Linse, wie rum einsetzen?

Wenn man versucht diese Frage mit Hilfe von Forenbeiträgen und der sozialen Medien zu beantworten, wird man schnell feststellen, dass dies gar nicht so einfach ist.
Letztlich gibt es drei verschiedene Meinungen, die einen sind der Auffassung die Wölbung muss nach unten. Andere behaupten das Gegenteil und Manche sind der Auffassung, dass die Orientierung der Linse irrelevant sei.

Um die Frage zuverlässig beantworten zu können, muss man sich etwas mit dem Thema Optik auseinandersetzen.

Brechung von Licht

Licht wird beim Übergang von einem Medium in ein anderes Medium gebrochen. Unsere Medien sind Luft und der Linsenkörper, welcher meist aus Zinkselenid (ZnSe) besteht.

Luft besitzt auf Meeresniveau einen Brechungsindex von 1,00028 und ZnSe 2,4. Luft ist optisch gesehen also dünner als ZnSe.
Um den Brechungswinkel (im Verhältnis zum Lot) zu ermitteln benötigen wir folgende Formel:

Brechungsindex_Medium_1 * sin ( α ) = Brechungsindex_Medium_2 * sin ( β )

Um den Brechungswinkel des Lichts nach dem Übertritt von dem einen in das andere Medium ermitteln zu können, muss man die Formel entsprechend umstellen.

β = arcsin ( Brechungsindex_Medium_1 * sin ( α ) / Brechungsindex_Medium_2 )

Wenn das Licht vom Linsenkörper austritt gilt die gleiche Formel. Man muss jedoch beachten, dass das Medium 1 dann der Linsenkörper ist und Medium 2 die Luft. Die Brechungsindizes müssen also entsprechend angepasst (getauscht) werden.

Bei gekrümmten Formen befindet sich das Lot im rechten Winkel zur Tangente des Auftrittspunkts am Linsenkörper.

Welche Laser Linse habe ich vor mir?

Es gibt verschiedene Arten von Linsen, wir werden jedoch nur die zwei Sammellinsen betrachten die beim CO2 Laser üblicherweise Anwendung finden.

Auf den ersten Blick lassen sich die Linsen nur schwer unterscheiden, man muss sie sich schon sehr genau anschauen.

Da die Linsen sehr empfindlich für Kratzer sind, sollte man das nur mit einer machen, die man nicht mehr verwenden möchte. Kratzer verändern das Brechungsverhalten unvorhersehbar und die Linse ist dann nicht mehr zu gebrauchen!

Plankonvexe Linsen

Bei der plankonvexen Linsen ist, wie der Name schon vermuten lässt, eine Seite konvex (nach außen gewölbt) und die andere Seite plan (eine ebene Fläche).

Brechung des Lichts bei plankonvexen Linsen

Setzt man die Linse mit der planen Seite zur Lichtquelle ein, wird das Licht bei einem Eintrittswinkel von 90° nicht abgelenkt. Die Brechung des Lichts erfolgt erst beim Austritt auf der konvexen Seite.

Das Licht wird zwar zur Mitte hin abgelenkt, aber die Fokuspunkte sind relativ weit auseinander. Hierbei handelt es sich um sogenannte Fokusfehler.

Wenn man die Linse nun dreht wird das Licht sowohl an der konvexen als auch an der planen Seite abgelenkt, da das Licht nicht im 90° Winkel auf die Linsenoberfläche auftrifft.

Wie man auf dem Schaubild erkennen kann, reduziert sich das Delta der Fokusfehler. Das heißt die verschiedenen Fokuspunkte rücken näher zusammen.

Dennoch ist das Licht noch nicht ideal gebündelt und es gibt immer noch ein Delta bei den Fokuspunkten.

positive Meniskus Linsen

Bei der positiven Meniskus Linse (oder auch konkavkonvex Linse) ist eine Seite nach außen gewölbt (konvex) und eine Seite nach innen gewölbt (konkav). Der Radius der konkaven Seite ist bei einer positiven Meniskus Linse immer größer als der Radius der konvexen Seite. Die Linse wird daher zum Rand hin dünner, auch wenn man das mit bloßem Auge kaum bis gar nicht erkennen kann.

Brechung des Lichts bei positiven Meniskus Linsen

Wenn man die Linse mit der konkaven Seite zur Lichtquelle einsetzt, wird das Licht beim Übertritt in den Linsenkörper bereits das erste mal gebrochen. Beim Austritt an der konvexen Seite geschieht dies noch einmal.

Bei dieser Linse wird auch hier bereits das Licht zur Mitte hin abgelenkt. Das Delta der Fokusfehler ist hier jedoch bereits kleiner als bei einer plankonvexen Linse.

Dreht man die Linse nun mit der konvexen Seite zur Lichtquelle, wird durch die aufeinander abgestimmten Radien der konkaven und der konvexen Seite das Licht nahezu auf einem Punkt gebündelt.

Wie man auf dem Schaubild erkennen kann ist das Delta der Fokusfehler sehr klein (im Idealfall nicht vorhanden) und das Licht ist nahezu auf einen Punkt fokussiert.

Fazit

Nach diesem kurzen Exkurs in die Optik stellen wir also fest, die Linse sollte grundsätzlich mit der konvexen Seite zur Lichtquelle eingesetzt werden um die beste Fokussierung zu erhalten.