ZnSe линзы для CO2 лазера: плоско-выпуклые vs вогнуто-выпуклые

Давным давно я покупал CO2 лазерный станок в Китае. В нем (среди других косяков) была откровенно бракованная линза, которую производитель был вынужден заменить, я тогда выбрал линзу на 102мм. Месяц назад проходя по ebay - внезапно увидел, что цены на 20мм ZnSe линзы упали уже до 15$, заказал более подходящую, с фокусным расстоянием 51мм. Когда она приехала - я был приятно удивлен качеством обработки краев и просветлением... Однако бросилось в глаза, что она - вогнуто-выпуклая, а не плоско-выпуклая (как это бывает обычно у фокусирующих линз для CO2 лазеров).

Тут слева - первая бракованная, справа - плоско-выпуклая, которую прислали на замену, и в центре - новая.

Есть ли практическая разница между плоско-выпуклой и вогнуто-выпуклой линзой для фокусирования излучения CO2 лазера? А заодно, какой стороной её нужно ставить? Попробуем разобраться...

Плоско-выпуклая, фокусное расстояние 51мм, диаметр пучка 20мм. Пятно примерно равно диску Эйри:


Выпукло-вогнутая. Диаметр пятна - в ~1.4 раза меньше. Если бы не дифракционный предел - плотность потока энергии была вдвое выше, но а так хорошо если +10+20% будет.


Если перевернуть линзу - все становится очень плохо из-за сферической аберрации. Т.е. правильное положение - выпуклой частью к лазеру:



Таким образом, плоско-выпуклая линза может дать минимальные преимущества перед плоско-выпуклой при диаметре луча 20мм для фокусного расстояния 51мм, и 10мм для 25.4мм. Получить такие диаметры можно расширителями пучка. При работе с обычными отпаянными CO2 трубками с диаметром пучка 3-5мм - никакой разницы не увидеть.

Размер пятна уменьшается и при работе с внеосевыми пучками (например, если XY зеркала немного недоюстированы) - опять примерно на 30%, но все равно система перестает быть дифракционно-ограниченной только при очень толстых пучках.

Резюме: При работе с толстыми пучками (20мм и толще для фокусного расстояния 51мм, 10мм и толще для фокусного расстояния 25.4мм) выпукло-вогнутая линза может обеспечить вдвое большую плотность потока энергии в пятне. Однако простые смертные с CO2 лазерами без расширителей пучка преимуществ от вогнуто-выпуклой линзы не увидят.

Фокусирующие линзы нужно ставить выпуклой стороной к лазеру. Впрочем, для 3-5мм пучка при желании можно ставить и "неправильно" - система все равно будет дифракционно ограниченной, изменится лишь фокусное расстояние на ~1.15мм.

PS. Это относится только к CO2 лазерам! Твердотельные/волоконные лазеры имеют в ~10 раз меньший диаметр диска Эйри, и соответственно там все выглядит совсем по другому.