Laseroptik för CO₂-laser

Laseroptik för CO₂-laser omfattar ett stort antal optiska komponenter som används för att generera, styra, forma, polarisera och fokusera laserstrålen. Till skillnad från fiberlaser, där laserstrålen ofta transporteras genom en optisk fiber fram till bearbetningshuvudet, leds CO₂-laserstrålen normalt genom en optisk strålgång med speglar fram till fokuseringsoptiken.

LMI AB erbjuder ett omfattande sortiment av CO₂-laseroptik för industriella lasersystem, inklusive fokuseringslinser, skyddsfönster, strålstyrningsspeglar, resonatorspeglar, fasförskjutande speglar och andra specialoptiska komponenter.

Vi hjälper även till att identifiera rätt optik utifrån maskintillverkare, maskinmodell, artikelnummer, dimensioner och befintlig komponent.

Optik för CO₂-laserns våglängd

Industriella CO₂-lasrar arbetar vanligtvis i det långvågiga infraröda området, där 10,6 µm är den vanligaste våglängden. Detta ställer helt andra krav på optiska material och beläggningar än för exempelvis fiber- och Nd:YAG-lasrar, som arbetar omkring 1 µm.

Material som är transparenta för synligt ljus är inte nödvändigtvis transparenta vid CO₂-laserns våglängd. Därför används särskilda infraröda optiska material och reflektiva komponenter som är utvecklade för CO₂-lasersystem.

Rätt material, ytfinish och beläggning är avgörande för hög transmission eller reflektivitet, låg absorption och stabil funktion vid höga lasereffekter.

Optiska komponenter i ett CO₂-lasersystem

Den optiska strålgången kan innehålla ett stort antal komponenter beroende på lasertyp, maskinkonstruktion och applikation.

Vanliga optiska komponenter är bland annat:

• fokuseringslinser
• skyddsfönster och skyddsglas
• strålstyrnings- och vikningsspeglar
• totalreflekterande speglar
• zero phase shift-speglar
• fasretarderande speglar
• resonatorspeglar
• bakre reflektorer
• utkopplingsspeglar
• kollimerings- och teleskopoptik
• adaptiva speglar och beam optimizer-optik
• paraboliska och andra formade speglar

Vilka komponenter som förekommer och deras specifikationer varierar mellan olika lasersystem.

Fokuseringslinser för CO₂-laser

Fokuseringslinsen koncentrerar laserstrålen till den punkt där laserbearbetningen sker. Linsens brännvidd, diameter, material och beläggning påverkar strålens fokus och därmed processens egenskaper.

I industriella CO₂-lasersystem har zinkselenid, ZnSe, traditionellt varit ett vanligt material för transmissiv fokuseringsoptik eftersom materialet har god transmission vid 10,6 µm.

Fokuseringslinser finns i olika diametrar och brännvidder beroende på maskin, laserhuvud och applikation. Rätt lins måste alltid väljas utifrån det aktuella optiska systemet.

Skyddsfönster för CO₂-laser

I system där skyddsfönster används fungerar dessa som en barriär mellan processmiljön och dyrare optiska komponenter. De kan skydda optiken mot stänk, partiklar, rök och andra föroreningar från laserprocessen.

Ett förorenat eller skadat skyddsfönster kan absorbera laserenergi och orsaka lokal uppvärmning. Det kan påverka strålkvaliteten och processresultatet och i värsta fall orsaka skador längre in i det optiska systemet.

Skyddsfönster är därför ofta förbrukningskomponenter som bör kontrolleras regelbundet och bytas vid behov.

Från råmaterial till färdig ZnSe-optik

Zinkselenid, ZnSe, för högpresterande CO₂-laseroptik framställs normalt genom CVD – Chemical Vapor Deposition. I processen byggs materialet successivt upp genom kemisk ångdeponering under noggrant kontrollerade förhållanden. Resultatet är ett mycket rent och homogent polykristallint ZnSe-material med mycket låg absorption vid CO₂-laserns våglängd.

Efter CVD-processen bearbetas det större ZnSe-materialet till optiska ämnen. Dessa kapas eller kärnborras till lämpliga dimensioner och bearbetas därefter genom precisionsslipning och polering till exempelvis plana fönster eller linser med individuellt specificerad diameter, tjocklek, radie och brännvidd.

Den färdigbearbetade optiken förses slutligen med en beläggning anpassad till dess funktion. För en fokuseringslins handlar det normalt om en antireflexbeläggning som minimerar reflektionsförluster vid CO₂-laserns arbetsvåglängd.

Materialkvaliteten är särskilt viktig i högeffektslasrar. Även mycket små absorptioner eller materialdefekter kan orsaka uppvärmning och termisk linsning, vilket kan påverka fokusläge, strålkvalitet och processens stabilitet.

Speglar för CO₂-laser

Speglar är centrala komponenter i många CO₂-lasersystem. De används både inne i laserresonatorn och för att transportera laserstrålen från laserkällan till bearbetningsområdet.

Olika speglar kan ha helt olika funktion trots att de till dimension och utseende kan vara mycket lika. Substrat, ytgeometri och beläggning måste därför överensstämma med den funktion som spegeln har i systemet.

Strålstyrnings- och vikningsspeglar

Strålstyrningsspeglar används för att ändra laserstrålens riktning genom maskinens strålgång. I rörliga optiska system kan flera speglar tillsammans transportera strålen från laserkällan fram till bearbetningshuvudet.

Hög reflektivitet och låg absorption är särskilt viktiga eftersom varje spegel annars bidrar till effektförluster och värmeutveckling.

Totalreflekterande speglar

Totalreflectors, eller totalreflekterande speglar, är konstruerade för mycket hög reflektivitet vid CO₂-laserns arbetsvåglängd. De förekommer både i resonatorer och i externa strålgångar beroende på konstruktion.

Beläggningen optimeras för den aktuella våglängden, infallsvinkeln och spegelns funktion.

Zero Phase Shift-speglar

Zero Phase Shift-speglar är konstruerade för att reflektera laserstrålen med minimal förändring av dess polarisationstillstånd. De används därför i strålgångar där laserstrålens polarisation ska bibehållas genom flera reflektioner.

Detta är särskilt viktigt i CO₂-lasersystem där polarisationen påverkar laserprocessen.

Fasretarderande speglar

Fasretarderande speglar, även kallade phase retarders eller phase shift mirrors, används för att kontrollera laserstrålens polarisation.

En vanlig variant är en kvartsvågsretarderande spegel som skapar cirka 90° relativ fasförskjutning mellan polarisationens komponenter. Med rätt orientering kan en linjärt polariserad CO₂-laserstråle därmed omvandlas till cirkulär polarisation.

Cirkulär polarisation har traditionellt varit viktig vid CO₂-laserskärning eftersom skärresultatet annars kan variera med skärriktningen.

Resonatorspeglar

Inne i själva laserresonatorn används särskilda optiska komponenter för att bygga upp och kontrollera laserstrålningen.

Beroende på laserkonstruktionen kan dessa bland annat omfatta:

• bakre högreflekterande speglar
• vikningsspeglar
• totalreflektorer
• utkopplingsspeglar
• phase-lock-optik
• andra resonatorspecifika optiska komponenter

Resonatoroptik är särskilt systemspecifik och ska alltid ersättas med komponenter med rätt optiska och mekaniska specifikationer.

Utkopplingsspeglar

Utkopplingsspegeln, eller output coupler, är en del av laserresonatorn och används för att koppla ut en kontrollerad del av laserenergin ur resonatorn.

Till skillnad från en totalreflektor är komponenten därför konstruerad för en definierad kombination av transmission och reflektion. Specifikationen är direkt kopplad till laserns resonatorkonstruktion.

Spegelmaterial – koppar, kisel och molybden

CO₂-laserspeglar tillverkas i flera olika substratmaterial. Valet beror på spegelns funktion, lasereffekt, kylning och den miljö där komponenten används.

Koppar – Cu

Koppar har mycket god värmeledningsförmåga och används därför ofta som spegelsubstrat i högeffektsystem. Kopparspeglar kan även vara vattenkylda för att effektivt transportera bort absorberad värme.

Kisel – Si

Kisel används ofta som substrat för precisionsspeglar i CO₂-lasersystem. Materialet lämpar sig väl för optisk precisionsbearbetning och används med flera olika typer av högreflekterande och polarisationstyrande beläggningar.

Molybden – Mo

Molybden är ett hårt och temperaturtåligt material och används i vissa CO₂-laseroptiska applikationer där hög motståndskraft mot stänk och mekanisk påverkan är viktig.

Molybdenspeglar har andra reflektions- och absorptionsegenskaper än högreflekterande dielektriskt belagda speglar och väljs därför för specifika användningsområden.

Beläggningar för CO₂-laseroptik

Beläggningen är en avgörande del av en CO₂-laseroptisk komponents funktion. Olika beläggningar används för att optimera reflektivitet, transmission, absorption, polarisationsegenskaper och tålighet.

Vanliga principer och beläggningstyper omfattar bland annat:

• högreflekterande dielektriska beläggningar
• Zero Phase Shift-beläggningar
• 90° Phase Shift / Phase Retarder-beläggningar
• guld- och Enhanced Gold-beläggningar
• molybdenytor och molybdenbaserade lösningar
• resonatorspecifika beläggningar
• dual-band-beläggningar
• andra maskin- och applikationsspecifika beläggningar

En hög reflektivitet är inte den enda viktiga egenskapen. I högeffektsystem är även mycket låg absorption avgörande eftersom absorberad laserenergi omvandlas till värme i optiken.

Guld och Enhanced Gold

Guld har hög reflektivitet i det infraröda området och används därför på vissa CO₂-laserspeglar. Enhanced Gold kombinerar en metallisk guldbeläggning med ytterligare optiska skikt för att förbättra egenskaper som reflektivitet eller tålighet för den avsedda applikationen.

Dual-band-beläggningar

I vissa system används beläggningar som är optimerade för både CO₂-laserns infraröda strålning och en synlig pilot- eller riktlaser. Detta gör att båda våglängderna kan hanteras av samma optiska strålgång.

TRZ, MMR och andra optikbeteckningar

På CO₂-laseroptik förekommer ett stort antal produkt-, yt- och beläggningsbeteckningar. Exempel som kan förekomma i reservdelskataloger och på befintliga komponenter är TRZ, MMR, M, CX, CXCX, PO och andra tillverkar- eller systemspecifika beteckningar.

Dessa beteckningar ska inte användas isolerat för att avgöra om två komponenter är utbytbara. Betydelsen kan vara kopplad till en viss tillverkare, produktserie, ytform, beläggning eller optisk funktion.

Vid ersättning av sådan optik bör därför alltid den fullständiga specifikationen, artikelnumret och den aktuella maskinmodellen kontrolleras.

Plan, konkav och konvex optik

CO₂-laserspeglar behöver inte vara plana. Beroende på funktionen i strålgången kan optiska ytor vara plana, konkava, konvexa, sfäriska eller paraboliska.

Formade speglar kan exempelvis användas för att:

• kollimera laserstrålen
• expandera eller reducera stråldiametern
• styra strålens divergens
• fokusera laserstrålen
• optimera strålegenskaperna genom den optiska strålgången

Radie, ytform och orientering är därför lika viktiga som spegelns diameter och beläggning.

Radiell slipning och mekaniskt utförande

Förutom de optiskt aktiva ytorna kan CO₂-laseroptik ha särskilda mekaniska utföranden för att passa maskinens optikhållare och monteringssystem.

Det kan exempelvis handla om radiellt bearbetade eller slipade ytterkanter, definierade radier, fasningar, monteringsytor eller andra geometriska egenskaper.

Även små mekaniska skillnader kan innebära att en optiskt likvärdig komponent inte passar korrekt i maskinen. Vid identifiering av ersättningsoptik behöver därför både de optiska och mekaniska specifikationerna kontrolleras.

Rätt optik är avgörande vid höga lasereffekter

I ett CO₂-lasersystem kan laserstrålen passera flera optiska komponenter innan den når arbetsstycket. Små förluster i varje komponent kan därför tillsammans få stor betydelse.

Föroreningar, skadade beläggningar eller felaktigt specificerad optik kan orsaka:

• effektförluster
• lokal uppvärmning
• försämrad strålkvalitet
• förändrad polarisation
• instabil laserprocess
• förkortad livslängd på optiska komponenter
• följdskador på andra delar av lasersystemet

Det är därför viktigt att använda optik med rätt specifikation och att kontrollera strålgången och optiken regelbundet.

Rengöring och hantering av CO₂-laseroptik

CO₂-laseroptik ska hanteras med stor försiktighet. Damm, partiklar, fett och andra föroreningar kan öka absorptionen och orsaka lokal uppvärmning när optiken utsätts för laserstrålning.

Rengöringsmetoden måste anpassas till komponentens material och beläggning. Använd endast rengöringsprodukter och metoder som är godkända för den aktuella optiken och följ rekommendationerna från optik- eller maskintillverkaren.

Optiska ytor bör inte beröras med fingrarna och komponenterna bör hanteras i en så ren och dammfri miljö som möjligt.

En skadad beläggning kan normalt inte återställas genom rengöring. Komponenten bör då bytas.

Hittar du inte rätt CO₂-laseroptik?

CO₂-lasersystem har använts industriellt under många år och det finns ett mycket stort antal maskiner, lasermodeller och optiska komponenter på marknaden. Alla varianter som LMI AB kan leverera finns därför inte presenterade på webbplatsen.

Om du söker en specifik lins, spegel eller annan optisk komponent är det bra om du skickar så mycket information som möjligt, exempelvis:

• maskintillverkare och maskinmodell
• lasertillverkare och lasermodell
• artikelnummer eller märkning på optiken
• typ av optisk komponent
• diameter eller övriga dimensioner
• tjocklek
• ytform eller radie om detta är känt
• beläggningsbeteckning, exempelvis TRZ, MMR eller annan märkning
• foto på komponenten och eventuell förpackning eller etikett

Med rätt information kan LMI AB hjälpa till att identifiera lämplig optik även till äldre CO₂-lasersystem.

Laseroptik för olika CO₂-lasermaskiner

LMI AB erbjuder CO₂-laseroptik för ett stort antal industriella lasermaskiner och lasersystem. Sortimentet omfattar både vanligt förekommande förbrukningsoptik och mer specialiserade optiska komponenter.

Eftersom specifikationerna varierar mellan olika maskiner och generationer rekommenderar vi att artikelnummer eller maskinuppgifter anges vid förfrågan.

Kontakta LMI AB om CO₂-laseroptik

Behöver du fokuseringslinser, skyddsfönster, speglar, resonatoroptik eller andra optiska komponenter till en CO₂-laser?

Kontakta LMI AB med information om maskinen och den optik du använder idag. Vi hjälper dig att identifiera rätt komponent och lämnar information om pris och tillgänglighet.