高功率F-Theta场镜—

产品说明

紫外熔融石英玻璃透镜，空气隙集成结构，高损伤阈值
聚焦光束高度f × θ，输入光束和输出光束角速度成正比
平场像平面，大扫描范围，低像差，低F-Theta畸变
M85×1安装外螺纹

LBTEK 高功率F-Theta场镜（High-power F-Theta Lens，HPFT）是一种高功率平场扫描透镜组，采用紫外熔融石英玻璃作为透镜基材，再由透镜组以特定的设计方案集成于机械外壳中组成。其聚焦光束的高度为f × θ（θ为输入光束的入射角），因此输入光束和输出光束的角速度直接成正比，使扫描反射镜能够以恒定的角速度运转。常用于对激光光束进行聚焦以获得高能量密度的聚焦光斑，提高激光加工的效率，同时将振镜对激光光束方向的改变转换成焦点在加工面上位置的改变，协同振镜实现像差校正，补偿系统的场曲和畸变。高功率F-Theta场镜在使用时能够提供平场像平面，同时能极大简化控制电路，具有高透过率、大扫描范围、低像差和低F-Theta畸变的特点，在激光加工方向有较大应用潜力。与LBTEK 另一款F-Theta场镜相比，高功率F-Theta场镜具有更高的损伤阈值，可在一些激光功率较大的场景中使用。LBTEK 现提供工作波长355 nm、532 nm、1064 nm的高功率F-Theta场镜标品，同时支持参数规格的灵活定制，以方便用户在不同应用场景下的多样化需求，详情请咨询LBTEK 技术支持。

示意图/演示视频

LBTEK 高功率F-Theta场镜——技术说明

一、概述

高功率F-Theta场镜在使用时能够提供平场像平面，同时能极大简化控制电路，具有高透过率、大扫描范围、低像差和低F-Theta畸变的特点，在激光加工方向有较大应用潜力。与LBTEK 另一款F-Theta场镜相比，高功率F-Theta场镜具有更高的损伤阈值，可在一些激光功率较大的场景中使用。

二、产品结构

LBTEK 高功率F-Theta场镜由全紫外熔融石英透镜组以特定设计方案集成于机械外壳中组成。机械外壳上标注有产品型号及关键参数，出射端带有保护窗口片，两端带有镜头保护盖。其安装螺纹规格为M85×1.0，搭配转接件，能够适用于市面上主流振镜系统，实现平场扫描功能。

图1 高功率F-Theta场镜产品结构图（以HPFT-532-10-164-127为例）

三、光学性能

LBTEK 高功率F-Theta场镜实现了输入激光光束的入射角度θ与平场像平面上聚焦光斑高度h之间的线性依赖，两者间的比例因子为焦距f，即h = f × θ，这也是“F-Theta”场镜名字的由来。

若聚焦光斑的高度h与θ的正切值成正比，平场像平面上光斑扫描的速度将随着角度的增大而增大，在激光加工场景下，作用于材料表面的能量将因速度的增大而降低，使加工的均匀性变差，通常要采用复杂的控制电路作为弥补。而 F-Theta 场镜入射角与聚焦光斑高度间的线性关系则针对此方面进行了优化，使得平场像平面即加工平面上的扫描光斑速度恒定，避免了加工一致性差的问题。

图2 高功率F-Theta场镜工作原理示意

四、参数说明

1. 焦距：

由F-Theta线性关系h = f × θ可知，聚焦光斑高度与F-Theta场镜的焦距成正比，如果要增大扫描范围，则可以使用焦距较大的场镜，但若想要保持相同的聚焦光斑尺寸，则必须同时增大入射光束尺寸。另外，当需要增大场镜和加工平面之间的距离时，通常也需要增大所选场镜的焦距。

2. 扫描区域：

通常用来衡量扫描区域大小的参数有扫描角度和扫描范围两项。扫描角度是F-Theta场镜扫描范围内在对角线方向和边长方向上的发散角度，如果光束入射角度大于扫描角度，则会导致光束被镜头机械结构所截止。扫描范围则为方形扫描区域在对角线方向和边长方向上的尺寸大小，受焦距f影响，若扫描区域边长为l，则：

3. 入射光束尺寸：

为了控制杂散光，并减小激光加工设备光学系统中光学元件的尺寸，通常将入射光束直径控制在最大允许入射光斑尺寸的1/e²处。

入射光斑尺寸越大，聚焦光斑尺寸越小，反之亦然。使用直径大于最大允许入射光斑尺寸的光束将导致光束被截止。

4. 聚焦光斑尺寸：

聚焦光斑的形状和大小，极大程度上取决于入射光束的尺寸，一般通过截断比T来描述。T等于入射光束直径d_L （1/e²处）除以通光孔径d_EP，若其比例低于0.5，则光束是不对称的。当入射光束直径d_L等于场镜的通光孔径d_EP时，则T = 1。估算透镜衍射极限的光斑大小时，还需要一个额外的切趾因子（APO），它与截断比T之间的关系如下图所示。

图3 切趾因子APO与截断比T关系图

由此，聚焦光斑尺寸d可参考下式计算得到：

其中，λ为工作波长，f为场镜焦距，M²为激光器光束质量参数。

5. 远心度：

是指边缘主光线经过场镜出射后偏离于光轴的角度，角度越小远心度越好，像越精确。场镜一般分为普通场镜和远心场镜，普通场镜远心度在4 °-17 °，远心场镜远心度在0 °-4 °。小远心度的场镜能够使得整个幅面内的聚焦光斑近乎垂直聚焦，使得精密激光加工应用中边缘和中间加工效果一致，光束作用锥角更小。

6. 损伤阈值：

激光诱导损伤阈值（LIDT）描述了不发生场镜损伤的极限激光强度（或通量），其主要取决于几个参数，如波长、脉冲持续时间等，并涉及不同的物理现象。对于连续激光和长脉冲激光（>10 ns），主要影响因素是材料内部能量的积累以及随之而来的熔化和蒸发；而对于超短脉冲激光（<10 ps），雪崩电离和库仑爆炸等非热过程是造成损害的主要原因。

LBTEK 高功率F-Theta场镜——应用案例

LBTEK 高功率F-Theta场镜是一种平场扫描透镜，可与振镜组合，实现聚焦光束在一维或二维上的线性移动，结合光路前端的光束整形器、扩束镜等模块，常用于激光加工设备中。常见的行业应用方向有微型电路板、太阳能电池板、芯片的切割和刻蚀，还可以应用于激光切割、雕刻、激光显示器、激光雷达、玻璃/半导体微结构加工、导弹跟踪瞄准等，同时也可应用于汽车、医疗等行业。

图1 高功率F-Theta场镜与匀化DOE、振镜结合应用光路示意

图2 高功率F-Theta场镜与分束DOE、振镜结合应用光路示意

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