多波长三光路同轴光学系统方案
多波长三光路同轴光学系统方案
1. 波长与光路分配
| 光路 | 波长 | 波段 | 用途 | 方向 |
|---|---|---|---|---|
| A · 激光发射 | 1064 nm（基频）/ 532 nm（二倍频）/ 355 nm（三倍频） | 近红外 / 可见 / 紫外 | 激光加工（切割/打标/微加工），聚焦到工件表面 | 发射（主轴正向） |
| B · OM 可见成像 | 650 nm | 可见红光 | 同轴显微镜观察加工区域、对准、过程监控 | 接收（工件→相机） |
| C · 红外成像 | 1300 nm | 短波红外 SWIR | 红外热像/主动红外照明成像，监测温度场与对准 | 接收（工件→相机） |
2. 同轴架构原理（光路总图）
3. 二色镜（DM）设计规格
两片二色镜均以 45° 入射角放置，沿主光轴级联。DMA 靠近激光器（上游），DMB 靠近物镜（下游）。返回观测光先经 DMB 分出 1300 nm，再经 DMA 分出 650 nm，互不串扰。
| 器件 | 位置 | 高透射波段 T（>97%） | 高反射波段 R（>97%） | 折转方向 | 备注 |
|---|---|---|---|---|---|
| DMA | 上游（靠激光器） | 355 / 532 / 1064 / 1300 nm | 650 nm | 650 nm 向下折转到 OM 相机 | 同时透射 1300 nm，保证红外光继续传至 DMB |
| DMB | 下游（靠物镜） | 355 / 532 / 1064 / 650 nm | 1300 nm | 1300 nm 向下折转到红外相机 | 同时透射 650 nm，保证可见光继续传至 DMA |
4. 各光路详细设计
4.1 激光发射光路（355 / 532 / 1064 nm）
来源：同一台三倍频固体激光器（Nd:YAG / Nd:YVO₄），基频 1064 nm 经二倍频得 532 nm、三倍频得 355 nm，机内合束后单口输出，三波长共线（或机外用 DM 合束）。
光程：激光器 → 扩束/准直镜组 → DM_A (T) → DM_B (T) → 聚焦物镜 → 工件表面焦斑。
关键要求：
三波长在 DMA、DMB 处透射率均 >97%（双片累计透过率 >94%）；
355 nm 紫外镀膜须满足高激光损伤阈值（LIDT），基底用紫外级熔石英（JGS1 / Corning 7980）；
三波长通常为线偏振，建议在 DM 前加 λ/4 波片或 λ/2 波片调整偏振态，减少 S/P 偏振差异引起的损耗与像移。
4.2 OM 可见成像光路（650 nm）
成像方向：工件反射（或照明激发）的 650 nm 光 → 聚焦物镜 → DM_B (T@650) → DM_A (R@650) 向下折转 → 中继镜组 → OM 相机靶面。
相机：彩色/单色 CMOS 或 CCD，靶面与工件表面经物镜 + 中继镜组形成共轭成像关系。
照明（同轴落射）：650 nm LED 经 DMA 折转支路侧的小分光镜（或偏振分束 PBS）耦合进主轴，经物镜照明工件；返回光同路折回相机。若追求低损耗，推荐 PBS + λ/4 波片的偏振分离方案（照明 P 透、返回 S 反），单程效率可提升至 ~90%。
4.3 红外成像光路（1300 nm）
成像方向：工件反射/辐射的 1300 nm 光 → 聚焦物镜 → DM_B (R@1300) 向下折转 → 中继镜组 → 红外相机靶面。
探测器：InGaAs SWIR 相机（响应 900~1700 nm，1300 nm 处量子效率高），适合主动红外照明成像与中低温热辐射探测。
照明（可选主动红外）：1300 nm LED/激光二极管经 DMB 折转支路侧耦合进主轴；或被动接收工件热辐射（1300 nm 对应约 700 °C 以上黑体辐射峰，适合高温加工区监测）。
注意：红外相机与 OM 相机的靶面位置需分别通过中继镜组调焦，使两者像面均与工件表面共轭（见第 7 节）。
5. 聚焦物镜设计要求
聚焦物镜是三光路共用的核心元件，须同时满足激光聚焦与两路成像，对宽波段（355~1300 nm）色差与透过率要求极高。
| 参数 | 要求 | 说明 |
|---|---|---|
| 工作波段 | 355 ~ 1300 nm（全程宽带） | 覆盖紫外→可见→近红外/短波红外 |
| 色差校正 | 355 / 532 / 1064 / 650 / 1300 nm 复消色差 | 普通透镜组难覆盖，建议反射式物镜 |
| 透过率 | 各波段 >90% | 355 nm 处玻璃透过率是瓶颈 |
| 焦距 | 按焦斑/视场需求选（典型 50~100 mm） | 激光聚焦与成像放大率折中 |
| 工作距 | 满足工件装卸与保护镜需求 | 预留保护玻璃位置 |
| 数值孔径 NA | 激光聚焦 NA 0.05~0.15；成像分辨率需匹配 | NA 过大景深小，对焦严格 |
6. 焦面共轭与光程匹配
同轴系统的关键在于三个光路在工件表面处共焦：
激光焦斑 = OM 像面 = IR 像面 = 工件表面
以激光焦斑（最小焦斑/最大功率密度）为基准，分别微调 OM、IR 中继镜组使两路像面重合于工件面。
三光路共用聚焦物镜，物镜像方焦面即工件面；
OM、IR 中继镜组各自把物镜像（工件面）二次成像到对应相机靶面，通过镜组位移实现独立调焦；
建议在 DMA、DMB 折转支路设置可调焦的中继镜座（精密位移台），便于装配与现场维护对准；
由于三路波长不同，若用透射式物镜则色差会导致不同波长焦面分离（355 与 1300 nm 焦面可能差数十微米至毫米级），这正是强烈推荐反射式物镜的原因。
7. 关键器件清单
| 序号 | 器件 | 规格要点 | 数量 |
|---|---|---|---|
| 1 | 三波长激光器 | Nd:YAG 三倍频，1064/532/355 nm 共线输出 | 1 |
| 2 | 扩束/准直镜组 | 紫外级熔石英，适配三波长 | 1 套 |
| 3 | 二色镜 DMA | 45°，T(355/532/1064/1300) / R(650)，UV 增透，基底熔石英 | 1 |
| 4 | 二色镜 DMB | 45°，T(355/532/1064/650) / R(1300)，SWIR 增透 | 1 |
| 5 | 聚焦物镜 | 反射式（推荐）或紫外复消色差透射式，355~1300 nm | 1 |
| 6 | OM 中继镜组 | 可见波段，可调焦，成像 650 nm | 1 套 |
| 7 | OM 相机 | CMOS/CCD，650 nm 高灵敏 | 1 |
| 8 | 650 nm 照明 LED + 耦合分光 | 同轴落射照明，PBS 方案可选 | 1 套 |
| 9 | IR 中继镜组 | SWIR 镜片，可调焦，成像 1300 nm | 1 套 |
| 10 | 红外相机 | InGaAs SWIR，900~1700 nm | 1 |
| 11 | 偏振波片（λ/4、λ/2） | 调整激光偏振态，降低 DM 偏振损耗 | 若干 |
| 12 | 保护玻璃 + 气帘 | 物镜前保护，防烟尘污染 | 1 套 |
8. 设计考量与建议
8.1 紫外 355 nm 的特殊处理
355 nm 易损伤普通膜层与胶合剂，所有 355 nm 通光元件禁用胶合件，采用光胶或机械装配；
基底须用紫外级熔石英（JGS1）或 CaF₂，避免普通 BK7 在 355 nm 的吸收与荧光；
镀膜 LIDT 须按实际脉冲参数（能量密度、重频、脉宽）单独考核。
8.2 二色镜偏振敏感性
45° 入射时 S/P 偏振的透反曲线分离明显，激光若为线偏振，方向不同则透过率/折转效率变化；
建议在 DM 前用 λ/2 波片将偏振调至膜层设计偏振态，或选用偏振不敏感宽带膜（代价是单波段效率略降）。
8.3 三波长焦斑一致性
即便用反射式物镜，三波长（355/532/1064）聚焦仍可能因衍射极限与物镜像差存在微小焦面差；
若三波长用于不同工艺（如 355 精微加工、1064 深加工），可接受各自独立微调焦，或在光路中加色差补偿片统一焦面。
8.4 杂散光与背景抑制
加工过程等离子体/背景光强，OM 与 IR 支路建议加窄带滤光片（650±10 nm、1300±20 nm）抑制背景；
DM 镜片须有足够隔离度（OD>3 @ 截止带），防止激光串入相机损伤传感器。
8.5 装配与对准
DMA、DMB 用五维调整架固定，先以可见引导光（如 650 nm）调主轴共轴，再切激光校焦斑；
建议在工件位放置十字分划板或 CCD 对准靶，分别确认 OM、IR、激光三路在工件面重合。
弗为科技成熟的解决方案：
应用场景：医疗行业、医院切片分析、半导体行业晶片分析、制样分析、LCD、TFT检验修复等
