Laseroptik
Laseroptik är en central del av industriella lasersystem och har stor betydelse för hur laserstrålen transporteras, formas, fokuseras och slutligen används i processen. Optiken måste vara anpassad till bland annat laserns våglängd, effekt, pulsregim, strålkvalitet och applikation.
LMI AB erbjuder laseroptik för olika lasertyper och industriella processer – från fokuserings- och kollimeringsoptik till speglar, skyddsglas och specialoptik. Vi hjälper även till att identifiera rätt optiska komponenter för både nya och befintliga lasersystem.
Vad är laseroptik?
Laseroptik är ett samlingsbegrepp för de optiska komponenter som används för att transportera, styra, forma, fokusera eller reflektera en laserstråle.
Till skillnad från vanlig optik måste laseroptik ofta hantera mycket höga effekttätheter samtidigt som strålens egenskaper ska bibehållas med hög precision. Även mycket små optiska förluster kan få stor betydelse i ett lasersystem med hög effekt.
Det finns därför ingen universell laseroptik som fungerar för alla lasersystem. Optiken måste väljas utifrån bland annat:
- laserns våglängd
- lasereffekt eller pulsenergi
- CW- eller pulsad laser
- pulslängd och repetitionsfrekvens
- stråldiameter och strålkvalitet
- optiskt material
- coating
- optikens funktion
- process och omgivande miljö.
En komponent som fungerar utmärkt vid en viss våglängd och effekt kan vara helt olämplig i ett annat lasersystem.
Hur fungerar laseroptik?
Laserstrålen passerar normalt genom flera optiska funktioner på vägen från laserkällan till arbetsstycket. Den exakta uppbyggnaden varierar mellan olika lasersystem, men en förenklad optisk kedja kan beskrivas som:
Laserkälla → stråltransport → kollimering → strålstyrning → fokusering → process
I fiberlasersystem transporteras laserstrålen ofta från laserkällan genom en optisk fiber till ett bearbetningshuvud. Där kollimeras strålen innan den fokuseras mot arbetsstycket.
I andra system kan strålen transporteras i en fri strålgång med hjälp av speglar och annan optik. Detta är exempelvis vanligt i traditionella CO₂-lasersystem.
Oavsett konstruktion är uppgiften densamma: laserenergin ska nå processen med rätt stråldiameter, fokus, effekttäthet och strålkvalitet.
Från kollimerad stråle till fokuspunkt
Fokuseringen är en av laseroptikens viktigaste funktioner. En kollimerad laserstråle leds genom en fokuseringslins eller motsvarande optiskt system och koncentreras till ett betydligt mindre område.
När samma lasereffekt koncentreras till en mindre yta ökar effekttätheten kraftigt. Det är detta som gör det möjligt att exempelvis smälta, förånga, skära, svetsa, märka eller ablatera material.
Fokuseringsoptikens brännvidd påverkar bland annat:
- fokuspunktens storlek
- arbetsavståndet
- effekttätheten
- fokuseringsvinkeln
- området kring fokus där strålen fortfarande har användbara egenskaper.
En kortare brännvidd kan generellt ge en mindre fokuspunkt men också kortare arbetsavstånd och mindre tolerans för variationer i arbetsstyckets position. En längre brännvidd ger andra egenskaper och kan vara lämpligare när större arbetsavstånd krävs.
Rätt fokuseringsoptik är därför alltid en avvägning mellan processens olika krav.
Strålkvalitet, BPP och M²
Laserstrålens kvalitet påverkar hur väl den kan fokuseras.
Två laserstrålar med samma effekt behöver inte kunna fokuseras till samma spotstorlek. Strålkvaliteten beskrivs bland annat med parametrar som Beam Parameter Product (BPP) och M².
En laserstråle med god strålkvalitet kan normalt fokuseras till en mindre spot eller bibehålla en liten stråldiameter över ett längre avstånd än en stråle med sämre strålkvalitet.
Optiken kan inte förbättra den grundläggande strålkvalitet som laserkällan levererar. Däremot kan felaktigt dimensionerad, skadad eller förorenad optik försämra strålens egenskaper och därmed processresultatet.
Det innebär att laserkälla, strålkvalitet och optik måste betraktas som delar av samma optiska system.
Olika lasertyper ställer olika krav på optiken
Industriella lasersystem arbetar inom ett stort våglängdsområde och med mycket olika effekter och pulsregimer. Det påverkar vilka optiska material och coatings som kan användas.
| Lasertyp / område | Exempel på våglängd | Exempel på optiska krav |
| Ytterbiumfiberlaser | omkring 1 µm, ofta cirka 1070 nm | Låg absorption, hög effekttålighet och coating anpassad till våglängden |
| Nd:YAG | vanligtvis 1064 nm, även harmoniska våglängder | Material och coatings anpassade till respektive våglängd |
| Grön laser | exempelvis 532 nm | Våglängdsanpassade material och coatings |
| UV-laser | exempelvis 355 eller 266 nm | UV-kompatibla material, coatings och hög ytkvalitet |
| CO₂-laser | vanligen omkring 10,6 µm | Särskilda IR-material, speglar och coatings |
| Piko- och femtosekundlaser | varierande våglängder | Hög skadetröskel samt kontroll av bland annat dispersion och spektral bandbredd |
Piko- och femtosekundlaser beskriver egentligen pulsens varaktighet och inte laserns våglängd. Ultrakorta pulslasrar kan därför förekomma inom flera olika våglängdsområden.
Olika typer av laseroptik
Fokuseringsoptik
Fokuseringslinser koncentrerar laserstrålen till den spotstorlek och effekttäthet som processen kräver.
Brännvidd, stråldiameter, strålkvalitet och optisk konstruktion påverkar tillsammans hur laserstrålen fokuseras. Fokuseringsoptik används i praktiskt taget alla typer av industriell laserbearbetning, exempelvis laserskärning, lasersvetsning, lasermärkning, laserrengöring och mikrobearbetning.
Kollimeringsoptik
Kollimeringsoptik används för att omvandla en divergerande laserstråle till en i huvudsak parallell stråle.
I många fiberlasersystem lämnar laserstrålen processfibern och passerar därefter genom en kollimeringsoptik innan den leds vidare till fokuseringsoptiken.
Förhållandet mellan kollimerings- och fokuseringsoptikens brännvidder påverkar bland annat strålens förstoring och den slutliga fokuspunktens egenskaper.
Speglar
Speglar används för att styra och ibland forma laserstrålen genom systemet.
Till skillnad från vanliga speglar måste laserspeglar vara konstruerade för den aktuella våglängden och kunna hantera den aktuella lasereffekten eller pulsenergin med mycket små optiska förluster.
I CO₂-lasersystem kan speglar exempelvis användas både i laserresonatorn och i den externa strålgången mellan laserkällan och bearbetningsprocessen.
I scannerbaserade system används mycket snabba galvospeglar för att positionera laserstrålen över arbetsområdet.
Scanner- och F-theta-optik
Vid lasermärkning och andra scannerbaserade processer används ofta galvoskannrar tillsammans med särskild fokuseringsoptik.
En F-theta-lins är konstruerad för att skapa ett definierat arbetsfält där laserstrålen kan positioneras snabbt och med hög precision.
Scanner, galvospeglar, F-theta-optik och laserkälla måste vara dimensionerade för att fungera tillsammans. Arbetsfältets storlek påverkar bland annat fokuspunkt, arbetsavstånd och den optiska konstruktionen.
Läs mer om skannersystem →
Skyddsglas
Skyddsglas har en mycket viktig men ibland underskattad funktion i industriella lasersystem.
De placeras framför betydligt dyrare optiska komponenter och skyddar dessa mot exempelvis:
- metallstänk
- partiklar
- rök och ångor
- damm
- processrester
- annan kontaminering.
Skyddsglas är normalt konstruerade för att kunna inspekteras och bytas betydligt enklare och billigare än den bakomliggande fokuseringsoptiken.
Ett skyddsglas är dock fortfarande en del av den optiska strålgången och måste därför ha rätt material, kvalitet och coating för lasersystemet.
Transmission, reflektion och absorption
När laserstrålen träffar en optisk komponent kan energin i princip transmitteras, reflekteras eller absorberas.
För en transmissiv komponent, exempelvis en fokuseringslins eller ett skyddsglas, vill man normalt att så stor del som möjligt av laserenergin passerar genom komponenten.
För en spegel är målet i stället mycket hög reflektivitet vid den aktuella våglängden.
Den energi som absorberas i optiken omvandlas huvudsakligen till värme. Vid låga effekter kan en mycket liten absorption ha begränsad betydelse, men vid höga lasereffekter blir även små förluster viktiga.
Det är en av anledningarna till att material, coating, ytkvalitet och renhet får allt större betydelse när lasereffekten ökar.
Optiska material och coatings
Optiska material
Materialet måste kunna transmittera eller reflektera den aktuella laservåglängden samtidigt som det uppfyller krav på bland annat termiska och mekaniska egenskaper.
Beroende på våglängd och applikation används exempelvis olika optiska glas, fused silica och särskilda IR-material.
För CO₂-laser vid omkring 10,6 µm är zinkselenid (ZnSe) ett vanligt material för transmissiv optik eftersom många vanliga optiska glas inte transmitterar denna långvågiga infraröda strålning.
Materialvalet är därför direkt kopplat till laserns våglängd.
Coatings
Coatingen är en integrerad del av laseroptiken och kan bestå av mycket tunna lager som konstruerats för specifika optiska egenskaper.
Antireflexcoating (AR) används på transmissiv optik för att minska oönskade reflektioner och öka transmissionen.
Högreflekterande coating (HR) används på speglar för att åstadkomma mycket hög reflektivitet vid den avsedda våglängden.
Coatings kan dessutom vara konstruerade för ett smalt våglängdsområde, flera våglängder eller andra specifika optiska funktioner.
Två linser med identiska mekaniska dimensioner kan därför ha helt olika optiska egenskaper beroende på material och coating.
Laseroptik vid höga effekter
När lasereffekten ökar ställs allt högre krav på optiken.
Om exempelvis en optisk komponent absorberar en mycket liten andel av laserenergin kan den absoluta mängden absorberad energi ändå bli betydande vid höga effekter.
Uppvärmningen kan orsaka temperaturgradienter i komponenten och förändra dess optiska egenskaper. Detta kan bland annat bidra till termisk linsning, där temperaturförändringen påverkar hur laserstrålen bryts och därmed fokusläget.
I ett högeffektslasersystem blir därför faktorer som följande särskilt viktiga:
- mycket låg absorption
- hög optisk kvalitet
- rätt coating
- effektiv kylning där sådan krävs
- rena optiska ytor
- regelbunden kontroll av skyddsglas
- stabil temperatur och processmiljö.
Ju högre lasereffekt systemet arbetar med, desto viktigare blir kontrollen av hela den optiska kedjan.
Kontaminering – ett litet problem som kan få stora konsekvenser
Renheten är avgörande för laseroptikens funktion.
Damm, rök, metallpartiklar eller andra föroreningar på en optisk yta kan absorbera laserenergi. Det kan skapa lokal uppvärmning och i vissa fall skada både coatingen och själva det optiska materialet.
Problemet kan därefter accelerera. En liten skada kan absorbera ytterligare energi, vilket skapar mer värme och ytterligare försämring.
I ett bearbetningshuvud är skyddsglaset därför en viktig barriär mellan den industriella processen och den känsligare optiken längre in i huvudet.
Ett förorenat eller skadat skyddsglas kan bland annat bidra till:
- förändrat fokusläge
- försämrad processstabilitet
- reducerad transmission
- lokal uppvärmning
- kortare livslängd hos bakomliggande optik
- i värsta fall skador på dyrare optiska komponenter.
Att kontrollera skyddsglas och annan processnära optik är därför en viktig del av förebyggande underhåll.
Rengöring och hantering av laseroptik
Laseroptik ska hanteras som precisionskomponenter.
Optiska ytor bör inte beröras med fingrar eftersom fett och andra föroreningar kan lämnas på ytan. Felaktiga rengöringsmetoder kan dessutom orsaka repor eller skada coatingen.
Vilken rengöringsmetod som är lämplig beror på komponentens material, coating, typ av förorening och tillverkarens instruktioner.
Generellt bör man:
- minimera hanteringen av optiska ytor
- arbeta i en ren miljö
- använda lämpliga handskar och verktyg
- använda rengöringsmaterial avsett för optik
- kontrollera komponenten före och efter rengöring
- följa tillverkarens instruktioner.
Optik som uppvisar permanenta skador, kraftig kontaminering eller skadad coating bör inte automatiskt återanvändas enbart för att den fortfarande ser mekaniskt hel ut.on laserkällor från bland annat IPG och Raycus i sina fiberlasermaskiner.
Vanliga tecken på problem med laseroptiken
Försämrad laseroptik behöver inte alltid resultera i ett omedelbart maskinstopp. Problemen kan utvecklas gradvis.
Tecken som kan motivera kontroll av den optiska kedjan är exempelvis:
- gradvis försämrat processresultat
- behov av högre lasereffekt för samma resultat
- förändrat eller instabilt fokusläge
- ökande temperatur i optiska komponenter
- återkommande problem med skyddsglas
- synlig kontaminering eller missfärgning
- skador på coating eller optiska ytor
- förändrad strålprofil.
Samma symptom kan naturligtvis ha andra orsaker. Optiken bör därför bedömas som en del av hela lasersystemet och inte isolerat.
Rätt laseroptik handlar om mer än dimensioner
Två optiska komponenter kan ha samma diameter, tjocklek och till synes samma utseende men ändå vara konstruerade för helt olika lasersystem.
Vid identifiering av rätt laseroptik kan information därför behövas om:
- lasertyp och laserkälla
- våglängd
- CW- eller pulsad laser
- lasereffekt
- pulsenergi och pulslängd
- optiskt material
- coating
- diameter och tjocklek
- brännvidd
- tillverkare och systemmodell
- befintligt artikelnummer.
Att använda optik som inte är avsedd för den aktuella lasern kan ge försämrad processprestanda och i värsta fall orsaka skador på optiken eller andra komponenter i systemet.
Laseroptik som en del av hela lasersystemet
Laseroptiken fungerar aldrig isolerat.
Laserkälla → stråltransport → optik → scanner eller bearbetningshuvud → arbetsstycke → process
Alla delar påverkar slutresultatet.
En förändring i laserkällans strålegenskaper, en förorenad optisk komponent, ett skadat skyddsglas eller felaktigt fokus kan påverka processen trots att alla övriga delar av systemet fungerar korrekt.
Det är därför viktigt att felsökning inte begränsas till en enskild komponent.
LMI AB arbetar med lasersystem, laserkällor, laserhuvuden, skannersystem, laseroptik, komponenter, reservdelar, felsökning och service. Det gör det möjligt att bedöma optiken som en del av det kompletta lasersystemet.
Våra områden inom laseroptik
Laseroptik för fiberlaser & YAG
Optiska komponenter för fiberlaser, Nd:YAG och närliggande lasersystem, exempelvis fokuseringslinser, kollimeringsoptik och andra komponenter anpassade för aktuella våglängder och effektnivåer.
Läs mer om laseroptik för fiberlaser & YAG →
CO₂-laseroptik
Optik för CO₂-lasersystem, exempelvis ZnSe-linser, resonatoroptik, output couplers, strålgångsspeglar och andra optiska komponenter för våglängder omkring 10,6 µm.
Läs mer om CO₂-laseroptik →
Skyddsglas för lasermaskiner
Utbytbara skyddsglas för att skydda fokuseringsoptik och andra känsliga komponenter mot föroreningar från laserprocessen.
Hittar du inte den laseroptik du söker?
Alla typer och varianter av laseroptik som LMI AB kan erbjuda finns inte presenterade på webbplatsen.
Om du söker en befintlig komponent är det bra att skicka så mycket information som möjligt om lasersystemet och optiken. Artikelnummer, tillverkare, systemmodell, ritning, tekniska data eller tydliga fotografier på märkning och förpackning gör det ofta betydligt enklare att identifiera rätt komponent.
LMI AB kan även hjälpa till när en äldre optisk komponent behöver ersättas och det ursprungliga artikelnumret är okänt eller inte längre tillgängligt.
Vanliga frågor om laseroptik
Inte nödvändigtvis. Både optiskt material och coating måste vara lämpliga för den aktuella våglängden. En komponent som är konstruerad för omkring 1 µm är därför inte automatiskt lämplig för exempelvis CO₂-laser vid 10,6 µm eller UV-laser.
Coatingen styr bland annat hur mycket laserenergi som transmitteras eller reflekteras vid den aktuella våglängden. Fel coating kan orsaka större optiska förluster, uppvärmning och i vissa fall skador på komponenten.
Kollimeringsoptiken används för att skapa en i huvudsak parallell laserstråle. Fokuseringsoptiken koncentrerar därefter strålen mot den fokuspunkt där laserprocessen ska ske.
Skyddsglas skyddar dyrare optiska komponenter mot metallstänk, rök, damm och andra föroreningar från processen. De är normalt enklare och billigare att byta än den bakomliggande optiken.
Ja. Föroreningar kan absorbera laserenergi och orsaka lokal uppvärmning. Det kan påverka transmission, fokus och processstabilitet och i värsta fall leda till skador på optiken.BPP står för Beam Parameter Product och används för att beskriva laserstrålens kvalitet och fokuserbarhet. Ett lägre BPP innebär generellt bättre fokuserbarhet.
Även mycket små optiska förluster motsvarar en större mängd absorberad energi när den totala lasereffekten är hög. Kraven på material, coating, ytkvalitet, renhet och termisk hantering ökar därför med effekten.
Artikelnummer och maskinmodell är ofta den enklaste vägen, men även våglängd, effekt, material, coating, dimensioner och brännvidd kan behöva fastställas. Fotografier på komponent och märkning kan också vara till stor hjälp.
Ja. Webbplatsen visar inte alla optiska komponenter och varianter som kan erbjudas. Kontakta LMI AB med information om lasersystemet och den befintliga optiken så hjälper vi till att identifiera en lämplig lösning.
Kontakta LMI AB om laseroptik
Behöver du hitta rätt optik till ett nytt lasersystem, eller behöver du veta om det finns alternativ till den optik ni använder idag?
Kontakta LMI AB med information om applikationen, maskinen, laserhuvudet eller själva optiken så hjälper vi er hitta rätt. Vi har de flesta o,ika dimensioner på skyddsglas, linser mm och skulle vi ine ha det så tar vi snabbt fram det genom vår egna kanal. Vi kan ta fram allt inom laseroptik oavsett det handlar om fiberlaser eller CO₂.
Kontakta Malin Kristoffers för frågor om laseroptik.
Malin Kristoffers
Kontaktperson för laseroptik
Malin hjälper er att ta fram den optik ni letar efter.