Fokus
Fokus
Kurz erklärt: Was ist der Fokus?
Der Fokus (Brennpunkt) ist die Stelle, an der der Laserstrahl am kleinsten und die Energiedichte am höchsten ist. Wie bei einer Lupe wird Licht mit einer Linse gebündelt – im Fokus wird Material am effizientesten graviert, geschmolzen oder verdampft.[1]
So entsteht der Fokus (ohne Formeln)
Eine Linse bündelt den ankommenden Strahl zu einem Punkt. Vor dem Fokus konvergiert der Strahl, im Fokus ist er minimal, danach divergiert er wieder. Wie klein der Punkt wird, hängt unter anderem ab von:
- Wellenlänge (λ): Kürzeres Licht lässt sich kleiner fokussieren (z. B. UV < Grün < 1064 nm < 10,6 µm).[2]
- Strahlqualität (M²): Je näher M² an 1, desto kleiner der Fokus und desto geringer die Aufweitung.[3]
- Brennweite der Linse: Kürzere Brennweite ⇒ kleinerer Spot, aber weniger „Toleranz“ in der Höhe (geringere Tiefenschärfe).[2]
Die Rayleigh-Länge (laienhaft: „Schärfentiefe“) gibt an, wie weit über/unter dem Fokus die Energie noch hoch bleibt. Je kleiner der Spot, desto kürzer diese Zone – also empfindlicher gegen falsche Höhe.[3]
Wichtige Begriffe in einfach
- Spotgröße: Durchmesser des Brennpunkts – bestimmt Detailauflösung und Schnittfuge.
- Brennweite: Abstand Linse–Fokus (z. B. 50,8 mm bei CO₂, F160/F210/F254 bei Galvo-Faserlaser).[4]
- Arbeitsabstand: Praktischer Abstand Linse–Werkstück beim richtigen Fokus.
- Rayleigh-Länge: Bereich um den Fokus, in dem der Strahl nahezu gleich „scharf“ ist (Tiefenschärfe).[3]
Fokus je Lasertyp: CO₂, Faser, Diode
- CO₂-Laser (10,6 µm): Nutzen ZnSe-Linsen, typische Brennweiten 38–63 mm (z. B. 50,8 mm). Größerer Spot als 1-µm-Laser, dafür starke Absorption bei Holz/Acryl/Leder. Fokus wird oft mit Fokuslehre oder Rampentest gesetzt.[5]
- Faserlaser (1064 nm, Galvo): F-Theta-Objektive (F100/F160/F210/F254 …). Kleine Spots für Metallgravur/-schnitt (hochleistung); Fokus über Z-Achse und/oder Doppel-Rotpunkt (zwei rote Punkte decken sich im Fokus).[4]
- Diodenlaser (450 nm): Häufig einfacher Fokus-Drehknopf am Modul. Der Spot ist oft elliptisch (verschiedene Qualitäten in zwei Achsen). Saubere Kolimation/Fokus ist für Detailgravuren entscheidend.[3]
Fokussieren in der Praxis: Methoden
- Fokuslehre/Fokusstab (CO₂): Vordefinierter Abstand zur Düse/Optik; Werkstückhöhe so einstellen, dass der Stab gerade so passt.[5]
- Rampentest (CO₂ & Diode): Schräge Oberfläche gravieren; dort wo die Linie am dünnsten ist, liegt der Fokus. Abstand messen ⇒ Fokus-Abstand kennen.[5]
- Dot-/Linien-Test (Faser): Kleine Testmatrix (verschiedene Z-Höhen) gravieren; geringste Linienstärke = Fokus. Viele Galvos bieten Doppelpunkthilfe (zwei rote Marker überlappen im Fokus).[4]
- Auto-Focus/3D-Profiling: Sensor/Kamera misst die Höhe und setzt Fokus automatisch (häufig bei Industrial-Laser-Anlagen).[6]
Wo setze ich den Fokus? (nach Anwendung)
- Oberflächengravur (alle Lasertypen): Fokus auf die Oberfläche für maximale Schärfe.
- Tiefengravur (v. a. Faserlaser/Metall): Fokus leicht unter die Oberfläche (z. B. 0,05–0,2 mm) und bei tieferen Ebenen nachführen (Z-Steps/Refokus) – für gleichmäßige Tiefe.[4]
- Schneiden mit CO₂ (Holz/Acryl): Fokus in die Materialdicke legen, oft etwa mittig bis 1/3 unter Oberfläche, um oben und unten ähnliche Schnittfugen zu bekommen. Bei Acryl kann leicht unter der Oberfläche zu klareren Kanten führen.[7]
- Metall schneiden/schweißen (1 µm-Laser): Fokuslage beeinflusst Einbrand und Schnittqualität stark; je nach Düsenabstand/Air-Assist-Gasdruck wird oberflächen-, in- oder unterfokussiert gearbeitet.[8]
Wann den Fokus absichtlich verlassen (Defokus)?
„Defokus“ bedeutet, den Brennpunkt bewusst leicht über/unter die Oberfläche zu legen. Das ist sinnvoll, wenn:
- Anlassfarben auf Edelstahl (Faserlaser): Leichter Überfokus (Fokus über Oberfläche) reduziert Schmelze, fördert Thermooxidation ⇒ gleichmäßigere Farben.[4]
- Gleichmäßige Flächenfüllung (Faser): Min. Defokus glättet Hotspots/Interferenzmuster (weniger „Banding“), Oberfläche wird homogener.
- Unebene/gewölbte Teile: Leichter Defokus vergrößert die „Schärfentiefe“, sodass kleine Höhenunterschiede weniger stören (nur begrenzt wirksam).
- CO₂-Acryl „Kantenfinish“: Fokus etwas unter die Oberfläche (statt exakt oben) kann zu klareren Kanten führen – je nach Material/Parameter.[7]
- Beschichtungen/Anodisierung: Mini-Defokus vermeidet zu harte, tiefe Einschnitte und ergibt sanftere, schwarze Markierungen.
Wichtig: Defokus senkt die Energiedichte. Zu viel Defokus macht Linien dick und unscharf – daher immer mit kleinen Schritten (±0,05–0,2 mm) testen.
Empfehlungen nach Prozess & Lasertyp
| Prozess | Lasertyp | Fokusposition | Hinweis |
|---|---|---|---|
| Feine Schrift/Logo | Faser (1064 nm) | exakt auf Oberfläche | Kleinste Hatch-Abstände, hohe Schärfe.[4] |
| Anlassfarben (Edelstahl) | Faser | leicht über Oberfläche | Weniger Schmelze, homogenere Farbe. |
| Tiefengravur (Metall) | Faser | leicht unter Oberfläche; Z-Steps | Regelmäßig nachfokussieren für gleichmäßige Tiefe. |
| Holz schneiden | CO₂ | ~Mitte des Materials | Symmetrische Schnittfuge, weniger Verkohlung mit Air-Assist.[7] |
| Acryl schneiden | CO₂ | leicht unter Oberfläche | Klare Kanten; Parameter abhängig von Sorte/Dicke. |
| Universelle Gravur | Diode (450 nm) | exakt auf Oberfläche | Vorher Kollimation prüfen (elliptischer Spot!).[3] |
Häufige Probleme & Lösungen
- Unscharfe Gravur: Fokus falsch → Höhe korrigieren; Linse reinigen; bei Galvo: richtige F-Linse und Z-Position prüfen.[4]
- Unterschiedliche Schärfe über die Fläche: Tisch nicht plan / Material krumm → Unterlage plan machen; Auto-Z oder Fokus-Map einsetzen.[6]
- Banding/Hotspots (Faser): Minimaler Defokus, Hatch-Winkel variieren, Optik prüfen.
- Dicker Schnitt/Schmelzgrate: Falsch fokussiert oder Luft/Gas ungeeignet → Fokus tiefer/zentrierter; Air-Assist/Gasdruck anpassen.[8]
- Diode „Strich statt Punkt“: Achsen-Asymmetrie → bessere Kollimatoren/Beam-Shaper, korrekter Abstand.
F-Theta-Linsen (Galvo) – was Laien wissen sollten
Bei Galvo-Faserlasern lenken Spiegel den Strahl über die Fläche. F-Theta-Objektive sorgen dafür, dass der Fokus über das ganze Feld möglichst eben bleibt. Jede Brennweite hat einen typischen Arbeitsabstand und eine Feldgröße (z. B. F160 ≈ 110×110 mm). Längere Brennweite ⇒ größeres Feld, aber größerer Spot und oft etwas geringere Intensität im Fokus.[4]
Sicherheit beim Fokussieren
- Nie ohne passende Laserschutzbrille arbeiten – auch Streulicht/Reflexe können Augen schädigen.[9]
- Fokus-Tests mit niedriger Leistung beginnen und langsam herantasten.
- Bei glänzenden Metallen: Reflexionsgefahr beachten; Gehäuse schließen (siehe Laserklasse).[9]
Kurz zusammengefasst
Der Fokus entscheidet über Schärfe, Tiefe, Schnittfuge und Geschwindigkeit. CO₂, Faser und Dioden fokussieren unterschiedlich – das Prinzip ist gleich: kleiner Spot = hohe Energiedichte. Mit Rampentest, Fokuslehre oder Auto-Focus findet man die richtige Höhe. Defokus ist kein Fehler, sondern ein Werkzeug, z. B. für Anlassfarben oder unebene Teile – jedoch stets in kleinen Schritten testen.
Quellen
- Wikipedia – Fokus (Optik)
- Edmund Optics – Laserstrahlparameter (Spot, Divergenz, M²)
- RP Photonics – Fokussierte Laserstrahlen, Rayleigh-Länge
- Thorlabs – F-Theta-Objektive (Arbeitsabstand/Feldgröße)
- OMTech – Laser richtig fokussieren (Lehre, Rampentest)
- TRUMPF – Fokuslage & Einfluss auf Schnitt/Prozess
- Trotec – Fokus & Abstand, Gravur/Schneiden
- TRUMPF – Schnittprozesse, Gas/Fokus-Wechselwirkung
- BG ETEM – Lasersicherheit (Augenschutz, Gehäuse)
