Unterschiede zwischen Faser- und CO2-Laserlinsen

Einleitung: Das Herzstück Ihres Lasersystems

Im Kern jeder hochpräzisen Laser-Schneid- und Schweißanlage befindet sich eine entscheidende Komponente: die Fokussierlinsenanordnung. Dieses optische System hat die Aufgabe, den leistungsstarken Laserstrahl zu bündeln und seine Energie auf einen äußerst kleinen, intensiven Punkt zu konzentrieren, wodurch der Laser Metall mit hoher Präzision schneiden oder schweißen kann. Allerdings sind nicht alle Laser gleich, und dementsprechend unterscheiden sich auch ihre Linsenanordnungen. Bei Faserlasern haben verschiedene Hersteller von Laserschneidköpfen unterschiedliche Designs für den optischen Pfad und die Struktur, selbst wenn sie möglicherweise den gleichen Durchmesser und die gleiche Brennweite aufweisen. Bei der CO2-Fokussierlinse sind Form, Durchmesser, Randdicke und Brennweite die entscheidenden Parameter, die alle Anwender vor dem Kauf kennen müssen.

Der grundlegende Unterschied: Es beginnt alles mit der Wellenlänge

Der wichtigste Faktor, der diese beiden Linsen unterscheidet, ist die Wellenlänge des Laserlichts, für das sie konzipiert sind. Die Wellenlänge, gemessen in Mikrometern (μm) oder Nanometern (nm), bestimmt, wie Licht mit Materie interagiert, einschließlich des Linsenmaterials selbst.

• CO2-Laser: Diese Laser arbeiten mit einer langen Wellenlänge von 10,6 Mikrometern (μm). Dies liegt im mittleren Infrarotspektrum, das für das menschliche Auge unsichtbar ist.
• Faserlaser: Im Gegensatz dazu erzeugen Faserlaser Licht mit einer viel kürzeren Wellenlänge, typischerweise etwa 1,07 Mikrometer (μm) oder 1064 Nanometer (nm). Dies liegt im nahen Infrarotspektrum.

Warum ist das wichtig? Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, mit einer Glasscheibe die Wärme eines Lagerfeuers zu bündeln. Das Glas könnte die Wärme (langwelliges Infrarot) blockieren, während sichtbares Licht hindurchgelassen wird. Ebenso können Materialien, die für eine Wellenlänge des Lichts vollständig durchlässig sind, für eine andere Wellenlänge völlig undurchlässig oder absorbierend sein. Dies ist der Hauptgrund, warum eine Faserlaser-Objektivbaugruppe nicht in einem CO2-Lasersystem verwendet werden kann und umgekehrt.

Objektivmaterial: Der Schlüssel zu Durchlässigkeit und Leistungshandling

Die unterschiedlichen Wellenlängen bestimmen direkt die Materialien, aus denen die einzelnen optischen Elemente innerhalb der Objektivbaugruppe hergestellt werden müssen. Diese Wahl beeinflusst Kosten, Haltbarkeit und Leistung, insbesondere unter Hochleistungsbedingungen.

• CO2-Laserlinsen: Das Material der Wahl für die optischen Elemente in einer CO2-Linsenanordnung ist Zinkselenid (ZnSe). ZnSe weist eine außergewöhnlich geringe Absorptionsrate für die Wellenlänge von 10,6 μm auf, wodurch die Laserenergie mit minimalem Verlust und Wärmeentwicklung hindurchtreten kann. Andere Materialien wie Germanium (Ge) und Galliumarsenid (GaAs) werden ebenfalls für spezielle Hochleistungs- oder Spezialanwendungen verwendet. Diese Materialien sind oft teurer und können empfindlich gegenüber thermischem Schock sein.

Faserlaserlinsen: Das bevorzugte Material für die optischen Elemente in einer standardmäßigen Faserlaser-Linsenanordnung ist synthetisches Quarzglas (Fused Silica). Es bietet hervorragende Transparenz für die Wellenlänge von 1 μm, hohe thermische Stabilität und exzellente Beständigkeit gegen thermische Linsenwirkung – ein Phänomen, bei dem sich die Linse erwärmt, ihre Form verändert und den Strahl entfokussiert. Zudem ist es sehr hart und widerstandsfähig gegenüber Verschmutzungen, was es für industrielle Umgebungen langlebig macht.

Optisches Design: Linsenanordnung vs. Optische Elemente

Um das optische Design zu verstehen, ist es erforderlich, zwischen der vollständigen „Linsenbaugruppe“ und den einzelnen „optischen Elementen“ innerhalb dieser zu unterscheiden. Eine Fokussierlinse ist ein System, und ihre Realisierung ist nicht auf einen einzigen Typ optischer Elemente beschränkt.

CO2-Laser-Optik: Eine CO2-Laser-Fokussierbaugruppe kann sowohl transmissive (mit Linsen) als auch reflektive (mit Spiegeln) Designs nutzen. Während ZnSe-Linsen üblich sind, werden bei sehr hohen Leistungsstufen (z. B. mehrere Kilowatt) reflektierende Fokussierspiegel bevorzugt. Diese sind oft parabolische Spiegel aus Kupfer oder Molybdän. Dies ist ein hervorragendes Beispiel dafür, dass eine „CO2-Fokussierlinsenbaugruppe“ keineswegs unbedingt ein transmissives Linsenelement enthalten muss; ihr Kernelement könnte ein reflektierender Spiegel sein.

Faserlaser-Optik: Ein moderner Faserlaserschneidkopf ist ein komplexes optisches System. Diese Linsenanordnung enthält typischerweise mehrere Elemente: eine kollimierende Linsengruppe, eine fokussierende Linsengruppe und ein Schutzfenster. Das zentrale fokussierende Element dieser Anordnung besteht meist aus Quarzglas, da es über hervorragende Gesamteigenschaften verfügt. Es ist jedoch wichtig zu verstehen, dass dieses Element je nach geforderter Leistung eine einzelne Linse, ein Dublett (zwei miteinander verkittete Linsen) oder sogar eine asphärische Linse sein kann. Die Beziehung zwischen einer „Faserlaser-Linsenanordnung“ und einem spezifischen „Linsenelement“ ist daher nicht festgelegt; sie stellt eine maßgeschneiderte Lösung dar.

Anwendungsschwerpunkt: Warum die richtige Linse Ihre Ergebnisse bestimmt

Der Wellenlängenunterschied beeinflusst nicht nur die Linse; er bestimmt auch, welche Materialien der Laser effizient bearbeiten kann.

• CO2-Laser mit ZnSe-Linsen: Die Wellenlänge von 10,6 μm wird hervorragend von nichtmetallischen Materialien absorbiert. Dadurch sind CO2-Laser in Kombination mit der richtigen Linsenanordnung die überlegene Wahl zum Schneiden und Gravieren von Holz, Acryl, Kunststoffen, Textilien und Keramik.
• Faserlaser mit geschmolzenen Silica-Linsen: Die Wellenlänge von 1 μm wird von Metallen viel effizienter absorbiert. Dadurch ist die Linsenanordnung des Faserlasers das Herzstück der modernen Metallbearbeitung. Sie ist die Schlüsselkomponente, die das Schneiden, Schweißen und Markieren von Stahl, Edelstahl, Aluminium, Messing und Kupfer mit beispielloser Geschwindigkeit und Energieeffizienz ermöglicht.

Was sind die Unterschiede bei der Wartung von CO2-Optiken und Faseroptiken

Aufgrund der einzigartigen Eigenschaften von 1064 nm Nahinfrarotlasern, ihrer hervorragenden Strahlqualität und kompakten Bauweise hat das Faserlaser-Schneiden erhebliche Vorteile in Bezug auf Bearbeitungseffizienz, Präzision und Wirtschaftlichkeit gezeigt. Für Anwendungen in der Metallbearbeitung besonders geeignet, gewinnen Faserlasersysteme in den letzten Jahren zunehmend Marktanteile von CO2-Laserschneidanlagen. Im Vergleich zu CO2-Lasern fallen geringere Wartungskosten für die zentralen optischen Komponenten an, und diese sind leichter auszutauschen. Hersteller optimieren kontinuierlich die Schneidkopfkonstruktionen, wodurch Benutzer Teile zeitnah austauschen können, ohne innenliegende Komponenten zu beschädigen. Zum Beispiel die Fok sierlinien-Schublade und die kollimierende Linse-Schublade den Benutzern ermöglichen, den Austausch in einer sauberen Umgebung durchzuführen, ohne professionelle Hilfe in Anspruch nehmen zu müssen. Aufgrund der komplexen internen Struktur des CO2-Lasers muss jedoch der Austausch aller optischen Komponenten vor Ort durch Fachpersonal erfolgen, was nicht billig ist.