CO2-Laseroptik an vorderster Front: Grenzen überschreiten mit CO2-Laserlinsen und CO2-Laserspiegeln

Autor: Bryan Ng – Marketingmanager

Kohlendioxidlaser (CO₂ _{- Laser) haben sich in zahlreichen Branchen, darunter} Laserbearbeitung , Medizin und Forschung , zu einer Schlüsseltechnologie entwickelt . Diese Laser emittieren einen Infrarotlichtstrahl mit einer Wellenlänge von 9.6 oder 10.6 µm und können dadurch mit einer Vielzahl von Materialien interagieren. Der erfolgreiche Einsatz von CO₂-Lasern hängt jedoch _maßgeblich von der Qualität der CO₂ _- Laseroptik ab.

1. Die Bedeutung von CO₂ Laseroptik in CO₂ Laser Systems

Die Optik von CO₂ _- Lasern spielt eine entscheidende Rolle bei der Strahlführung, -steuerung und -fokussierung und beeinflusst somit maßgeblich die Präzision, Effizienz und Gesamtleistung des Lasers. Die spezifischen optischen Komponenten eines CO₂ _- Lasersystems hängen von der jeweiligen Anwendung ab. Beispielsweise verwendet ein Laserschneidsystem typischerweise eine sphärische Linse , um den Strahl auf das Werkstück zu fokussieren, während ein Graviersystem einen Strahlaufweiter zur Strahlaufweitung einsetzen kann.

Die am häufigsten in CO₂-Laseroptiken verwendeten optischen Materialien _sind Zinkselenid (ZnSe) und Germanium (Ge). Diese Materialien sind für Infrarotlicht transparent und weisen eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf, wodurch die vom Laserstrahl erzeugte Wärme abgeführt wird. Die spezifischen optischen Komponenten eines CO₂- _Lasers hängen von der jeweiligen Anwendung ab.

Die Qualität der optischen Komponenten eines CO₂ _- Lasersystems hat einen signifikanten Einfluss auf die Laserleistung. Hochwertige optische Komponenten gewährleisten eine präzise Übertragung und Fokussierung des Laserstrahls, was zu besseren Ergebnissen beim Schneiden, Schweißen und Gravieren führt.

2. Bestandteile von CO₂ Laseroptik

Die Optik von CO₂ _- Lasern umfasst eine Vielzahl von Komponenten, die die Manipulation und Steuerung des Laserstrahls ermöglichen. Zu den Hauptkomponenten gehören CO₂ _- Laserspiegel , Linsen , Fenster , Strahlteiler und Abschwächer , die jeweils eine entscheidende Rolle bei der Optimierung der Lasereigenschaften spielen.

2.1 CO₂ Laserspiegel

CO₂ _- Laserspiegel sind integraler Bestandteil der Strahlführung und -steuerung in einem CO₂ _- Lasersystem. Sie reflektieren den Laserstrahl und sorgen für dessen Ausrichtung. Reflektierende CO₂- _Laserspiegel müssen geringe Reflexionsverluste, eine hohe optische Qualität und eine gute Beständigkeit gegenüber extremer Lichtintensität aufweisen.

Durchmessertoleranz: + 0 / -0.13 mm
Dickentoleranz: ± 0.25mm
Parallelität: ≤3 Bogenminuten
Klare Blende: 90%
Oberflächenebenheit: λ/4 pro 1” Durchmesser bei 632.8 nm
Oberflächenqualität: 40-20 SD
Einfallswinkel: 45 °C.

Tabelle 1: Wavelength Opto-Electronic CO₂ Laserspiegel

Die Optik eines CO₂ _- Laserresonators besteht aus einem Rückspiegel und einem Vorderspiegel (auch Auskoppler oder Teilreflektor genannt). Rückspiegel, typischerweise aus ZnSe, mit sehr hoher Reflektivität (>99.7 %), sind zentrale optische Komponenten in Laserresonatoren. Auskoppler sind teilreflektierende Spiegel, die einen Teil des Laserstrahls aus dem Resonator auskoppeln. Sie benötigen oft einen kleinen Keil, um Interferenzen durch Mehrfachreflexionen im Inneren zu vermeiden. Hochwertige CO₂ _- Laserspiegel minimieren Verluste und gewährleisten eine effiziente Strahlführung.

Durchmessertoleranz: + 0 / -0.13 mm
Dickentoleranz: ± 0.25mm
Konzentration: <3 Bogenmin
Klare Blende: 90%
Oberflächenqualität: 40-20 SD
Einfallswinkel: 0 °C.
Deckel: 5.1 MW/cm² @ 10.6 µm

Tabelle 2: Wavelength Opto-Electronic Hohlraumoptik

2.2 CO₂ Laserlinsen

CO₂ _- Laserlinsen dienen der Formung und Fokussierung des Laserstrahls. Sie bestehen typischerweise aus ZnSe und können konvex oder konkav sein, wobei ihre Brennweite den Fokuspunkt des Strahls bestimmt. Plankonvexe Linsen haben eine positive Brennweite und werden verwendet, um einen kollimierten Strahl auf einen kleinen Punkt zu fokussieren. Plankonkave Linsen haben eine negative Brennweite und werden für divergierende kollimierte Strahlen eingesetzt. Die gekrümmten Oberflächen dieser Linsen sollten zur Lichtquelle gerichtet sein, um sphärische Aberrationen zu minimieren.

Durchmessertoleranz: + 0 / -0.13 mm
Dickentoleranz: ± 0.25mm
Brennweite Toleranz: ± 2%
Kantendickenvariation (ETV): ≤3 Bogen min.
Klare Blende: 90%
Oberflächenebenheit: λ/4 pro 1″ Dia@632.8nm
Oberflächenqualität: 40-20 S-DAR
Beschichtung: R<0.2% pro Oberfläche @10.6μm

Konvex-Konkav-Linsen mit positivem Meniskus sind Sammellinsen, die in der Mitte dicker und an den Rändern dünner sind und reelle Bilder erzeugen. Der Krümmungsradius der konkaven Seite ist größer als der der konvexen Seite. Die konvexe Seite der Linse sollte zur Lichtquelle gerichtet sein, um die sphärische Aberration zu minimieren. Sie ist so konstruiert, dass sie die sphärische Aberration minimiert und einen minimalen Brennfleck für einfallendes, kollimiertes Licht erzeugt. CO₂- _Laserlinsen sind unerlässlich für Anwendungen wie Schneiden, Gravieren und Schweißen, bei denen die präzise Kontrolle von Strahlform und -intensität entscheidend ist.

Tabelle 3: Wavelength Opto-Electronic Sphärische ZnSe-Linsen

2.2.1 Asphärische ZnSe-Linsen

Durchmessertoleranz: + 0 / -0.13 mm
Dickentoleranz: ± 0.25mm
Brennweite Toleranz: ± 2%
Kantendickenvariation (ETV): ≤ 3 Bogenminuten
Klare Blende: 90%
Asphärische Genauigkeit: ≤1µm PV
Oberflächenqualität: 40 / 20 60 / 40
AR-Beschichtung: R<0.2% pro Oberfläche @ 1030-1090nm
Material: Quarzglas, Suprasil 313, Corning 7980, Si, Ge, ZnS, ZnSe, Chalkogenide
Beschichtung: Verfügbare Optionen

CO₂ _- Laserlinsen sind auch in anderen Formen erhältlich, beispielsweise als asphärische, sphärische, zylindrische und axikonische Linsen. Im Vergleich zu herkömmlichen sphärischen ZnSe-Linsen besteht der größte Vorteil asphärischer ZnSe-Linsen in ihrer Fähigkeit zur Korrektur sphärischer Aberrationen. Asphärische Linsen ermöglichen es dem Entwickler, die Aberration mit weniger optischen Linsen zu korrigieren, wodurch das optische System kostengünstiger und kompakter gestaltet werden kann.

Tabelle 4: Wavelength Opto-Electronic Asphärische ZnSe-Linsen

2.2.2 Zylinderlinsen aus ZnSe

Maßtoleranz: + 0 / -0.13 mm
Dickentoleranz: ± 0.25mm
Brennweite Toleranz: ± 2%
Kantendickenvariation (ETV): ≤3 Bogen min.
Klare Blende: 90%
Oberflächenebenheit: λ/4 pro 1″Dia@632.8nm
Oberflächenqualität: 60-40 S-DAR
Beschichtung: R<0.2% pro Oberfläche @10.6μm

ZnSe-Zylinderlinsen bündeln einen einfallenden Strahl auf einer Brennlinie anstatt auf einem Brennpunkt. Sie sind mit positiven und negativen Brennweiten erhältlich. Es handelt sich um runde oder rechteckige Objekte mit zylindrischen Oberflächen, die entweder plankonkav oder plankonvex sind. Im Gegensatz zu sphärischen Linsen fokussieren sie den Strahl auf einer Brennlinie anstatt auf einem Brennpunkt.

Tabelle 5: Wavelength Opto-Electronic Zylinderlinsen aus ZnSe

2.2.3 ZnSe-Axicon-Linsen

ZnSe-Axikon-Fokussierlinsen besitzen eine konische Oberfläche und erzeugen einen ringförmigen Fokusstrahl. Typischerweise verfügen Axikon-Fokussierlinsen über eine zweite, ebene Oberfläche und werden in Kombination mit einer sphärischen Linse verwendet. Ihre Herstellung erfolgt in einem Verfahren, das auf den Axikonwinkel und die erforderliche Genauigkeit abgestimmt ist. Für Linsen mit kleinem Winkel und hoher Genauigkeit kommt die Diamantbearbeitung zum Einsatz.

Axicon-Standardlinse – Axicon-Kegelwinkel gleich 180°-2α

(+/-0.01 Grad): α (°)
Konuswinkel 140°: 20 °C.
Konuswinkel 160°: 10 °C.
Konuswinkel 165°: 7.5 °C.
Konuswinkel 170°: 5 °C.
Konuswinkel 175°: 2.5 °C.
Konuswinkel 179.5°: 0.25° = 15′

Tabelle 6: Wavelength Opto-Electronic ZnSe-Axicon-Linsen

2.2.4 Medizinische Laserlinsen

Es gibt außerdem eine weitere Reihe von CO₂ _- Laserlinsen, die in verschiedenen medizinischen Lasersystemen wie CO₂- _, gütegeschalteten Nd:YAG-, ER:YAG-, Rubin- und Alex-Lasersystemen eingesetzt werden. Diese Optiken werden in den meisten bekannten medizinischen Systemen, beispielsweise von Continuum-Biomedical, ESC, Sharplan, Candela und Coherent, als Ersatzteile verwendet.

Durchmessertoleranz: + 0 / -0.13 mm
Dickentoleranz: ± 0.25mm
Brennweite Toleranz: ± 2%
Kantendickenvariation (ETV): <=3 Bogenmin.
Klare Blende: 90%
Oberflächenebenheit: λ/4 pro 1″Durchmesser @632.8nm
Oberflächenqualität: 40-20 S-DAR
Beschichtung: R<0.2% pro Oberfläche

Tabelle 7: Wavelength Opto-Electronic Medizinische ZnSe-Laserlinsen für Er:YAG

2.3 CO₂ Laserfenster

CO₂ _- Laserfenster sind typischerweise flache, transparente Platten aus Materialien mit hervorragenden optischen Eigenschaften. Sie dienen als Schutzbarriere zwischen dem Lasersystem und der Umgebung. Sie sind so konstruiert, dass sie Licht mit minimaler Verzerrung, Streuung und Absorption übertragen. Typischerweise bestehen CO₂- _Laserfenster aus Materialien mit geringer Absorption bei der CO₂ _- Laserwellenlänge, wie beispielsweise ZnSe oder Ge.

Maßtoleranz: + 0 / -0.13 mm
Dickentoleranz: ± 0.25mm
Parallelität: ≤3 Bogen min.
Klare Blende: 90%
Oberflächenebenheit: λ/4 pro 1″Dia@632.8nm
Oberflächenqualität: 60-40 S-DAR
Beschichtung: R<0.2% pro Oberfläche @10.6μm
Einfallswinkel: Brewster-Winkel bei 10.6 μm

ZnSe-Laserfenster werden häufig in Hochleistungs-CO₂-Lasersystemen eingesetzt _. Sie sind beschichtet oder unbeschichtet erhältlich und in einer Vielzahl von Formen und Größen verfügbar. Ge-Laserfenster trennen unterschiedliche physikalische Umgebungen und lassen gleichzeitig Licht durch.

Tabelle 8: Wavelength Opto-Electronic ZnSe-Laserfenster

2.3.1 ZnSe-Dünnschichtpolarisatoren

Dünnschichtpolarisatoren werden verwendet, um einen Laserstrahl mit S- und P-Polarisation in zwei Teile aufzuteilen. Mittlerweile lassen sich mit ihnen auch zwei Strahlen mit S- und P-Polarisation kombinieren. Sie bestehen aus einer beschichteten Platte, die im Brewster-Winkel zum einfallenden Strahl ausgerichtet ist. Die Dünnfilmbeschichtung ist in der Lage, das Reflexionsvermögen der s-polarisierten Komponente des Strahls zu verbessern und eine hohe Transmission der p-polarisierten Komponente aufrechtzuerhalten.

Material: ZnSe
Oberflächenebenheit: λ/4 pro 1″Dia@632.8nm
Oberflächenqualität: 40-20 SD
Beschichtung: Tp =97 %+/-0.5 % bei 10.6 um | Rs =97 %+/-0.5 % bei 10.6 μm
Einfallswinkel: 67.3˚ (Brüherwinkel bei 10.6 μm)

Tabelle 9: Wavelength Opto-Electronic ZnSe-Dünnschichtpolarisatoren

2.4 CO₂ Dichroitische Spiegel

CO ₂ Dichroitische Spiegel, die typischerweise aus Strahlkombinatoren und Strahlteilern bestehen, sind ZnSe-Filter, die selektiv einen bestimmten Wellenlängenbereich des Lichts durchlassen, während sie eine andere Wellenlänge aufgrund der Eigenschaften ihrer Beschichtungsschichten reflektieren.

2.4.1 ZnSe-Strahlkombinatoren

Durchmessertoleranz: + 0 / -0.13 mm
Dicke: ± 0.25mm
Oberflächenebenheit: λ/4 pro 1″Dia@632.8nm
Oberflächenqualität: 40-20 SD
AOI: 45 °C.

ZnSe-Strahlkombinatoren vereinen zwei oder mehr Laserstrahlen zu einem einzigen Strahl und werden zur Ausrichtung von CO₂-Lasersystemen eingesetzt _. Sie transmittieren üblicherweise einen langwelligen Strahl und reflektieren einen kurzwelligen Strahl, während umgekehrte Strahlkombinatoren einen kurzwelligen Strahl transmittieren und einen langwelligen Strahl reflektieren. CO₂- _{Strahlkombinatoren} sind für einen Einfallswinkel von 45° ausgelegt und transmittieren einen Laserstrahl, der mit dem um 90° reflektierten sichtbaren Ausrichtungsstrahl kombiniert wird.

Tabelle 10: Wavelength Opto-Electronic ZnSe-Strahlkombinierer

2.4.2 ZnSe-Strahlteiler

Durchmessertoleranz: + 0 / -0.13 mm
Dicke: ± 0.25mm
Oberflächenebenheit: λ/4 pro 1'' Dia@632.8nm
Oberflächenqualität: 60-40 SD

Im Gegensatz zu Strahlkombinatoren werden ZnSe-Strahlteiler eingesetzt, um den Laserstrahl in mehrere Pfade aufzuteilen und so die gleichzeitige Bearbeitung oder Überwachung zu ermöglichen. Sie können auch einen Teil des Strahls zu Ausrichtungs- oder Kalibrierungszwecken umlenken. ZnSe-Strahlteiler sind häufig beschichtet, um ein bestimmtes Reflexions- oder Transmissionsverhältnis bei der CO₂- _{Laserwellenlänge} zu erzielen.

Die Übertragung und Reflexion des Lichts hängt von verschiedenen Parametern wie dem Einfallswinkel, dem Polarisationszustand und der Wellenlänge des Eingangsstrahls ab. Bei einem Einfallswinkel von 45° gibt es einen erheblichen Unterschied in den Transmissions- und Reflexionswerten der s- und p-Polarisation, weshalb die ZnSe-Strahlteiler für diesen Winkel ausgelegt sind.

Tabelle 11: Wavelength Opto-Electronic ZnSe-Strahlteiler

2.5 Laserabschwächer

Laserabschwächer werden eingesetzt, um die Laserleistung durch Reduzierung ihrer Intensität zu steuern. Sie sind nützlich bei der Feinabstimmung der dem Werkstück zugeführten Energie, insbesondere bei Anwendungen, bei denen übermäßige Leistung unerwünschte Auswirkungen haben kann. Laserabschwächer nutzen Filter oder variable Mechanismen, um die gewünschte Leistungsanpassung zu erreichen.

Wellenlänge: 355/532 / 1064nm
Typ: Übertragungsmodus
Klare Blende: 14 mm
Strahlverschiebung: 0.5 mm
Aussterbeverhältnis: > 200: 1
Dämpfungsbereich: 0.5%-95%
Schadensschwelle: >5J/cm²@1064nm, 20ns, 20Hz
Gewicht: <300g

Art.-Nr.: ATTN-10600-WC-V1
Wellenlänge: 10.6μm
Klare Blende: Bis zu 19 mm (anpassbar)
Übertragungsbereich: 10 - 90%
Schadensschwelle: 1 MW/cm^²
Auflösung: 5%

Tabelle 12: Wavelength Opto-Electronic Laserabschwächer

3. CO₂ Laseroptikanwendungen

Die Bedeutung von CO₂-Laseroptiken liegt in ihrer Fähigkeit, die Strahlqualität zu optimieren, Strahlparameter zu steuern und die Gesamtleistung des Systems zu verbessern. Hochwertige Optiken gewährleisten minimale Verluste, reduzierte Strahldivergenz und verbesserte Fokussierbarkeit, was letztendlich zu höherer Prozesseffizienz, reduzierten Ausfallzeiten und einer höheren Ausgabequalität führt. CO₂- _Laseroptiken finden aufgrund ihrer Fähigkeit, Hochleistungslaserstrahlen mit exzellenter Präzision zu erzeugen, in einer Vielzahl von Anwendungen breite Verwendung. Zu den wichtigsten Anwendungen gehören:

3.1 Materialverarbeitung

CO₂ _- Laser werden häufig zum Schneiden, Gravieren, Markieren und Schweißen verschiedenster Materialien wie Metalle, Kunststoffe, Holz und Keramik eingesetzt. Hochwertige Optiken gewährleisten präzise Fokussierung, Strahlformkontrolle und gesteigerte Prozesseffizienz.

3.2 Medical

CO₂ _- Laser werden aufgrund ihrer präzisen Gewebeabtragungsfähigkeit in der Chirurgie, Dermatologie und Ophthalmologie eingesetzt. Optische Systeme ermöglichen es Chirurgen, die Laserenergie für Eingriffe wie Hauterneuerung, Tumorentfernung und Augenchirurgie hochpräzise zu dosieren.

3.3 Wissenschaftliche Forschung

CO₂ _- Laser sind unverzichtbare Werkzeuge in der wissenschaftlichen Forschung, insbesondere in Bereichen wie Spektroskopie, Atmosphärenüberwachung und Teilchenbeschleunigung. Optische Systeme ermöglichen eine präzise Strahlsteuerung, -ausrichtung und -manipulation und erleichtern so die genaue Datenerfassung und -analyse.

4. Fazit

Optiken für CO₂ _- Laser sind unverzichtbare Komponenten, um das volle Potenzial von CO₂-Lasersystemen in verschiedenen Branchen auszuschöpfen _. Durch die sorgfältige Auswahl und den Einsatz von Spiegeln, Linsen, Fenstern, Strahlteilern und Abschwächern ermöglichen diese Optiken die präzise Steuerung, Manipulation und Bereitstellung von Hochleistungslaserstrahlen. Mit dem technologischen Fortschritt werden weitere Verbesserungen in der CO₂- _Laseroptik erwartet, die neue Möglichkeiten für höhere Präzision, Effizienz und Innovation in vielfältigen Anwendungen eröffnen.

Insgesamt CO₂ Laseroptiken sind eine kritische Komponente von CO₂ Laser. Sie spielen eine entscheidende Rolle bei der Übertragung und Fokussierung des Laserstrahls, was letztendlich die Leistung des Lasers bestimmt. Bei richtiger Pflege und Wartung kann CO₂ Laseroptiken können jahrelang zuverlässige Dienste leisten. Wavelength Opto-Electronic Entwerfen und fertigen Sie verschiedene CO₂ Laseroptiken wie CO₂ Laserlinsen und CO₂ Laserspiegel für Ihr CO₂ Lasersysteme.