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  CO2 Laser Optics & Consumable Products / Optiques spécifiques usinées au diamant
Optiques spécifiques usinées au diamant
Diamond-Turned Custom Optics: non-rotational symmetries
Diamond-Turned Custom Optics: non-rotational symmetries

La plupart des optiques présentent une symétrie de révolution. et conviennent pour une majorité d’applications. Cependant, les optiques sans symétrie de révolution présentent dans certains cas de nombreux avantages.
 
A titre d’exemple, on peut citer les miroirs et lentilles biconiques, qui présentent deux rayons de courbure différents sur une même surface optique; les miroirs ou lentilles facettées, qui présentent plusieurs surfaces planes sur un seul substrat ; et les matrices optiques,  réfléchissantes ou transmissives, qui possèdent de nombreuses surfaces courbes sur un seul substrat. On peut encore citer: des miroirs paraboliques hors-axe à longue distance focale, des miroirs paraboliques à focalisation en anneau, ou encore des séparateurs de faisceau à arrête.

Lentilles biconiques

Biconic Lens
Biconic Lens

Les lentilles biconiques présentent deux rayons de courbure différents pour une même surface optique. Selon l'application et la nécessité d'éliminer certaines aberrations, il est possible de réaliser une lentille biconique avec des courbures sphériques ou asphériques. Les lentilles biconiques sont souvent utilisées pour produire une tache focale linéaire ou de forme elliptique. Elles sont également utilisées dans des élargisseurs de faisceau anamorphiques pour réduire l'astigmatisme dans le faisceau laser. En effet, de nombreux lasers mettant en oeuvre un guide d'onde produisent des faisceaux astigmatiques. Comme la plupart des applications laser nécessitent des faisceaux gaussiens symétriques, les faisceaux astigmatiques doivent être corrigés.
Habituellement, ce sont des lentilles cylindriques qui sont utilisées comme lentilles de focalisation elliptique ou dans des élargisseurs de faisceau anamorphiques. Dans un tel élargisseur de faisceau et pour certaines applications de focalisation, il est nécessaire d'utiliser deux lentilles cylindriques, ce qui nécessite des procédures d'alignement complexes. La lentille biconique répond à cette difficulté en permettant de réduire le nombre d’optiques utilisées dans cette application et en simplifiant l'alignement.

  • La puissance optique biconique peut être réalisée par une seule surface optique.
  • Facile à aligner. La perpendicularité des courbures est assurée par l'usinage.
  • Utile dans les élargisseurs de faisceau anamorphiques.
  • En tant que lentille de focalisation, elle produit une tache focale de forme elliptique.
  • Les courbures peuvent être sphériques ou elliptiques.

Miroirs biconiques

Biconic Mirror
Biconic Mirror

Dans de nombreuses applications, des miroirs sphériques, cylindriques ou encore paraboliques contribuent efficacement à la mise en forme du faisceau laser. Les miroirs biconiques – ou, plus géneralement, les miroirs toroïdaux – permettent de combiner les fonctions de deux optiques distinctes en une seule.
Les miroirs biconiques présentent deux rayons de courbure différents sur une même surface. Selon l'application et la nécessité d'éliminer certaines aberrations, un miroir biconique avec des courbures sphériques ou asphériques peut être réalisé. Lorsqu’ils sont conçus de manière appropriée, ils peuvent venir en remplacement des habituels miroirs à déflection de 90° et recollimater un faisceau laser sur un long chemin optique.

  • La puissance optique biconique peut être réalisée sur une seule surface.
  • Les courbures peuvent être conçues pour produire une tache focale en limite de diffraction sous un angle d’incidence de 45°..
  • Utilisable dans les élargisseurs de faisceau anamorphiques.
  • En tant que miroir de focalisation sous incidence normale, il produit une tache focale de forme elliptique.
  • Les courbures peuvent être sphériques ou asphériques.

 

Intégrateurs de faisceau par transmission (lentilles intégratrices).

Faceted Lens
Faceted Lens

Les intégrateurs de faisceau par transmission sont utilisés dans des applications laser qui nécessitent une distribution uniforme de l’intensité du faisceau sur une tache focale relativement importante. Ces optiques focalisent de manière relativement uniforme un faisceau laser de puissance, en une tache dont la forme et les dimensions correspondent à celles d’une facette. Très difficiles à réaliser par le passé, ces lentilles intégratrices de faisceau sont aujourd’hui fabriquées en employant une technologie avancée d’usinage au diamant. Bien que le matériau principalement utilisé pour la réalisation de ces intégrateurs est le ZnSe, il est tout aussi possible de réaliser une surface de ce type sur du Germanium ou sur tout autre matériau usinable au diamant.

Les lentilles intégratrices de faisceau sont une bonne alternative aux mirroirs intégrateurs dans la mesure ou les facettes pratiquées sur la surface optique peuvent être de forme et de disposition quelconque, pratiquement sans limite dimensionnelle. Ainsi, des facettes de 2 à 8mm peuvent être pratiquées sur des substrats pouvant atteindre 100mm de diamètre.

  • Les intégrateurs de faisceau par transmission permettent une distribution d’intensité relativement uniforme.
  • Le faisceau après intégration peut être de forme carrée ou rectangulaire.
  • La tache focale du faisceau est assez étendue – plus de 2mm – et convient idéalement pour le pliage ou le traitement thermique des matériaux.
  • Le degré d’intégration dépend inversement de la cohérence du faisceau. Ces optiques fonctionnent le mieux lorsque le faisceau est faiblement cohérent.

Miroirs intégrateurs de faisceau

Faceted Mirror
Faceted Mirror

Les miroirs intégrateurs de faisceau sont communément utilisés dans des systèmes laser de haute puissance pour des applications de soudage, de rechargement et de traitement thermique. Les intégrateurs à facettes focalisent un faisceau de forte puissance en un profil d’intensité relativement uniforme, d'une taille et d'une forme équivalente à celles d’une des facettes. Jusqu’à récemment, les miroirs intégrateurs étaient réalisés en disposant sur un substrat de forme courbe de petits miroirs fabriqués de manière individuelle. Aujourd'hui, ces miroirs intégrateurs à facettes sont réalisés dans la masse grâce à des techniques sophistiquées d’usinage diamant. La tâche – longue et fastidieuse – d'assembler les facettes individuelles sur un substrat n'est plus nécessaire. Un autre avantage de cette technique de fabrication est de permettre un refroidissement actif du miroir à l’eau.
Les facettes peuvent être réalisées sur le miroir dans des formes presque quelconques. Il existe cependant certaines limites pratiques quant aux dimensions des facettes usinées, mais des facettes courantes comprises entre 2 et 8 mm sont facilement réalisables sur des substrats de miroir jusqu'à 75 mm de diamètre. Toutefois, les miroirs intégrateurs présentent un meilleur fonctionnement lorsqu'ils sont utilisés avec des faisceaux laser faiblement cohérents.

  • Les miroirs intégrateurs de faisceau réfléchissants donnent des profils d'intensité relativement plats.
  • La forme du faisceau peut être carrée, rectangulaire ou circulaire.
  • Les miroirs sont sont réalisés en cuivre et sont adaptés aux applications en forte puissance.
  • La dimension de la tache focale obtenue est relativement importante – 2 mm et plus – et est adaptée aux procédés de soudage et de traitement thermique.
  • Le niveau d'intégration dépend inversement de la cohérence du faisceau laser. Il est préférable d'utiliser des faisceaux laser faiblement cohérents.

 

Doublets à focalisation uniforme

Flat-Topped Doublet
Flat-Topped Doublet

II-VI propose une lentille de forme simple permettant de focaliser un faisceau à profil gaussien en un tache où l’intensité est répartie de manière uniforme.

La conversion d'un mode de faisceau donné en un autre type de répartition spatiale est toujours un processus difficile. Différents produits permettent de remédier à ce problème, comme les lentilles diffractives, les intégrateurs de faisceau spécifiques, des combinaisons de lentilles asphériques et des lames de phase. Comme souvent, il est souhaitable d'utiliser la forme la plus simple, qui peut être une optique asphérique II-VI.
 
La méthode utilisée pour convertir un faisceau gaussien en un faisceau à profil d’intensité uniforme est en partie déterminée par la dimension souhaitée de la tache focale. Un intégrateur de faisceau à facettes s'avère nécessaire pour les taches focales de grandes dimensions (voir ci-dessus). Cependant, lorsqu'il faut focaliser un faisceau laser avec un profil d’intensité uniforme sur une tache de l’ordre de 100 µm, il est également nécessaire de passer à des lentilles diffractives ou asphériques plus sophistiquées. II-VI répond à ce besoin avec une simple surface asphérique. Selon la longueur focale, cette lentille est produite en tant que singlet ou doublet.

  • Distance focales à partir de 25 mm et au-delà.
  • L’optique peut se composer d'une ou de deux lentilles, selon la taille de la tâche focale souhaitée.
  • Pour de meilleurs résultats, il est nécessaire que le faisceau de départ ait une valeur de M2 < 1,1.
  • Applications dans le perçage et le traitement des matériaux.

Miroirs paraboliques hors-axe à longue distance de travail

Long WD Off-Axis Parabola
Long WD Off-Axis Parabola

Auparavant, la distance de travail (DT) des miroirs paraboliques hors-axe était limitée au diamètre de balayage du tour d’usinage diamant 2-axes..Aujourd'hui, II-VI fabrique couramment des paraboles à longue distance de travail sous n'importe quel angle d’usinage, grâce à la technologie d’asservissement à outil lent (STS : Slow Tool Servo).

À l'instar des miroirs paraboliques hors-axe à distance de travail standard, les miroirs à longue distance de travail sont fabriqués à partir de substrats en cuivre (inclinés ou à faces paralléles), et résistent à des puissances laser extrêmement élevées et des environnement industriels défavorables. Ces miroirs permettent de focaliser un faisceau en limite de diffraction lorsqu'ils sont correctement montés et alignés. Les miroirs en cuivre peuvent être également revêtus d'un traitement qui leur confère une meilleure réflectivité.

II-VI conçoit des miroirs paraboliques destinés à focaliser un faisceau laser avec une déflection de 90° (standard) ou sous n'importe quel autre angle désiré. Des caractéristiques spécifiques, telles que le refroidissement à eau ou des configurations de montage non-standard, sont réalisables sur demande.

  • Distances de travail dépassant les capacités standard des machines d’usinage diamant deux axes.
  • Excellente précision de forme < 0,5 µm.
  • Excellente rugosité de surface < 0,6 nm.
  • Optiques de large diamètre pouvant aller jusqu'à 250 mm.

Matrices optiques

Optical Array
Optical Array

Certaines conceptions de systèmes optiques imposent que plusieurs composants optiques soient positionnés de manière précise en une matrice. Auparavant, ces optiques étaient produites et reliées à un substrat commun, ce qui entraînait des problèmes de positionnement et d'alignement considérables. Désormais, grâce aux techniques avancées d’usinage diamant dont dispose II-VI, il est possible d'usiner des matrices optiques monolithiques directement sur un substrat, au moyen de la technologie FTS (asservissement à outil rapide). Les matériaux typiquement utilisés comme substrat sont entre autres le ZnSe et le Germanium, et Cuivre et l’Aluminium comme métaux.


Un exemple courant d’utilisation de cette conception optique est la matrice de lentilles de focalisation avec des micro-lentilles de longueurs focales identiques. Cependant, il n'est pas nécessaire de produire sur un même substrat uniquement des micro-lentilles de longueurs focales identiques. Les différents composants peuvent présenter des longueurs focales variées, voire positives et négatives. Il est également possible de combiner les lentilles et les miroirs de la même manière.
Grâce aux matrices optiques monolithiques, le concepteur dispose d'un outil supplémentaire pour réaliser des systèmes optiques de petite taille et de fonctions complexes en vue d'applications pointues.

  • Les matrices optiques monolithiques permettent de réaliser des systèmes optiques compacts, autrement irréalisables.
  • Les matrices de micro-lentilles peuvent être facilement usinées pour obtenir une fonction optique multi-focale.
  • Il est même possible de réaliser des ensembles de lentilles et de miroirs (ou d'autres éléments optiques) sur un seul substrat.

Paraboles hors-axe à focalisation en anneau

Ring-Focus Off-Axis Parabola
Ring-Focus Off-Axis Parabola

Le miroir parabolique hors-axe à focalisation en anneau est une optique qui réunit les propriétés d'un miroir de focalisation parabolique défléchissant le faisceau à 90° et celles d'une optique de focalisation conique. Généralement, les lentilles en ZnSe avec un terme conique sont utilisées afin de créer une tache de focalisation annulaire. La parabole hors-axe à focalisation en anneau permet de s’affranchir de l'optique de transmission en combinant sa fonction avec celle d’un miroir parabolique hors-axe. La géométrie permettant d’aboutir à ce résultat est une surface de forme libre, réalisée par II-VI au moyen d‘une technologie d’asservissement à outil lent (STS).
Cette approche offre de vastes possibilités de conception optique, tant pour la distance de travail (ou focale), le diamètre de la tache focale annulaire, que l'angle de déflection. Enfin, pour les applications à forte puissance, un substrat en cuivre à refroidissement actif peut être utilisé.

  • Une seule optique réunit deux fonctions.
  • Compatibilité avec les systèmes laser de forte puissance.
  • Produit à partir de substrats hors-axe standard.
  • Excellente rugosité de surface à moins de 6 nm RMS.
  • Peut être conçue pour produire une tache focale annulaire de diamètre quelconque.

 

Séparateurs de faisceau à arrête

Rooftop Beamsplitter
Rooftop Beamsplitter

Les prismes et les séparateurs de faisceau par transmission sont des composants optiques couramment utilisés afin de séparer un faisceau laser incident en deux faisceaux spatialement résolus. Ces optiques sont courantes pour les longueurs d'onde visibles et pour l’infrarouge. Cependant, lorsque la puissance du laser infrarouge est élevée (que ce soit à 1µm ou à 10,6 µm), la plupart des prismes et des séparateurs de faisceau sont inopérants en raison d’un phénomène de lentille thermique. Ceci se produit notamment avec des lasers à CO2 lorsque le niveau de puissance continue dépasse 500 W. A de tels niveaux de puissance, il reste possible de séparer le faisceau à l'aide d'un prisme métallique à arrête.
Les séparateurs de faisceau à arrête sont fabriqués dans des substrats en cuivre et sont activement refroidis à l'eau, ce qui leur permet d’être utilisés à des puissances laser dépassant les 6 kW. Un miroir à arrête (le dièdre est à 90°) est utilisé pour dédoubler un faisceau laser ; les deux faisceaux obtenus se propagent ensuite dans des directions opposées et peuvent être ensuite conduits par d’autres miroir pour des applications de soudage ou de traitement thermique.
Le séparateur à arrête se compose d'un substrat de forme simple sur lequel deux miroirs, de forme et de finition de surface requises, sont usinés avec précision. Sur demande, l'angle entre chaque face du dièdre est mesuré avec une précision de 10 secondes d'arc.

  • Le séparateur de faisceau à arrête est utilisé afin de dédoubler des faisceaux laser IR de très forte puissance en deux faisceaux opérationnels.
  • Les miroirs sont fabriqués en cuivre ou en aluminium.
  • Les miroirs en cuivre peuvent être activement refroidis à l'eau dans le cas d'une utilisation à puissance laser très élevée, supérieure à 5,0 kW.

 

Lentille „Vortex“

Vortex Lens
Vortex Lens

Ces lentilles ont la particularité unique d‘être usinées avec un profil de marches de phase de forme spirale sur la surface optique. Ce profil très particulier a la popriété de contrôler la phase du faisceau traversant la surface, et, sur une surface courbée, de générer un profil de faisceau avec un distribution d’énergie nulle en son centre. En d’autres termes, la lentille Vortex permet de focaliser un faisceau en un anneau. Une autre particularité est que le front d’onde se propage de manière spirale, ce qui a donné à cette lentille l’appellation de lentille « spirale ».

Dans le passé, ce type de lentilles était réalisé sur la base d’éléments diffractifs. Aujourd’hui, elles peuvent être directement usinées à la pointe de diamant, et le résultat en est un profil spiral réalisé avec une grande précision permettant d’obtenir une focalisation en anneau.

Les lentilles Vortex peuvent être fabriquées dans tout matériau compatible avec nos techniques d’usinage diamant. Pour une utilisation à 10.6µm, cela inclut notamment des matériaux optiques tels que le ZnSe ou le Germanium, mais il est également possible de réaliser ce type de profil sur une surface réfléchissante en cuivre ou en aluminium.

Propriétés :

  •  Offre une surface optique unique qui permet la propagation du front d’onde en spirale.
  • Distribution d’intensité en anneau du faisceau focalisé.
  • Peut être utilisée pour des applications requérant une distribution d‘intensité nulle au centre.

 

 
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