Welche Spiegel für den K40?

v.r.n.l: Siliciumspiegel mit Goldbeschichtung, Molybdänspiegel frisch aus der Packung und Molybdänspiegel "neuwertig" in meinem K40
v.r.n.l: Siliciumspiegel mit Goldbeschichtung, Molybdänspiegel frisch aus der Packung und Molybdänspiegel „neuwertig“ in meinem K40

Wenn man sich etwas mit der CO2 Lasertechnik auseinandersetzt und sich den K40 von Anderen genauer anschaut, stellt man schnell fest, dass bei manchem die Spiegel goldgelb sind, bei anderen silbergrau. Also stellt sich die Frage, was sind die Unterschiede der verschiedenen Spiegel? Neben den auf den ersten Blick erkennbaren Unterschieden was die Farbe und Preis angeht, haben die Spiegel natürlich auch verschiedenen Eigenschaften. Wir werden in dem folgenden Beitrag die verschieden Spiegeltypen, Materialien und Eigenschaften etwas genauer beleuchten.

Materialien

K9 – Borosilikat-Kronglaskristall

K9 ist ein optischer Borosilikat-Kronglaskristall. Dieser wird überwiegend in China hergestellt. Das Material lässt sich gut polieren und besitzt niedrige Dispersionseigenschaften. Außerdem ist es relativ unempfindlich was verkratzen angeht. Die sehr geringe Wärmeleitfähigkeit und der niedrige Schmelzpunkt führen dazu, dass die Spiegel schneller durch auf Verunreinigungen auftreffende Laserstrahlen beschädigt werden können. K9 ist das günstigste Spiegelmaterial für die Anwendung im niedrigen Leistungsbereich von CO2 Laser.

Mo – Molybdän

Molybdän ist ein Übergangsmetall. Es ist nicht ganz so hart wie K9, besitzt dafür aber einen sehr hohen Schmelzpunkt. Dadurch ist das Material nicht ganz so empfindlich was die Beschädigung durch das auftreffen des Laserstrahls auf verunreinigten Spiegel angeht. Das Material ist aber immer noch hart genug, um bei einer ordnungsgemäßen Reinigung unempfindlich gegenüber Kratzern zu sein. Poliert erreicht Molybdän eine Reflektion von über 98%.

Neuer Molybdänspiegel
Neuer Molybdänspiegel
Original Molybdän Spiegel meines K40 im Auslieferungszustand...
Original Molybdän Spiegel meines K40 im Auslieferungszustand…

Si – Silicium

Silicium ist ein Halbmetall welches genauso Hart ist wie K9, jedoch besitzt es einen geringeren Schmelzpunkt als Molybdän. Jedoch besitzt Silicium eine sehr hohe Sauerstoffaffinität, daher wird Silizium meist mit Gold, Silber oder dielektrisch beschichtet, um die Spiegeleigenschaften langfristig zu erhalten.

Silicium Spiegel mit Goldbeschichtung
Silicium Spiegel mit Goldbeschichtung

Cu – Kupfer

Kupfer hat sehr gute Eigenschaften was die Wärmeleitfähigkeit angeht und findet somit eher bei Lasern mit hoher Leistung Anwendung, bei denen die Spiegel zusätzlich gekühlt werden müssen. Kupfer ist jedoch im Verhältnis zu Molybdän eher weich und somit anfälliger für mechanische Einflüsse (zerkratzen). Genauso wie Silicium reagiert auch Kupfer mit Sauerstoff und Wasserstoff, wodurch der Spiegel mit der Zeit blind werden würde. Aus diesem Grund werden auch Kupferspiegel in der Regel mit Gold oder dielektrisch beschichtet.

Au – Gold

Gold wird auf Grund seiner Unempfindlichkeit gegenüber Sauerstoff und Luftfeuchtigkeit oft als Beschichtungsmaterial verwendet. Da Gold jedoch ebenfalls ein sehr weiches Metall ist, ist es auch sehr empfänglich für mechanische Einflüsse. Bei der Reinigung muss daher besonders aufgepasst werden, damit man keine Kratzer verursacht. Gold besitzt sehr gute Eigenschaften und ermöglicht eine Reflektion von nahezu 99% des Laserstrahls weiterzuleiten.

Zusammenfassung

KratzfestigkeitKorrosionsbeständigkeitHärteSchmelzpunktWärmeleitfähigkeit
K9++++6,5820 °C1,2 W*m^-1*K^-1
Mo++++5,52623 °C139 W*m^-1*K^-1
Si++6,51410 °C150 W*m^-1*K^-1
Cu3,01084,62 °C400 W*m^-1*K^-1
Au++2,5 – 3,01064,18 °C320 W*m^-1*K^-1
Tabelle mit einer Auflistung der verschiedenen Materialien, die bei der Spiegelherstellung Anwendung finden, und deren Eigenschaften.

Die Reinigungshäufigkeit ist selbstverständlich von den Materialen und dem persönlichen Schnittverhalten abhängig. Eine Verbesserung der Eigenschaften wird oft durch Kombination verschiedenen Materialien ermöglicht.

Fazit

Goldbeschichtete Silicium Spiegel und Molybdän Spiegel sind die beiden die für den K40 meiner Meinung nach am besten geeignet sind. Die Silicium Spiegel sind preislich ein Stück teurer als die Molybdän Spiegel und zusätzlich empfindlicher gegenüber mechanischer Einwirkung. Die Leistungsausbeute von Silicium Spiegeln gegenüber Molybdänspiegeln ist zu vernachlässigen. Bei Molybdän Spiegeln kommen unter optimalen Bedingungen rund 96% der Leistung an der Linse an und bei Silicium Spiegeln sind es rund 97%. Die Leistungsausbeute ist also nicht sonderlich groß zusätzlich sind Gold beschichtete Silicium Spiegel im Schnitt rund 25% teurer als Molybdän Spiegel. Auf Grund der Unempfindlichkeit und des Preisleistungsverhältnisses sind aus meiner Sicht die Molybdän Spiegel am besten für den K40 geeignet. Es gibt noch viele andere Faktoren mit denen sich die Leistungsausbeute erhöhen ließe, z.B. ordentliche Reinigung der Optiken und vor allem die richtige Orientierung der Linse.

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