Зеркала для CO2-лазера: выбор молибдена, кремния или меди и уход за зеркалами лазерного станка

Содержание

Как подобрать зеркала для CO2-лазера и сохранить их отражение

Зеркала для CO2-лазера делают на подложках из молибдена, кремния или меди, и от сочетания подложки и покрытия зависят доля мощности на линзе, нагрев зеркала и допустимый способ чистки. Кремний с золотом и медь с диэлектриком отражают больше и греются меньше, а молибден без покрытия лучше переносит дым, брызги и контактную чистку.

Полированное молибденовое зеркало лазерного станка без покрытия отражает 98% излучения 10,6 мкм (EOC, Shalom EO). Кремниевое зеркало с золотым покрытием отражает 99-99,5% (спецификации поставщиков), медное с диэлектриком более 99,8% на 9-11 мкм при 45° (LASER COMPONENTS).

По расчёту R³ (R — коэффициент отражения одного зеркала), после трёх новых поворотных зеркал CO₂-станка до линзы доходит 94,1% мощности трубки у молибдена и 98,5% у кремния с усиленным золотом. Это значения для новых чистых зеркал: по обзору EOC, использованные зеркала с усиленным покрытием после недолгой работы обычно отражают 98% независимо от исходного R.

Методику чистки зеркал для CO2-лазера выбирают по типу покрытия. Согласно TWI, диэлектрический слой фазовращателей на меди и кремнии и плоских кремниевых зеркал нельзя мочить водой: покрытие может отслоиться. Твёрдое золото чистят ацетоном методом drop and drag, мягкое только бесконтактно: ацетоном и сухим азотом N₂. В мастерских зеркала чистят каждые 40-50 ч работы, после замены тракт юстируют.

Где стоят зеркала лазерного станка CO2: тракт и резонатор

Поворотных зеркал в типовом портальном CO₂-станке три: у трубки, на каретке и в лазерной голове. Каждое поворотное зеркало лазерного станка стоит под углом падения 45° и отклоняет луч 10,6 мкм на 90°. В промышленных станках резки и сварки зеркала для CO2-лазера формируют и фокусируют пучок.

Оптический резонатор трубки добавляет ещё два зеркала, глухое заднее и частично отражающее выходное: всего их пять (torden.ru). Внутри отпаянной трубки зеркала резонатора недоступны: их не чистят и не меняют отдельно, снаружи чистят только выходное окно по паспорту трубки. Прогоревшее зеркало, по данным torden.ru, означает замену трубки.

Схема упрощена: в типовом портальном станке три поворотных зеркала, вместе с резонатором трубки их пять

Молибденовое, кремниевое или медное зеркало: свойства подложек и покрытий

Отражение и тепловые параметры на 10,6 мкм

Молибден без покрытия отражает 98% на 10,6 мкм (EOC, Shalom EO), меньше двух других подложек.

По справочнику Crystran, теплопроводность монокристаллического кремния 163 Вт/(м·К) при 273 K сопоставима с молибденовой, 138-142 Вт/(м·К). Встречающийся в публикациях тезис о «низкой» теплопроводности кремния, якобы снижающей перегрев, неверен вдвойне: низкая теплопроводность только усиливала бы перегрев.

Почему тогда кремниевое зеркало с золотом греется меньше молибденового? Зеркало поглощает долю (1 − R) падающей мощности: у молибдена 2%, у кремния с золотом 0,5-1%, то есть в 2-4 раза меньше.

На форумах золотое зеркало описывают как кварцевую пластину с «нулевым» КЛР, но у плавленого кварца SiO₂, согласно Crystran, ТКЛР 0,55·10⁻⁶ K⁻¹, не ноль, а теплопроводность 1,38 Вт/(м·К) в 118 раз ниже кремниевой: тепло из пятна она отводит хуже.

Золочёные зеркала CO₂-станков малой и средней мощности делают на монокристаллическом кремнии, для мощных систем на меди, а кварц на 10,6 мкм непрозрачен и к материалам для ИК-оптики этого диапазона не относится.

Иллюстрация: слева направо молибден без покрытия, кремний с золотым покрытием, медь без покрытия.

Сколько мощности теряют три зеркала

Доля мощности после N зеркал равна Rᴺ, где R взят как допущение расчёта, а не из паспорта изделия.

Три кремниевых зеркала с усиленным золотом (R = 0,995) доводят до линзы на 4,4 п.п. больше мощности, чем три молибденовых; с обычным золотом (R = 0,99) выигрыш 2,9 п.п., что близко к оценке torden.ru в 3-5%. Встречающаяся оценка потерь 5% на одном молибденовом зеркале не согласуется с R = 98% чистого зеркала: одно зеркало теряет 2%, три 5,9%.

Для использованных зеркал с усиленным покрытием обзор EOC приводит R = 0,98: три таких зеркала дают на линзе те же 94,1%, что молибденовые. Преимущество зеркал с усиленным покрытием держится, пока оно чистое и целое: уход важнее паспортного R.

Потери на просветлённой линзе разобраны в статье про фокусирующие линзы и мениски для CO₂-лазеров.

Мощность после N зеркал равна Rᴺ от мощности трубки. Расчёт для новых чистых зеркал; у использованных зеркал с усиленным покрытием R обычно 98% (обзор EOC), поэтому уход важнее паспортного R.

Покрытия и их стойкость к чистке

По данным EOC, полированный молибден работает без покрытия: твёрдая поверхность выдерживает брызги, дым и продукты процесса, а зеркало чистят щётками и многократно отмачивают в органических растворителях и моющих средствах.

У LASER COMPONENTS медное зеркало для CO2-лазера с твёрдым гальваническим золотом по никелевому подслою даёт фазовый сдвиг меньше 1°, с диэлектриком меньше 2°, и поляризация пучка сохраняется.

Диэлектрический слой от контакта с водой может отслоиться (TWI), а гальваническое золото, по EOC, не отслаивается в отличие от напылённого в вакууме; на кремний его не наносят (LBP Optics), там слой вакуумный. Классы слоёв описаны в статье о типах оптических покрытий.

Ограничения и деградация

LASER COMPONENTS и LBP Optics относят кремниевые зеркала к малой и средней мощности, а Coherent относит свои кремниевые фазовращатели к средней мощности.

Какое зеркало выбрать, молибден или кремний, точнее решать через тепло: на трубке 150 Вт первое молибденовое зеркало поглощает 3 Вт, кремниевое с золотом 0,75-1,5 Вт. При этом молибден выдерживает загрязнение и контактную чистку, которые плохо переносит мягкое золото.

При резке, по EOC, последнее зеркало тракта часто меняют на молибденовое: оно самое открытое и чаще других повреждается. С двумя кремниевыми зеркалами с усиленным золотом (R = 0,995) и молибденовым третьим (R = 0,98) до линзы доходит 97,0%, с обычным золотом (R = 0,99) 96,0% (расчёт для новых зеркал).

ТКЛР меди, 16,8-17·10⁻⁶ K⁻¹, более чем втрое выше молибденового и более чем вшестеро выше кремниевого; мощные медные зеркала охлаждают водой (EOC).

Типы зеркал CO2: поворотные, фокусирующие, выходные, фазовые и охлаждаемые

Функцию зеркала в тракте задают три параметра: форма поверхности (плоская или сферическая с радиусом по чертежу), тип отражения (полное, частичное или со сдвигом фазы) и канал водяного охлаждения. Кварц-Пром изготавливает зеркала по чертежу, типовые исполнения собраны в каталоге оптических изделий.

• Фокусирующее сферическое зеркало стоит в мощных системах, а в портальных станках пучок фокусирует линза-мениск.
• Выходное зеркало CO2-лазера частично отражающее: часть мощности возвращается в резонатор, часть выходит рабочим лучом. Выходные зеркала для CO2-лазеров с частично отражающим и просветляющим покрытиями делают из германия Ge или селенида цинка ZnSe, который пропускает 0,5-22 мкм при показателе преломления 2,4.
• Фазовращатель 90°, или фазосдвигающее λ/4-зеркало, сдвигает фазы s- и p-компонент на 90°: по данным LBP Optics, с допуском ±3° у типовых изделий и ±1° у лучших. Он переводит линейную поляризацию промышленных CO₂-лазеров резки металла в круговую, чтобы ширина реза не зависела от направления. У отражающих фазовращателей Coherent кремниевые подложки рассчитаны на среднюю мощность и дают R ≥ 98%, медные на высокую, диаметры 38,1-76,2 мм.
• Зеркало с нулевым фазовым сдвигом одинаково отражает s- и p-компоненты при заданном угле, обычно 45°, поэтому после фазовращателя ставят только такие поворотные зеркала: иначе круговая поляризация станет эллиптической.
• Охлаждаемые металлические зеркала с водяным контуром работают в мощных системах на подложках из бескислородной меди М0б, молибдена или инвара, железоникелевого сплава с малым ТКЛР.
  

  Фазовращатель 90° переводит линейную поляризацию промышленных CO₂-лазеров резки металла в круговую, чтобы ширина реза не зависела от направления (по данным LBP Optics и Coherent).

Диаметр, держатель и ГОСТы: как задать зеркало в чертеже

В листингах Cloudray, OMTech и MCWlaser типовые диаметры поворотных зеркал 19,05; 20; 25 и 30 мм, у молибденовых зеркал диаметром 20 и 30 мм толщина 3 мм. Отражающее зеркало 25 мм встанет только в держатель зеркала для лазера CO2 под этот диаметр, поэтому посадочное гнездо измеряют до заказа.

С 2004 года мы изготавливаем зеркала любого размера по чертежу или ТЗ с классом чистоты поверхности.

Маршрут заказа разобран в статье ИК-оптика на заказ: от ТЗ до приёмки, а в ТЗ на зеркало входят шесть позиций:

1. Подложка: медь, молибден или кремний.
2. Диаметр и толщина с допусками.
3. Плоскостность или радиус кривизны.
4. Покрытие, R на 10,6 мкм, угол падения и поляризация.
5. Класс чистоты по ГОСТ 11141-84.
6. Канал охлаждения, если нужен.

Чем и как часто чистить зеркала лазерного станка: методика по типу покрытия

Твёрдые поверхности по методике TWI чистят методом «drop and drag»: несколько капель ацетона наносят на безворсовую линзовую салфетку, кладут её на зеркало, протягивают и снимают остаток сухой частью.

TWI советует чистить оптику по мере загрязнения. По практике мастерских это 40-50 ч работы (stanok.com.ru), у macrooptica.ru 40 ч для кремниевых зеркал. При сильно дымящих материалах stanok.com.ru советует чистить чаще, а после резки пластика обязательно.

Если паспорта нет и покрытие неизвестно, чистку ограничивают бесконтактным обдувом: салфеткой без установленного типа покрытия не пользуются, мягкое золото от касания повреждается.

Юстировка зеркал лазерного станка после чистки и замены

После снятия или замены зеркала тракт юстируют от зеркала 1 к голове

По методикам adhmt.com и burn-it.ru, после снятия или замены любого зеркала настройку зеркал лазерного станка ведут тестом со скотчем. Малярный скотч клеят на держатель следующего зеркала и дают импульс в ближней и дальней точке хода каретки, пока пятна не совпадут.

1. Зеркало 1 настраивают по зеркалу 2 вдоль хода по оси Y.
2. Зеркало 2 настраивают по зеркалу 3 вдоль хода по оси X.
3. Зеркалом 3 выводят луч в центр сопла.
4. Проверяют, что пятно в центре зеркала. Если луч бьёт в край держателя, металл греется и фанера не прорезается: по данным burn-it.ru, это частая ошибка.

Состояние тракта проверяют ваттметром на выходе трубки и после третьего зеркала. Отношение замеров сравнивают с ориентиром: для новых зеркал 0,94 у молибдена и 0,97-0,985 у кремния с золотом, для использованных с усиленным покрытием 0,94 при R = 98% по обзору EOC. Если замер заметно ниже своего ориентира, зеркала чистят, повторяют юстировку и замер и только потом меняют.

Как понять, что зеркало пора менять, а не чистить? Признаки замены: несмываемое тёмное пятно прогара, отслоение или пузыри покрытия, царапины до подложки. Для золочёной меди правило мягче: по EOC, локальные прожоги, пыль и царапины гальванического золота мало влияют на работу зеркала.

Восстановление использованных зеркал до исходной спецификации предлагают поставщики оптики, например EOC. Кремниевое зеркало с золотом при износе меняют: полировка снимает покрытие. Замену подбирают под гнездо держателя и мощность трубки, поскольку зеркала для CO2-лазеров из меди, молибдена и кремния различаются отражением и нагревом.

Какие зеркала для CO2-лазера выбрать: сводная таблица

Частые вопросы

Какое зеркало лучше для CO2-станка: молибден или кремний?

Молибден без покрытия отражает 98% излучения 10,6 мкм и переносит запылённый цех, щётки и растворители. Кремниевое зеркало с золотом отражает 99-99,5% и поглощает в 2-4 раза меньше тепла, но требует бережной чистки.

Сколько мощности теряется на трёх зеркалах лазерного станка?

После трёх зеркал до линзы доходит R³ мощности трубки: 94,1% у молибдена (R = 0,98) и 97-98,5% у новых кремниевых зеркал с золотом; у использованных зеркал с усиленным покрытием, по обзору EOC, R обычно 98%. Одно молибденовое зеркало теряет 2%, и встречающаяся оценка в 5% на зеркало с этим не согласуется.

Чем чистить зеркала лазерного станка и можно ли спиртом?

По TWI, твёрдое золото чистят ацетоном методом drop and drag, а спирт допустим, но испаряется медленнее и оставляет больше разводов. Мягкое золото чистят только бесконтактно, ацетоном и сухим азотом, а диэлектрический слой кремниевых зеркал и фазовращателей не мочат водой. Молибден без покрытия, по данным EOC, выдерживает щётки и растворители; в мастерских зеркала чистят каждые 40-50 ч работы.

Как часто чистить зеркала для CO2-лазера?

TWI советует чистить оптику по мере загрязнения. В мастерских, по данным stanok.com.ru, зеркала чистят каждые 40-50 ч работы, а после резки сильно дымящих материалов чаще.

Почему на зеркале появилось тёмное пятно и можно ли его отчистить?

Если пятно не смывается растворителем, это прогар: налёт поглотил излучение 10,6 мкм, перегрелся и прожёг покрытие. Кремниевое зеркало с золотом после прогара меняют, а налёт без прожога снимают обычной чисткой.

Нужна ли юстировка после чистки или замены зеркала?

После снятия или замены зеркала тракт юстируют заново: три зеркала настраивают по очереди от первого к третьему до совпадения пятен в ближней и дальней точке хода каретки. При регулярной чистке первые два зеркала, как советует torden.ru, с держателей не снимают.

Можно ли отполировать или восстановить изношенное молибденовое зеркало?

Восстановить использованное зеркало до исходной спецификации предлагают поставщики оптики, например EOC, а LBP Optics называет молибден твёрдым, но трудным в обработке металлом. У голого молибдена R 97-98%, загрязнение с него снимают щётками и растворителями (EOC), а зеркало с прогаром или царапинами до подложки меняют. Полировка кремниевого зеркала с золотом снимает покрытие, поэтому при износе его меняют.

Кварц-Пром изготавливает поворотные и фокусирующие зеркала для CO2-лазера по чертежу из меди, молибдена и кремния с золотым или медным покрытием, выходные зеркала из ZnSe и Ge и охлаждаемые металлические. Для подбора подложки укажите в ТЗ диаметр, толщину, тип покрытия и мощность излучателя.