定的能力。
- 评估标准：通常以角度范围表示，如±5°。
- 重要性：在光学系统中，光线入射角度可能有所变化，角度容忍度决定了分色镜的适用性和稳定性。
抗蚀性：
- 定义：分色镜抵抗环境腐蚀、氧化和刮擦的能力。
- 评估标准：通常通过耐久性测试来评估，如长时间暴露在潮湿、高温或化学环境中的性能变化。
- 重要性：在高湿度、高温度或化学腐蚀环境下工作的分色镜需要具有良好的抗蚀性。
稳定性：
- 定义：分色镜在长时间使用过程中性能保持恒定的能力。
- 评估标准：通过长期运行测试或老化测试来评估性能变化。
- 重要性：稳定性对于需要长时间运行的光学系统至关重要。
光学畸变：
- 定义：分色镜在传输或反射光线时产生的光学畸变程度。
- 评估标准：通过测量畸变大小或观察成像质量来评估。
- 重要性：低畸变的分色镜能够提供更清晰、更准确的成像效果。

请注意，以上性能指标可能因具体应用场景和需求而有所不同。在选择分色镜时，应根据实际应用需求综合考虑各项性能指标。

三、分光镜

分光镜是一种光学组件，其主要功能是将入射光以指定的比率分割为两条不同的光束，或者反过来将两条不同的光束组合成单一光束。

以下是关于分光镜的详细解释：

3.1 分光镜的类型

立方体分光镜：具有立方体结构，用于特定光学应用。
平板分光镜：具有平板结构，根据需求可进一步细分为非偏振分光平面分光镜和偏振分光平面分光镜。

3.2 分光镜的工作原理

分光镜的原理是利用色散元件（如三棱镜或光栅）将白光分解成不同波长的单色光，构成连续的可见光光谱。这使得分光镜在需要分析光谱或按波长分离光线的应用中非常有用。

3.3 分光镜的应用

激光应用：主要用于需要将光线按50比50的比率分开的激光应用中。
荧光应用：在荧光光谱分析和其他荧光相关实验中用于分离和检测荧光信号。
光学干涉测量：用于干涉实验中的光路调整和光束分离。
生命科学或半导体仪器：在显微镜、光谱仪等生命科学和半导体制造设备中广泛应用。
显微成像、机器视觉：在图像处理和成像系统中用于提高图像质量和分辨率。
激光分束、3D合成：在激光技术和3D打印等领域中用于光束的分割和合成。

3.4 分光镜的参数

类型：市面上主要有直线分光镜、倒置分光镜和反射式分光镜。
尺寸：常见的分光镜尺寸有25mm、30mm、40mm等，影响适用仪器的范围。
级数：分光镜的级数（级次、级位）指光栅条数，级数越高，可分离的波长范围越宽。
光栅周期：光栅中纹线的间距，使用单位是纳米(nm)，光栅周期越小，分辨率越高。
光栅常数：光谱带宽与波长的比值，光栅常数越小，分辨率越高。
反射率：光线落在分光镜上后反射回来的比例，反射率越高，光线损失越小。
入射角：光线与分光镜表面之间的夹角，入射角越小，反射率通常越大。

3.5 分光镜的优点

结构简单：具有简单的光学结构，易于集成到各种光学系统中。
光吸收小：光吸收小，减少光能损失，提高系统效率。
分光后光损耗小：在分光过程中，光能损失较小，保持较高的光强。
全介电薄膜分离率平坦：实现平坦的分离率，确保不同波长光线的均匀分离。
抗反射效果好：具有良好的抗反射效果，减少光线在分光镜表面的反射损失。

综上所述，分光镜是一种功能强大的光学组件，广泛应用于各种光学系统和技术中。

3.5 性能指标

分光镜的性能指标是衡量其光学性能和应用效果的重要标准。以下是关于分光镜性能指标的详细解释，按照清晰、分点的格式进行归纳：

尺寸：
- 分光镜的尺寸会影响其放置的仪器大小。常见的分光镜尺寸有25mm、30mm、40mm等。选择适当尺寸的分光镜以满足特定应用需求。
级数（级次、级位）：
- 分光镜的级数指其光栅条数。级数越高，可分离的波长范围就越宽。这决定了分光镜在光谱分析中的分辨能力。
光栅周期：
- 光栅周期是指光栅中纹线的间距，一般使用单位是纳米(nm)。光栅周期越小，分辨率就越高。例如，某些分光镜可能具有几十到几百纳米的光栅周期，以满足不同的分辨率需求。
光栅常数：
- 光栅常数是指当光栅处于一定条件下时，它的光谱带宽与波长的比值。光栅常数越小，分辨率就越高。这一指标进一步反映了分光镜的分辨率性能。
反射率：
- 反射率是指光线落在分光镜上后反射回来的比例。分光镜的反射率越高，光线的损失就越小。例如，某些分光镜在特定波长下的反射率可达到90%以上，确保光能的高效利用。
入射角：
- 入射角是指光线与分光镜表面之间的夹角。入射角的大小会影响反射率。一般来说，入射角越小，反射率就越大。因此，在使用分光镜时需要根据应用需求调整入射角。
镀膜波长范围：
- 分光镜通常会在其表面镀上特定的膜层以增强特定波长范围内的性能。镀膜波长范围是指分光镜能够有效工作的波长范围。例如，某些分光镜可能针对可见光波段（约400-700nm）进行优化，而其他则可能针对红外或紫外波段。
分光比（T/R）：
- 分光比是指分光镜对入射光的透射率和反射率的比值。不同的分光镜可能具有不同的分光比，以适应不同的应用需求。例如，在某些应用中，可能需要将光线按50:50的比例分割成透射光和反射光，而在其他应用中则可能需要不同的比例。
基底材料：
- 分光镜的基底材料通常是光学玻璃或晶体。不同的基底材料具有不同的光学性能和稳定性。例如，BK7玻璃是一种常用的基底材料，它具有优良的光学性能和机械强度。