Rodzaje zwierciadeł ( luster) mających zastosowanie w laserach CO2. 

1. Lustra z absorpcyjną powłoką (ATFR)

Zwierciadło z absorpcyjną powłoką (ATFR) używa cienkiej powłoki odbijającej wrażliwej na polaryzację na podłożu miedzianym. Ta powłoka została początkowo przeznaczona w zastosowaniach 10,6 µm o kącie padania 45°.

Powłoka odbija polaryzację s i absorbuje polaryzację p; musi więc być umieszczona w systemie przekazywania wiązki, gdzie wiązka padająca ma polaryzację s. Przy operacjach cięcia na silnie odbijających obrabianych przedmiotach odbicia od obrabianego przedmiotu mogą zostać przesłane z powrotem do systemu przekazywania wiązki do wnęki lasera. Tak się najczęściej dzieje przy wczesnych etapach cięcia. Te odbicia powrotne mogą powodować niestabilności mocy i modu wnęki lasera. Również możliwe jest zjawisko wzmocnienia powrotnej wiązki we wnęce lasera, a następnie skupienia jej na jednym z elementów optycznych przekazywania wiązki, uszkadzając ten element.

Wykorzystanie ATFR w cięciu silnie odbijających metali, jak miedź, mosiądz czy aluminiom jest zatem szczególnie istotne. Systemy przekazywania wiązki używane przy operacjach cięcia przekształcają polaryzację liniową w polaryzację kołową za pomocą zwierciadeł przesunięcia fazowego (RPR). W tym typie systemu przekazywania wiązki energia odbita od obrabianego przedmiotu jest przekształcona przez RPR z powrotem na polaryzację liniową. Płaszczyzna odbitej polaryzacji liniowej jest obrócona o 90° w odniesieniu do wychodzącej wiązki lasera spolaryzowanej liniowo. Jeżeli jedno ze zwierciadeł w systemie przekazywania wiązki jest zorientowane tak, że wychodząca wiązka lasera ma polaryzację s, to energia odbita z powrotem musi być przekształcona przez to lustro na polaryzację p.

Właściwością ATFR, która sprawia, że jest to idealne lustro zapobiegające przedostawaniu się niepożądanych odbić do wnętrza jamy lasera, jest pochłanianie odbitej p-polaryzowanej wiązki laserowej.

2. Zwierciadła (lustra) płaskie i sferyczne

Zwierciadła są używane we wnękach lasera jako tylne zwierciadła o zwierciadła złożone oraz zewnętrznie jako układy załamania wiązki w systemach przekazywania wiązki.

Krzem jest najpopularniejszym podłożem; do zalet należą niskie koszty, dobra trwałość i stabilność termiczna.

Miedź dzięki wysokiej przewodności cieplnej jest typowo używana w zastosowaniach o dużej mocy.

Wyjątkowo twarda powierzchnia molibdenu sprawia, że jest idealny do najbardziej wymagających warunków środowiska pracy. Molibden jest przeważnie oferowany bez powłok.

3. Lustra wyjściowe półprzewodnikowe powłoką antyrefleksyjną

Lustra wyjściowe półprzewodnikowe są często używane w systemach optycznych do oddzielania środowiska w jednej części od innej, na przykład do zabezpieczenia próżni lub wysokiego ciśnienia.

Ponieważ materiał przepuszczający promieniowanie podczerwone ma wysoki współczynnik refrakcji, zazwyczaj na Lustra wyjściowe półprzewodnikowe nakłada się powłokę antyrefleksyjną, aby zminimalizować straty spowodowane odbiciami. Więcej o wytycznych dotyczących obliczania właściwej grubości ekranu wytrzymującego dane ciśnienie można znaleźć w przewodniku nastawiania ciśnienia. Poniżej przedstawiono typową przepuszczalność luster wyjściowych półprzewodnikowych ZnSe z powłoką antyrefleksyjną przy kącie padania 0°.

4. Lustra wyjściowe (zwierciadła półprzepuszczalne)

Zwierciadła półprzepuszczalne są często używane w łącznikach wyjściowych lasera lub tłumikach wiązki.

5. Zwierciadła (lustra) paraboliczne odbiegające od osi

Zwierciadła wykonane z podłoży miedzianych charakteryzują się wytrzymałością na wyjątkowo silne lasery i warunki środowiska przemysłowego i zapewniają skupianie ograniczone dyfrakcją w przypadku prawidłowego montażu i kalibracji.

Zwierciadła miedziane są dostępne z silnie odbijającą powłoką molibdenową o wysokiej trwałości.

Pozwala na łatwe czyszczenie zwierciadła.

Zwierciadła paraboliczne są przeznaczone do odbijania i skupiania wiązki lasera pod kątem 90 stopni, lub innym dogodnym kątem.

Niestandardowe cechy takie jak chłodzenie wodą i niestandardowe konfiguracje montażu są dostępne na zamówienie.

6. Zwierciadła przesunięcia fazowego

Cięcie metali i inne krytyczne operacje laserowe są wrażliwe na wszelkie zmiany szerokości szczeliny cięcia lub przekroju. Jakość szczeliny cięcia zależy od kierunku polaryzacji w odniesieniu do kierunku cięcia.

Obecne teorie sugerują, że założenie stanowiące, że skupiona wiązka pada na obrabiany przedmiot pod kątem prostym, jest prawdziwe jedynie przy rozpoczęciu cięcia. Po utworzeniu szczeliny cięcia wiązka natrafia na metal pod większym kątem padani. Światło o polaryzacji s jest odbijane znacznie intensywniej w odniesieniu do takiej powierzchni niż światło o polaryzacji p, co skutkuje różnicą w jakości cięcia.

Poprzez wprowadzenie zwierciadła przesunięcia fazowego (RPR) ćwierćfali (90°) do ścieżki przekazywania wiązki eliminuje zmiany szczelin cięcia dzięki zmianie polaryzacji liniowej na polaryzację kołową. Polaryzacja kołowa to równy skład polaryzacji s i polaryzacji p dla dowolnego kierunku wiązki, dlatego na wszystkich osiach jest ten sam skład polaryzacji, a materiał jest równo usuwany niezależnie od kierunku cięcia. Wiązka spolaryzowana liniowo jest skierowana tak, aby płaszczyzna polaryzacji wynosiła 45° w odniesieniu do płaszczyzny padania i trafia na RPR pod kątem 45.° w odniesieniu do kąta prostego.Odbita wiązka jest spolaryzowana kołowo.

Wybór podłoża zależy od mocy, z jaką pracuje laser. Dostępne są alternatywne podłoża, włącznie z miedzianymi chłodzonymi wodą. Dostępne są także projekty RPR dla jednej ósmej i jednej szesnastej fali, oraz dla szczytowej długości fali innej niż 10,6 µm. Wybór podłoża zależy od mocy z jaką pracuje laser. Dostępne są alternatywne podłoża, włącznie z miedzianymi chłodzonymi wodą. Dostępne są także projekty RPR dla jednej ósmej i jednej szesnastej fali, oraz dla szczytowej długości fali innej niż 10,6µm.

7. Tylne zwierciadła dla systemów laserowych CO2

Tylne zwierciadła (lustra), zazwyczaj GaAs, Ge, ZnSe są zwierciadłami półprzepuszczalnymi o bardzo wysokiej proporcji odbicia do przepuszczalności (99,0%-99,7%) i są kluczowymi komponentami optycznymi w rezonatorach laserowych i wnękach lasera.

Lustra tylne, tak jak łączniki wyjściowe, są części procesu tworzenia wiązki. Dlatego wymagają silnych parametrów odbicia. Ta nieznaczna przepuszczalność tylnych zwierciadeł jest używana z miernikami energii do badania mocy wyjściowej rezonatora lasera.

Gdy konstrukcja rezonatora lasera wymaga tylnych zwierciadeł całkowicie odbijających, używa się wtedy podłoża wykonanego z Si, Cu lub Mo, ten ostatni zazwyczaj bez powłok.

8. Zwierciadła paraboliczne o dużej odległości roboczej odbiegające od osi

W przeszłości odległość robocza (WD) zwierciadeł parabolicznych była ograniczona do średnicy obiegu dwuosiowej tokarki diamentowej.

Obecnie produkuje się zwierciadła paraboliczne o dużej odległości roboczej i kącie obrotu przy użyciu obróbki serwomechanicznej wolnoobrotowej.

Jak w przypadku zwierciadeł parabolicznych o standardowej odległości roboczej odbiegających od osi, zwierciadła o dużej odległości roboczej są wykonywane z miedzianych podłoży (pochylonych lub płaskich), które wytrzymują dużą moc laserów i warunki środowiska przemysłowego.

Te zwierciadła zapewniają skupianie ograniczony dyfrakcją w przypadku prawidłowego montażu i skalibrowania. Poza tym, zwierciadła miedziane są pokrywane w celu zapewnienia im większego współczynnika odbicia.

II-VI projektuje zwierciadła paraboliczne do odbijania i skupiania wiązki lasera pod kątem 90° stopni (standardowo) lub innym dogodnym kątem. Niestandardowe cechy takie jak chłodzenie wodą i niestandardowe konfiguracje montażu są dostępne na zamówienie.

9. Zwierciadła paraboliczne o pierścieniowym skupianiu odbiegające od osi

Zwierciadła paraboliczne o pierścieniowym skupianiu odbiegające od osi są elementami optycznymi o właściwościach parabolicznego zwierciadła skupiającego 90° ze stożkową soczewką skupiającą.

Zazwyczaj do wytwarzania pierścienia skupiającego używa się soczewek stożkowych ZnSe. Zwierciadła paraboliczne o pierścieniowym skupianiu odbiegające od osi nie wymagają przepuszczalnego elementu optycznego dzięki połączeniu soczewki stożkowej ze zwierciadłem parabolicznym odbiegającym od osi. Wyjściowa geometria jest powierzchnią free-form wytwarzaną przy użyciu obróbki serwomechanicznej wolnoobrotowej.

Dzięki tej metodzie otrzymuje się wszechstronne parametry projektowe dla odległości roboczej, średnicy pierścieni i kąta obrotu. Do zastosowań o dużej mocy można użyć projektu podłoża miedzianego chłodzonego bezpośrednio.

Soczewki fasetkowe są dobrą alternatywą zwierciadła fasetkowego. Fasetki układa się na zwierciadle w niemal dowolnym kształcie. Istnieją pewne ograniczenia rozmiarów, w jakich można wytwarzać fasetki, ale typowy rozmiar fasetek pomiędzy 2 i 8 mm z łatwością może zostać użyty na pustych zwierciadłach o średnicy do 100 mm.

Cechy:

10. Zwierciadła (lustra) dwustożkowe toroidalne

Zwierciadła sferyczne, cylindryczne i paraboliczne biorą udział w kształtowaniu wiązki lasera w wielu zastosowaniach. Zwierciadła dwustożkowe, czy bardziej ogólnie zwierciadła toroidalne, mogą łączyć dwa osobne elementy optyczne w jeden.

Zwierciadła dwustożkowe mają dwa różne promienie na jednej powierzchni. Istnieje możliwość stworzenia zwierciadła dwustożkowego o sferycznej lub asferycznej krzywiźnie w zależności od zastosowania i potrzeby eliminacji aberracji. Przy odpowiedniej konstrukcji mogą zastępować typowe zwierciadła załamujące pod kątem 90° dla potrzeb ponownej kolimacji wiązki w długiej ścieżce przekazywania wiązki.

Cechy:

11. Zwierciadła (lustra) o zmiennym promieniu

Zwierciadła o zmiennym promieniu (VRM) pozwalają użytkownikowi na dynamiczną zmianę charakterystyki wiązki w czasie pracy. Kontrolując promień krzywizny VRM poprzez ciśnienie wody, użytkownik może ustawić rozbieżność wiązki lasera.

VRM pozwalają na ustawienie głębokości skupienia podczas przebijania materiału; to pozwala osiągnąć optymalną szybkość cięcia. To pozwala również producentom ruchomych systemów optycznych na kompensacje różnic w ogniskowej w różnych miejscach stołu roboczego. Jest to szczególnie istotne przy stołach roboczych o dużych wymiarach, gdzie rozbieżność wiązki lasera zmienia się w soczewce podczas przemieszczania ścieżki optycznej po obszarze roboczym.

VRM są przeznaczone do użytkowania pod niemal prostym kątem padania. Wiele systemów cięcia laserowego używa dwóch zwierciadeł w charakterze teleskopowych elementów optycznych. Teleskop jest wykonany z jednego wypukłego zwierciadła i jednego wklęsłego. Wymiana jednego z tych luster na VRM pozwala uzyskać wszystkie wymienione powyżej korzyści.

Kontrola ciśnienia

Istnieją przynajmniej dwa sposoby na kontrolowanie ciśnienia wewnątrz VRM, a tym samym kontroli promienia powierzchni zwierciadła. W tym układzie należy zastosować pompę o zmiennej wydajności lub proporcjonalny zawór sterujący. Te przyrządy są napędzane wzmacniaczem. Wejście wzmacniacza to zazwyczaj sygnał od 0 do 10 woltów. Wzmacniacz może pracować w systemie otwartym lub w obiegu zamkniętym.

12. Zwierciadła cylindryczne

Jak sama nazwa wskazuje, lustra cylindryczne są w kształcie okrągłych lub prostokątnych obiektów z powierzchnią w kształcie cylindra. Różnią się od zwierciadeł sferycznych tym, że skupiają wiązkę nie w punkt ogniskowy, ale w linię ogniskową.

Refleksyjność można poprawić, nakładając silnie odbijającą powłokę na warstwę optyczną. Dla różnych zakresów widma świetlnego dostępne są wielowarstwowe powłoki. Zwierciadła cylindryczne są wykonywane z Cu, Si, Ge, Al i innych metalicznych materiałów.

Zastosowanie:

13. Zwierciadła Galvo

Systemy laserów skanujących, zarówno do znakowania, grawerowania i wiercenia otworów przelotowych, wymagają zwierciadeł Galvo do poprawnego kierowania wiązką.

Zwierciadła Galvo są przeznaczone do szerokiego zakresu zastosowań przemysłowych i nadają się idealnie do laserów Nd:YAG (1,06µm) i CO2 (9,3-10,6 µm).

Z kolei w zastosowaniach wymagających laserowej wiązki kalibrującej z laserem helowo-neonowym lub diodowym nasze powłoki dla dwóch długości fali zapewniają maksymalną refleksyjność podczerwonej wiązki lasera CO2, a jednocześnie zapewniają dobrą refleksyjność widzialnej wiązki kalibrującej.

Nasza podwójna metaliczna powłoka odbijająca (DEMMR) to najlepszy wybór dla tego zastosowania. (Szczegóły przedstawiono na Rysunkach 1 i 2.)

Rozmiary średnicy zwierciadeł Galvo zazwyczaj mieszczą się pomiędzy 0,5 i 4,0 w zależności od parametrów OEM.

Cechy:

Zastosowania:

14. Wielokątne zwierciadła skanujące

Obrabiane diamentowo przy użyciu najnowocześniejszego sprzętu. Dostępne jest wiele rodzajów wielokątnych zwierciadeł skanujących, włącznie ze zwierciadłami pryzmatycznymi, piramidalnymi i nieforemnymi. Dostępne w różnych rozmiarach, aż do 300 mm i tolerancjach kąta szlifu do 2 sekund kątowych.

Zastosowania:

15. Zwierciadła (lustra) glinowe chłodzone wodą do laserów o dużej mocy

Możliwość chłodzenia wodą zwierciadeł glinowych pozwala na tworzenie lżejszych głowic obrabiających, przyspieszając cięcie i spawanie. Użycie glinu skutkuje zmniejszeniem masy i korozji w porównaniu do podobnych części miedzianych.

Zwierciadła glinowe do zastosowań 1μm mogą być wypolerowane, aby osiągnąć chropowatość na poziomie nanometra w konfiguracjach ze składanymi zwierciadłami i pokryte silnie odbijającą dielektryczną powłoką do zastosowań >20 kW. 

16. Zwierciadła aluminiowe o zmiennym promieniu VRM

Nowe, lekkie glinowe zwierciadła o zmiennym promieniu (VRM) do laserów przemysłowych dużej mocy.

Przy masie osiągającej zaledwie 18% w porównaniu do wersji miedzianych, linia glinowych VRM zapewnia części OEM pozwalające na szybsze ruchy głowicy tnącej/spawającej i zwiększoną żywotność cykliczną.

Dzięki niskiej chropowatości, polerowanej powierzchni dostępnej w niestandardowych projektach do użytku w zastosowaniach 1 μm, glinowe zwierciadła VRM mogą obsługiwać zastosowania o mocy lasera do 20 kW.