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)

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

1. Spiegel 1: an der Röhre, richtet den Strahl grob in X-Richtung.
2. Spiegel 2: am beweglichen Schlitten (X-Achse), lenkt in Y-Richtung.
3. Spiegel 3: im Laserkopf (Y-Achse), lenkt in die Fokussierlinse (ZnSe) – darunter die 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

1. Schutz & Vorbereitung: Maschine stromlos, Laserschutzbrille passend zur Wellenlänge, Testkarton in den Strahlweg (statt Werkstück).
2. Spiegel nacheinander justieren: Von der Quelle zum Kopf arbeiten. Jede Spiegelhalterung hat meist 2–3 Justierschrauben (Kipp/Neigung).
3. Puls-Test (sehr kurze, schwache Impulse): Punkt auf Karton prüfen, in allen Eckpositionen wiederholen. Ziel: Punkt bleibt an gleicher Stelle (Fokus erreichen).
4. Feinabgleich: Kleine Viertelumdrehungen an der Halterung; nach jedem Schritt prüfen.
5. 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 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.

Quellen

1. Thorlabs – Mirror Basics & Coatings
2. Edmund Optics – Laser Line Mirrors
3. RP Photonics – Laser Mirrors (HR/OC, AOI, Polarisation)
4. Trotec – Grundlagen Laseroptik (DE)
5. SCANLAB – Galvo-Spiegel & Beschichtungen