DE3900467C2 - Vorrichtung mit einem Spiegelkopf - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein wesentlicher Aspekt bei Hochleistungslasern ist der Strahlen-Mode, wobei ein möglichst verzerrungsfreier Strahl im Mode TEM OO angestrebt wird. Veränderungen der an der Strahlumlenkung im Inneren des Lasers beteiligten Elemente, wie der Spiegel und deren Halterungen, können jedoch während des Betriebs Verzerrungen bewirken. Nach der gattungsgemäßen DE-AS 16 39 199 wird die Rückseite eines Spiegels unmittelbar vom Kühlmittel umspült, wodurch thermische Verformungen des Spiegels verringert werden, wobei dieser Spiegel zudem als recht massiver Metallblock ausgebildet ist. Man kann damit jedoch thermische Verformungen des Spiegels nicht völlig vermeiden. Auch werden dadurch Veränderungen im Bereich der Spiegelhalterungen nicht erfaßt. Zwar wird auch dieser Bereich im Allgemeinen gekühlt, doch können Lageveränderungen über die Kühlung mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand nur in beschränktem Umfang verhindert werden, so daß eine Verzerrung des angeregten Laserstrahls auftritt, insbesondere wenn die Laserleistung variiert wird, da sich dann die Betriebsparameter verändern.

Aus der DE 35 02 024 A1 ist ein Laserspiegelkopf bekannt, bei dem der Spiegel über eine Vielzahl daran angreifender Aktuatoren ständig so verformt wird, daß durch seine "Verzerrung" die von atmosphärischen Störeinflüssen bei der Ausbreitung des vom Spiegel abgestrahlten oder empfangenen Laserstrahls verursachten Verzerrungen wieder kompensiert werden. Die Aktuatoren, die vorzugsweise nach dem piezoelektrischen Prinzip wirken, sind ihrerseits jeweils an hydraulischen Kolben abgestützt, deren zugehörige Zylinderkammern in der massiven Rückwand des Spiegelkopfes angeordnet sind. Von der Rückseite her ragen verstellbare Verdrängungskörper quasi als Druckerzeuger jeweils in den Fluidraum jedes einzelnen Zylinders, um deren Grundstellung einjustieren zu können. Es sollen damit einerseits die fertigungsbedingten Längenunterschiede der Aktuatoren ausgeglichen werden, andererseits sollen mit dieser Zylinder-Zwischenschaltung unsachgemäße Deformationen der dünnen Spiegelplatte bereits bei der Montage der Widerlager der vielen Aktuatoren vermieden werden. Dieser verformbare Laserspiegel ist für das Senden und Empfangen eines Laserstrahls außerhalb des eigentlichen Hochleistungslasers konzipiert, eines Laserstrahls von erheblich größerem Strahldurchmesser als dem im Inneren eines Lasererzeugers. Es ist dieses Prinzip daher nicht in das Laserinnere übertragbar, da im Strahlerzeugungsweg erheblich kleinere Strahlendurchmesser auftreten, so daß die hierfür wirksame Spiegelfläche zu klein ist, um mehrere Aktuatoren in vorstehender Weise nebeneinander am Spiegel angreifen zu lassen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art zu schaffen, die es ermöglicht, mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand den im Laserinneren angeregten Laserstrahl während der Betriebsdauer stets zu optimieren, um somit die Laserleistung bei gegebener Baugröße zu erhöhen, bzw. einen vorgegebenen Strahlen-Mode beizubehalten.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1.

Dadurch, daß gezielt die Brennweite des Spiegels variiert wird, können Störeinflüsse vielfältiger Art bei der Strahlanregung und Umlenkung ständig korrigiert werden, wobei der mechanische Aufwand gegenüber der herkömmlichen reinen Spiegelkühlung minimal ist. Dabei tritt ein Synergieeffekt insofern ein, als die Strahlenoptimierung zufolge der anpaßbaren Spiegelwölbung eine höhere spezifische Strahlenenergie zur Folge hat, die eine stärkere Erwärmung des Spiegels bewirkt. Diese aber wird über die dünne Spiegelscheibe rascher und effektiver auf das unmittelbar an ihrer Rückseite zirkulierende Kühlmedium übertragen und abgeführt. Effektive Kühlung und Strahlenoptimierung ergänzen sich zu einem Hochleistungslasersystem hoher spezifischer Leistung.

Die Ausgestaltung nach Anspruch 2 bewirkt eine besonders gute Wärmeleitung in Verbindung mit einer guten Biegbarkeit des Spiegels. Der Spiegel erhält außerdem die nötige Reflexionseigenschaft ohne aufgedampfter Reflexschicht (z. B. Gold), womit etwaige Ablösungserscheinungen solcher Schichten infolge der Biegebeanspruchung nicht zu befürchten sind.

Mit der Weiterbildung nach Anspruch 3 wird die am stärksten aufgeheizte Zone des Spiegels mit bestem Wirkungsgrad gekühlt.

Gemäß Anspruch 4 ergibt sich eine weitere Optimierung der Kühlwirkung, da die Strömungsverteilung gleichmäßiger ist.

Es hat sich gezeigt, daß eine gute Strahlkorrektur gemäß der Ausbildung nach Anspruch 5 zu erzielen ist.

Gemäß der Ausgestaltung nach Anspruch 6 kann man Einstellungen reproduzieren und überwachen.

Durch die Weiterbildungen der Ansprüche 7, 8 und 9 erhält man leichter auswertbare Ergebnisse der Anzeige.

Man kann gemäß Anspruch 10 den Spiegel entweder konkav oder konvex mehr oder weniger stark ausbeulen oder aber bei entsprechendem Mehraufwand hinsichtlich des Druckerzeugers auch alle Einstellungen von konkav bis konvex vorsehen. Dies richtet sich danach, welche Art von Fehler im Laser auftritt und auskorrigiert werden muß.

Der Anspruch 11 benennt einen technisch gut und ohne großem Aufwand beherrschbaren Druckbereich.

Gemäß der Weiterbildung nach Anspruch 12 kann man die Biegecharakteristik des Spiegels gezielt beeinflussen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Vorrichtung mit Fluid-Kühlvorrichtung und Druckerzeuger in schematischer Darstellung in Verbindung mit einem im Querschnitt dargestellten Spiegelkopf,

Fig. 2 eine Schemadarstellung des Strahlenweges in einem Laser,

Fig. 3 einen Querschnitt durch einen Spiegel mit nicht konstanter Dicke.

Eine Wand 11 eines im übrigen abgebrochen gezeichneten Flansches 12 hat koaxial zu einer geometrischen Längsachse 13 eine Durchgangsbohrung 14. In dieser sitzt ein Spiegelkopf 16. Ein Gehäuse 17 ist kreiszylindrisch zur geometrischen Längsachse 13 und steckt gasdicht in der Durchgangsbohrung 14. Auf seine linke Stirnseite 18, die koaxial und radial liegt, ist ein Fassungsring 19 mit Schrauben 21 aufgeschraubt.

Der Fassungsring 19 hat eine nach außen gerichtete Fase 22. Ein Spiegel 23 hat eine Vorderseite 24 und eine Rückseite 26. Die Vorderseite 24 ist poliert. Sein Randbereich 27 ist bis auf 5 cm Durchmesser vom Fassungsring 19 abgedeckt, so daß die im Durchmesser darüber hinausstehenden 1,5 cm zur sicheren Fassung zur Verfügung stehen. Der koaxial zur geometrischen Längsachse 13 verlaufende Laserstrahl ist 30 mm im Durchmesser, so daß die nicht abgedeckte Vorderseite 24 lediglich zu 75% vom Laserstrahl beaufschlagt wird und Randeigenschaften des Spiegels 23 vernachlässigt werden können.

Mittels Schrauben 28 ist auf die rückseitige Stirnfläche 29 des Gehäuses 17 ein im wesentlichen koaxialer Deckel 31 aufgeschraubt, der - wie der Fassungsring 19 und das Gehäuse 17 - recht biegesteif ist. Im Gehäuse 17 rechts vom Spiegel 23 und links vom Deckel 31 befindet sich ein metallischer Druckkörper 32, der einen topfförmigen Querschnitt hat. Die Außenseite 33, soweit sie der Rückseite 28 gegenüberliegt, hat von dieser einen Abstand, so daß hier ein Hohlraum 33 von etwa 1 mm Dicke und einem Radius von 5 cm entsteht. Soweit der Druckkörper 32 in seinem äußeren Randbereich dem Fassungsring 19 gegenüberliegt, springt die Außenfläche 36 um den vorher erwähnten 1 mm weiter nach links. Der Druck­ körper 32 ist ein um die geometrische Längsachse 13 erzeugter Rotationskörper, der gemäß der Zeichnung koaxial zur geometrischen Längsachse 13 ist. In die Außenfläche 36 ist von links eine Nut 37 eingestochen, in der ein O-Ring 38 liegt. Wird der Druckkörper 32 relativ zum Gehäuse 17, Spiegel 23 und Fassungs­ ring 19 nach links gedrückt, dann dichtet nicht nur der O-Ring 38 flüssigkeits­ dicht und gasdicht. Vielmehr entsteht zwischen der Ecke 39, gebildet durch den Sprung zwischen Außenfläche 34 und Außenfläche 36, und der Ecke 41, gebildet durch die rechte Stirnfläche des Fassungsrings 19 und der etwa 1 mm hohen Durch­ gangsbohrung 42 eine exakte Einspannung des Spiegels 23.

Die Außenfläche des zentralen und koaxialen Hohlraums 45 des Druckkörpers 32 hat ein Innengewinde 43. In dieses ist eine Schraube 44 mit Außengewinde 46 geschraubt. Die Schraube 44 hat eine zentrische Durchgangsbohrung 47 und einen Innensechskant 48, der wegen eines Zentrallochs 49 des Deckels 31 von rechts her zugänglich ist. Schraubt man die Schraube 44 aus dem Innengewinde 43 heraus, dann drückt die rechte Stirnfläche 51 der Schraube 44 gegen die linke Fläche 52 des Deckels 31 und dadurch wird der O-Ring 38 samt Außenfläche 36 und Randbereich 27 gegen die rechte Stirnfläche des Fassungsrings 19 gepreßt. Der Druckkörper 32 hat in seinem Boden 53 eine Zentralbohrung 54. In ihrem rechten Bereich hat diese ein Innengewinde 56, in das ein Zentralrohr 57 mit seinem Außengewinde 58 ge­ schraubt ist. Das Zentralrohr 57 durchquert die Durchgangsbohrung 47 berührungslos. Die Mündung 59 der Zentralbohrung 54 mündet in den Hohlraum 33. Radial vor der Außenfläche 36 hat der Druckkörper 32 Außenbohrungen 61, deren Mündungen 62 ebenfalls mit dem Hohlraum 33 kommunizieren. Die Außenbohrungen 61 haben Innengewinde 63, in die Außenrohre 64 mit deren Außengewinde 66 geschraubt sind. Die Außenrohre 64 durchqueren den Deckel 31 in passenden Durchgangs­ bohrungen 67, so daß die Außenrohre 64 den Druckkörper 32 am Rotieren hindern, wenn die Schraube 44 herausgeschraubt wird.

Um die gesamte in der Durchgangsbohrung 14 sitzende Einheit in sich verstellen zu können, hat der Deckel 31 in seinem über das Gehäuse 17 hinausstehenden Rand drei winkelmäßig gleich verteilte Durchgangsbohrungen 68, in die Schrauben 69 eingeschraubt sind, deren Gewinde in Gewindebohrungen 71 der Wand 11 sitzen. Zwischen dem Kopf 72 und dem Deckel 31 sitzen Tellerfedern 73. Durch die drei winkel­ mäßig gleichmäßig verteilten Schrauben 69 wird damit der Deckel 31 und somit der ganze Spiegelkopf 16 nach links gedrängt. In ebenfalls gleichmäßiger winkel­ mäßiger Verteilung sind im Randbereich des Deckels 31 drei Gewindedurchgangs­ bohrungen 74 vorgesehen, in die Einstellschrauben 76 eingeschraubt sind, welche mit ihrem Fuß 77 gegen Steine 78 drücken, welche an der Wand 11 befestigt sind. Durch Verdrehen der drei Einstellschrauben 76 kann man die geometrische Längs­ achse 13 des Spiegelkopfs 16 insgesamt verstellen. Mit einem Rad 80 kann in einem Druckerzeuger 79 der Druck bis zu 8 Bar verstellt werden. Der Druck, geeicht in Brennweite-Werten, wird in einer Anzeige 81 angezeigt. Der Druck­ erzeuger 79 liefert über eine Leitung 82 Wasser an einen Kühler 83, der dieses Wasser über eine Leitung 84 zu dem Zentralrohr 57 leitet. Aus dessen Mündung 59 gelangt es in den Hohlraum 33. Für diesen Fall des Überdrucks wird der Spiegel 23 bei 8 Bar um 35 µm dort nach links gedrückt, wo ihn die geometrische Längsachse 13 durchdringt. Das Wasser fließt im Hohlraum 33 scheibenförmig nach außen bis zu den Mündungen 62 und gelangt dann wieder über die Außenrohre 64 und Leitungen 86 zum Druckerzeuger 79 zurück.

Gemäß Fig. 2 handelt es sich um einen dreifach gefalteten Laser mit einem 100%-Endspiegel 87 und einem teilweise durchlässigen Endspiegel 88. Drei Spiegelköpfe sind von üblicher Form und es ist ein Spiegelkopf 16 gemäß der Erfindung vorgesehen. Mit diesem allein wird der Laserstrahl 91 korrigiert.

Gemäß Fig. 3 hat man einen Spiegel 92, dessen Vorderseite 93 nach wie vor plan eben und poliert ist. Seine Rückseite ist im Bereich des Fassungsrands 94 nach wie vor parallel zur Vorderseite 93. Soweit er jedoch einwärts von den Ecken 39, 41 (Fig. 1) liegt, hat er eine konkav geformte Rückseite 96, deren dünnste Stelle in der geometrischen Längsachse 13 liegt.

Die Durchbiegung der Spiegel 23, 92 kann man am Rad 78 von Hand einstellen. Man kann aber auch eine nicht dargestellte Rückkopplungsvorrichtung verwenden, die die Qualität des Laserstrahls 91 erfaßt und während des Laufbetriebs des Lasers den Druckerzeuger 79 so regelt, daß der Druck den Spiegel 23, 92 nach Bedarf einbeult oder ausbeult.

Claims (12)

1. Vorrichtung mit einem Spiegelkopf zur Verwendung in einem Laser hoher Leistung,
mit einem metallischen Spiegel, der eine spiegelnde Vorderseite mit einer freiliegenden Zentralregion, einen diesen umgebenden Außenrand und eine Rückseite aufweist,
mit einer Halterung des Außenrandes im Spiegelkopf,
mit einer Fluid-Leitungsvorrichtung im Spiegelkopf, umfassend einen an die Rückseite des Spiegels unmittelbar anschließenden Hohlraum, eine in den Hohlraum mündende Fluid-Zuleitung und eine aus dem Hohlraum führende Fluid-Ableitung, welche Fluid-Leitungsvorrichtung an eine Fluid-Kühlvorrichtung anschließbar ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Zentralregion des Spiegels (23) als im Verhältnis zu ihrem Durchmesser dünne Scheibe ausgebildet ist, so daß die Zentralregion senkrecht zur Vorderseite (24) gebogen werden kann nach Maßgabe des Fluiddrucks im Hohlraum (33)
und daß die Fluid-Leitungsvorrichtung (54, 57, 61, 64, 84, 86) an einen Druckerzeuger (79) anschließbar ist, mit einer Druckeinstellvorrichtung zur Einstellung des Fluiddrucks im Hohlraum (33).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (23) aus einer Kupferlegierung besteht und seine Vorderseite (24) poliert ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluid-Zuleitung (54, 57) ihre Mündung (59) im Mittenbereich der Rückseite (26) des Spiegels (23) hat und die Mündung (62) der Fluid-Ableitung (61, 64) im Randbereich des Hohlraums (33) liegt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Fluid-Ableitungen (61, 64) vorgesehen sind, deren Mündungen (62) winkelmäßig regelmäßig verteilt sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elastizität des Spiegels (23) einen Wert hat, bei dem sich die Mitte des Spiegels um mehrere 10 µm verbiegt, wenn der volle Fluiddruck im Hohlraum (33) anliegt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Druck-Anzeigevorrichtung (81) vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeige der Druck-Anzeigevorrichtung (81) in Spiegel-Verbiegezustands-Werten geeicht ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß diese Werte die Ausbeulung des Spiegels (23) in seinem Mittenbereich repräsentieren.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß diese Werte die jeweilige Brennweite des Spiegels (23) repräsentieren.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckerzeuger (79) negativen und/oder positiven Druck relativ zum Umgebungsdruck an der Vorderseite (24) des Spiegels (23) erzeugt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der positive Druck im Bereich von 10⁵ Pascal liegt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Spiegels (92) zumindest im Mittenbereich nicht konstant ist.