Spiegel (Laser-Spiegel für Strahlführung & Resonator)
Spiegel (Laser-Spiegel für Strahlführung & Resonator)
Was machen Laser-Spiegel – in einfach?
Spiegel lenken den Laserstrahl um, teilen ihn auf oder schließen ihn in einem Resonator ein. Ohne Spiegel gäbe es bei vielen Lasern keinen definierten Strahlweg. Bei CO₂-Gantry-Lasern (Portalmaschinen) bringen drei Umleitspiegel den Strahl von der Röhre bis zur Fokussierlinse am Kopf. Bei Galvo-Systemen schwenken zwei sehr leichte Spiegel blitzschnell, um zu gravieren.
Wichtig: Laser-Spiegel sind Spezialoptiken – sie sind für eine Wellenlänge (z. B. 10,6 µm bei CO₂ oder 1064 nm bei Faser) und oft für einen bestimmten Einfallswinkel optimiert.
Die zwei Einsatzorte von Spiegeln
- Strahlführung: „Faltspiegel“/„Umlenkspiegel“ leiten den fertigen Strahl durch die Maschine (typisch bei CO₂-Gantry). Auch Scan-/Galvo-Spiegel fallen hierunter.
- Resonator: HR-Spiegel (High Reflector, ~100%) und OC (Output-Coupler, teilreflektierend) bilden den „Laserhohlraum“. Bei CO₂-Gaslasern sind es echte Spiegel, bei Faserlasern meist Bragg-Gitter in der Faser.
Spiegelmaterialien & Beschichtungen (besonders CO₂)
| Material | Typische Nutzung | Eigenschaften | Vor-/Nachteile |
|---|---|---|---|
| Gold-beschichtetes Silizium (Si/Au) | CO₂-Strahlführung, Galvo | R>98–99% @10,6 µm, leicht, glatt | Sehr gute Effizienz; Oberfläche empfindlich → vorsichtig reinigen |
| Molybdän (Mo, unbeschichtet) | CO₂-Strahlführung in rauer Umgebung | R≈97–98% @10,6 µm, sehr robust | Unempfindlich gegen Kratzer/Schmutz, aber etwas geringere Effizienz → mehr Erwärmung |
| Kupfer (Cu) vergoldet | Hochleistung, gute Wärmeableitung | Hohe Leitfähigkeit, R sehr hoch | Top-Leistung, aber oxidations- & pflegekritisch; meist mit Schutzschicht |
| Dielektrische Spiegel | Resonator (HR/OC), Galvo (1064/355 nm) | Mehrschichtsystem, sehr hohe R, AOI-/Polarisation-optimiert | Extrem reflektiv, thermisch stabil; aber wellenlängen- & winkelkritisch |
Merke: Für CO₂ (10,6 µm) sind Si/Au und Mo gängig. Für Faser (1064 nm) & UV (355 nm) kommen dielektrische Galvo-Spiegel zum Einsatz, angepasst an Wellenlänge und Einfallswinkel.
Arten von Spiegeln nach Aufgabe
- Umlenk-/Faltspiegel (45° AOI): in CO₂-Gantry-Maschinen, Durchmesser oft 20–25 mm.
- Scan-/Galvo-Spiegel: sehr leichte Substrate (Si, Beryllium-ersetzt durch Si/Glas) mit präziser Beschichtung; paarweise (X/Y) im Galvoscanner / Galvo-Kopf.
- HR/OC-Resonatorspiegel: HR ≈ 99,9%, OC lässt wenige % Strahl heraus (CO₂-Röhre). Nicht mit Strahlführungs-Spiegeln verwechseln!
- Dichroitische Spiegel (Beamsplitter): reflektieren Laserwellenlänge, lassen andere (z. B. Kameralicht) durch – für Vision/Pointer.
Wellenlänge, Einfallswinkel & Polarisation – warum das zählt
Spiegel werden für eine Wellenlänge und oft für einen festen Einfallswinkel (AOI, z. B. 45°) optimiert. Bei dielektrischen Spiegeln spielt zusätzlich die Polarisation (s- oder p-polarisiert) eine Rolle – die Reflektivität kann sich deutlich unterscheiden.
- Falsche Wellenlänge → mehr Verlust & Erwärmung.
- Falscher AOI → schlechtere Reflexion, Verzerrung der Polarisation.
- Falsche Polarisation → u. U. sichtbarer Leistungsverlust.
Praxis: Bei CO₂-Gantry sind AOI≈45°-Spiegel Standard. Bei Galvo-Spiegeln gibt der Hersteller die beschichtete Wellenlänge (1064/532/355/10,6 µm) und den Arbeitswinkelbereich an.
CO₂-Gantry: der klassische 3-Spiegel-Strahlweg
- Spiegel 1: an der Röhre, richtet den Strahl grob in X-Richtung.
- Spiegel 2: am beweglichen Schlitten (X-Achse), lenkt in Y-Richtung.
- Spiegel 3: im Laserkopf (Y-Achse), lenkt in die Fokussierlinse (ZnSe) – darunter die [[Schutzlinse (Protective Window / Cover Lens)|Schutzlinse]].
Alle drei müssen exakt fluchten. Schon kleine Abweichungen führen zu Leistungsverlust, schiefen Schnitten oder Hotspots auf Linsen/Spiegeln.
Galvo-Spiegel (Faser/UV/CO₂-Scan): was ist anders?
- Sehr leichte, kleine Spiegel für hohe Beschleunigungen (kHz-Scanner).
- Dielektrische Beschichtungen mit extrem hoher R für die Zielwellenlänge.
- Form & Größe passend zum Strahldurchmesser – zu kleine Spiegel → Randverluste & Überhitzung.
- Hinter dem Galvo folgt die Feldlinse (oder telezentrische Linse), davor oft ein Beam Expander / Kollimator.
Ausrichtung (Alignment) – Schritt für Schritt für Laien
- Schutz & Vorbereitung: Maschine stromlos, Laserschutzbrille passend zur Wellenlänge, Testkarton in den Strahlweg (statt Werkstück).
- Spiegel nacheinander justieren: Von der Quelle zum Kopf arbeiten. Jede Spiegelhalterung hat meist 2–3 Justierschrauben (Kipp/Neigung).
- Puls-Test (sehr kurze, schwache Impulse): Punkt auf Karton prüfen, in allen Eckpositionen wiederholen. Ziel: Punkt bleibt an gleicher Stelle (Fokus erreichen).
- Feinabgleich: Kleine Viertelumdrehungen an der Halterung; nach jedem Schritt prüfen.
- Sicherung: Schrauben leicht kontern, Vibrationstest, Probeschnitt auf Abweichungen.
Tipp: Viele nutzen Zielkarten/Spiegel-Aufkleber und eine niedrige Leistung. Niemals dauerhaft „auf einen Punkt feuern“ – Brandgefahr/Optikschaden!
Reinigung & Pflege – so geht’s richtig
- Niemals trocken reiben – Mikrokratzer zerstören die Oberfläche.
- Erst mit öl-/wasserfreiem Blasebalg abpusten. Dann mit Isopropanol (≥99%) und Linsenpapier sanft von innen nach außen tupfen, nicht wischen.
- Gold- & dielektrische Schichten sind empfindlich – keine Haushaltsreiniger, kein Aceton auf Kunststoffhaltern.
- Mo-Spiegel sind robuster; bei eingebrannten Partikeln tauschen statt „schrubben“.
- Sichtprüfung: Schleier, Pitting, Regenbogenschimmer = Leistungsverlust → reinigen/ersetzen.
Häufige Fehler & Schäden (und wie man sie vermeidet)
- Schmutz/Staub → absorbiert Energie, heizt den Spiegel auf → Beschichtung platzt ab. Abhilfe: Absaugung, Air-Assist, Schutzkappen bei Stillstand.
- Falsche Wellenlänge/AOI → geringere R, mehr Erwärmung. Abhilfe: Datenblatt prüfen, passend bestellen.
- Zu kleiner Spiegel (Galvo) → Strahl clippt am Rand. Abhilfe: Größeren Spiegel/Scanhead wählen oder Strahldurchmesser verringern (Collimator).
- Schlechte Erdung/EMV → Galvo-Drift, Zittern. Abhilfe: saubere Verkabelung, Masseführung, Filter (siehe Netzteil).
- Überziehen der Justage → Halter verbiegt, Spiegel kippt. Abhilfe: kleine Schritte, Gefühl, Schrauben nur leicht anlegen.
Sicherheit: Spiegel sind kein Spielzeug
- Unsichtbare Strahlung (IR bei CO₂/Faser) wird vom Auge nicht erkannt. Bereits diffuse Reflexionen können schädlich sein. Immer Gehäuse geschlossen halten (außen Klasse 1), Interlocks nicht überbrücken.
- Offene Ausrichtung nur bei stromloser Bewegung und mit niedrigster Testleistung – und nur, wenn es absolut sein muss.
- Beachte EN 60825, DIN EN 207 und OStrV. Spiegelarbeiten gehören in geschützte Bereiche mit Warnleuchten und geeigneter PSA.
Auswahlhilfe (Checkliste)
- Wellenlänge: 10,6 µm (CO₂) / 1064 nm (Faser) / 355 nm (UV) – Beschichtung passend wählen.
- AOI & Polarisation: meist 45° bei Gantry; Galvo: Winkelbereich des Scanheads beachten.
- Durchmesser/Dicke: passend zur Halterung (CO₂ oft 20/25 mm). Galvo: Spiegelgröße passend zum Strahldurchmesser.
- Reflektivität (R): so hoch wie möglich → weniger Erwärmung. Bei rauen Prozessen ggf. Mo statt Au.
- Umgebung: Staubig/rauchig → robustere Mo-Spiegel + konsequente [[Schutzlinse (Protective Window / Cover Lens)|Schutzfenster]] & Absaugung.
Kurz zusammengefasst
Laser-Spiegel sind zentrale Bauteile: Sie lenken den Strahl sicher zum Werkstück (Gantry/Galvo) oder bilden den Resonator. Bei CO₂-Systemen sind Si/Au für hohe Effizienz und Mo für Robustheit üblich. Die richtige Wellenlänge, AOI, Polarisation und eine saubere Ausrichtung & Pflege entscheiden über Leistung, Qualität und Sicherheit. Saubere Spiegel = stabile Ergebnisse und lange Lebensdauer der Optiken.
