Le lenti

Cosa sono le lenti?

Le lenti sono componenti ottici attraversati da raggi luminosi. Grazie alla rifrazione, i raggi vengono deviati dal loro percorso originale, per formare un nuovo percorso.

Geometria delle lenti spesse

Tutte le lenti, ed in particolare quelle utilizzate con i fasci laser, devono avere un assorbimento ridottissimo. Questo perché sono in genere fatte di materiali a bassa conducibilità termica e quindi tendono a non dissipare il calore sviluppato per l’assorbimento della luce laser. Questo può portare ad una deformazione della lente, cambiandone le prestazioni ottiche, e, nei casi più gravi, alla sua rottura.

Con i laser a guida d’onda, λ = 1.06 μm si utilizza il quarzo (fused silica), mentre per i laser a CO2 , λ = 10.6 μm, si utilizza il Seleniuro di Zinco (ZnSe), che consente anche il passaggio della luce guida, λ = 0.633 μm.

Assorbimento ZnSe vs spessore

A 5 mm, spessore tipico di una lente, l’assorbimento dello ZnSe è pari a 0.2 ‰ Ciò significa un assorbimento di 0.2 W ogni 1000 W di potenza trasmessa.

Assorbimento fused silica vs spessore

A 5 mm, spessore tipico di una lente, l’assorbimento dello ZnSe è pari a 0.0005 ‰ Ciò significa un assorbimento di 0.5 mW ogni 1000 W di potenza trasmessa.

Riflessione e Trattamento Antiriflesso

Quando la luce attraversa l’interfaccia tra due mezzi di diverso indice di rifrazione, come nel caso di una lente, si ha una riflessione da parte delle interfacce di parte della luce incidente. Nel caso delle lenti, questa riflessione R vale:

R = [(nl 1)/(nl + 1)]2

Dove nl è l’indice di rifrazione del materiale della lente e 1 è l’indice di rifrazione dell’aria.

Per le lenti da CO2 realizzate in ZnSe nl vale 2,403 da cui si R = ≈ 17% per superficie, con una riflessione totale pari a circa il 30%.

Per le lenti da laser a fibra, realizzate in fused silica, nl = 1.5 da cui R ≈ 4% per superficie, con una riflessione totale pari a circa 7,8%

Per eliminare la riflessione dalle interfacce, si deposita uno strato dielettrico sulle superfici. Questo strato deve obbedire a due condizioni:

1) Deve avere una spessore pari a λ/4
2) Deve avere un indice di rifrazione pari a √ nl

Un tale strato porta la riflessione praticamente a zero.

Riduzione delle Aberrazioni

Tutte le lenti che si utilizzano con i fasci laser presentano delle distorsioni rispetto al comportamento ideale. La responsabile di queste distorsioni è principalmente l’aberrazione di sfericità.

Tutte le lenti che si utilizzano con i fasci laser presentano delle distorsioni rispetto al comportamento ideale. La responsabile di queste distorsioni è principalmente l’aberrazione di sfericità.

Nel caso delle lenti che focalizzano il fascio laser, la piano convessa è la tipologia che minimizza questa aberrazione, e la correzione risulta tanto maggiore quanto più è alto il rapporto tra la focale della lente ed il diametro del fascio laser. Tale aberrazione è già trascurabile con un rapporto focale/diametro del fascio maggiore di 5.

Purtroppo il diametro dello spot nel piano focale è direttamente proporzionale alla focale ed inversamente al diametro. Aumentare troppo la focale significa avere uno spot grande e quindi un riduzione della densità di energia nel piano focale.

Tipologie di lenti semplici

Lenti a campo piano

Nell’uso con le scansioni il fascio cambia l’angolo di incidenza sulla lente e questo comporta una diversa focalizzazione nei vari punti del piano di lavoro. Le lenti a campo piano superano questo problema.

Lente sferica: una lente sferica mette fuoco su una superficie sferica quando si varia l’angolo di incidenza.

Lente a campo piano: una lente a campo piano, detta anche F-Theta lens, focalizza sempre su un piano al variare dell’angolo di incidenza.

Caratterizzazione delle lenti

Per caratterizzare una lente occorre definire i seguenti parametri:

• Materiale del substrato
• Diametro
• Spessore (al bordo)
• Lunghezza focale
• Tipologia; piano convessa, biconvessa ecc. ecc.
• Lunghezza d’onda della radiazione incidente
• Coating AR/AR ( specificare la lunghezza d’onda: 10.6 μm per il CO2; 1,060 μm per il laser a fibra
• Massima densità di energia incidente

Non è necessario specificare la polarizzazione in quanto le lenti vengono normalmente utilizzate ad incidenza normale

Tolleranze tipiche per le lenti

Parametri di qualità delle lavorazioni ottiche

Surface figure: Tiene conto dello scostamento della superficie della lente dal raggio teorico. Viene generalmente misurata alla lunghezza d’onda di 0,630 0,630 μm, luce rossa, per le ottiche per il laser a CO2. Ogni frangia corrisponde uno scostamento pari a 1⁄2 lunghezza d’onda di 0,630 μm.

Scratch – Dig: Questo parametro è rappresentato da una coppia di numeri, per esempio 20/10, Il primo numero riporta la larghezza massima, espressa in micron di eventuali graffi presenti sulla superficie ottica.
Il secondo il diametro massimo, espresso in centesimi di millimetro di eventuali crateri presenti sulla superficie ottica.
Un valore di Scratch – Dig di 20/10 significa che gli eventuali graffi presenti sulle superfici ottiche hanno una larghezza non superiore a 20 μm, e che gli eventuali crateri presenti hanno un diametro inferiore a 0,1 mm (10/100 mm).