CH680542A5 - - Google Patents

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CH680542A5
CH680542A5 CH4414/89A CH441489A CH680542A5 CH 680542 A5 CH680542 A5 CH 680542A5 CH 4414/89 A CH4414/89 A CH 4414/89A CH 441489 A CH441489 A CH 441489A CH 680542 A5 CH680542 A5 CH 680542A5
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CH
Switzerland
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mirror
fluid
pressure
cavity
central region
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CH4414/89A
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Inventor
Adolf Dr Rer Nat Giesen
Bea Dipl-Phys Martin
Original Assignee
Trumpf Lasertechnik Gmbh
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Description

1
CH 680 542 A5
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Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.
Bei Hochleistungslasern besteht seit je her der Wunsch nach dem TEM 00-Mode. Einen Anteil an der eventuellen Verzerrung des Strahls haben die Spiegel. Die Oberfläche der Spiegel verformt sich u.a. dadurch, dass sie sich erwärmen. Zwar kühlt man die Spiegel. Trotzdem kann die Kühlung nicht ideal sein. Ausserdem kann es geschehen, dass bei einer Mehrzahl von verwendeten Spiegeln die Kühlung unterschiedlich ist, so dass die Verformung der Spiegel nicht nur vorhanden sondern unterschiedlich vorhanden ist. Die konstruktiven Massnahmen, um die Kühlflüssigkeit vom Lasergas zu trennen, sind enorm.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung anzugeben, mit der man den Laserstrahl optimieren kann, wenn seine Form sich in ungünstiger Weise ändert. Diese Nachbesserung soll auch während des Betriebs des Lasers möglich sein.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe durch die aus dem kennzeichnenden Teil des vollständigen Anspruchs ersichtlichen Merkmale gelöst. Man ist nun in der Lage, durch Überdruck konvexe Spiegel oder durch Unterdruck konkave Spiegel herzustellen.
Der zusätzliche Aufwand ist minimal.
Durch die Merkmale des Anspruchs 2 erreicht man, dass man einen gut wärmeleitenden Spiegel hat, der vergleichsweise leicht verbogen werden kann. Wenn er nicht bedampft ist, z.B. mit einer Goldschicht, so wird diese weder auf Zug noch auf Druck beansprucht.
Durch die Merkmale des Anspruchs 3 erreicht man einen genügend dünnen Spiegel mit genügend hoher Fläche, so dass der Druck technisch ohne weiteres beherrschbar ist, der die Durchbiegung erzeugen muss.
Durch die Merkmale des Anspruchs 4 erspart man Zwischenglieder, der Druck drückt direkt auf die ganze freiliegende Rückseite und es ist physikalisch auch eher vorhersagbar, wie sich der Spiegel verformen wird. Die Dichtung liegt im Einspannbereich des Spiegels und stört das Verhalten des Spiegels nicht. Ausserdem ist dann der Dichtungsaufwand am geringsten.
Durch die Merkmale des Anspruchs 5 kann man nicht nur den Spiegel aus- oder einbeulen, sondern man kann ihn auch noch zusätzlich kühlen. Solche Fluids gibt es ja auf dem Gebiet der Hochleistungslaser ohnehin, wie z.B. Wasser, Öl oder dgl. Man braucht hier keinen besonderen Fluid-Vorratsbe-hälter und auch keine zusätzlichen Leitungen, Druckerzeuger anderer Art oder dgl.
Durch die Merkmale des Anspruchs 6 erreicht man, dass der am wärmsten werdende Bereich des Spiegels am besten gekühlt wird, wobei davon auszugehen ist, dass etwa 1,5% der Laserleistung im Spiegel als Verlustleistung bleibt und diesen erwärmt.
Durch die Merkmale des Anspruchs 7 erreicht man ein überschaubares, regelmässiges und in der
Wirkung vorhersagbares Strömungsbild des Fluids.
Durch die Merkmale des Anspruchs 8 erreicht man ein besonders einfaches Fluid, das zugleich auch nicht kompressibel ist und trotzdem umweltfreundlich ist.
In der Erprobung hat sich gezeigt, dass Spiegel mit Kennwerten gemäss dem Anspruch 9 ausgezeichnet einsetzbar sind.
Durch die Merkmale des Anspruchs 10 kann man in einer einzigen Masche den Druck erzeugen, kühlen und den Druck einstellen.
Durch die Merkmale des Anspruchs 11 erhält man eine reproduzierbare Anzeige für die Ausbeulung oder Einbeulung des Spiegels.
Durch die Merkmale des Anspruchs 12 erspart man sich Umrechenarbeiten.
Durch die Merkmale des Anspruchs 13 erhält man ein repräsentatives Mass für die positive oder negative Ausbeulung.
Durch die Merkmale des Anspruchs 14 erhält man ein für optisch arbeitende Geräte gut verwendbares Mass.
Durch die Merkmale des Anspruchs 15 kann man sowohl einen zerstreuenden als auch einen sammelnden Spiegel betreiben. Im Falle von «und» kann man alle Zustände zwischen diesen beiden Arten stufenlos herstellen.
Durch die Merkmale des Anspruchs 16 erreicht man technisch leicht herstellbare Drücke, so dass kein zu grosser Aufwand notwendig wird.
Durch die Merkmale des Anspruchs 17 kann man Verbiegungsformen des Spiegels erreichen, die von derjenigen abweichen, die bei Spiegeln gleicher Materialdicke auftreten.
Nunmehr werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 einen radialen Querschnitt durch einen Spiegelkopf im Massstab 1:1 mit schematischer Schaltung,
Fig. 2 eine schematische Darstellung des Laserstrahlverlaufs und
Fig. 3 einen Querschnitt durch einen Spiegel mit nicht konstanter Dicke.
Eine Wand 11 eines im übrigen abgebrochen gezeichneten Flansches 12 hat koaxial zur geometrischen Längsachse 13 eine Durchgangsbohrung 14. In dieser sitzt ein Spiegelkopf 16. Ein Gehäuse 17 ist kreiszylindrisch zur 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
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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 Druckkörper 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 Fassungsring 19 nach links gedrückt, dann dichtet nicht nur der O-Ring 38 flüssigkeitsdicht 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 Durchgangsbohrung 42 eine exakte Einspannung des Spiegels 23.
Die Aussenfläche des zentralen und koaxialen Hohlraums 43 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 In-nensechskant 48, der wegen eines Zentraliochs 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, 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 geschraubt 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 Aussen-bohrungen 61, deren Mündung 62 ebenfalls mit dem Hohlraum 33 kommuniziert. 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 Durchgangsbohrungen 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 sitzen. Zwischen dem Kopf 72 und dem Deckel 31 sitzen Tellerfedern 73. Durch die drei win-5 kelmässig gleichmässig verteilten Schrauben 69 wird damit der Deckel 31 und somit der ganze Spie-gelkopf 16 nach links gedrängt. In ebenfalls gleich-mässiger winkelmässiger Verteilung sind im Randbereich des Deckels 31 drei Gewindedurchgangsboh-10 rungen 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 Längsachse 13 des 15 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 Druckerzeuger 79 liefert über eine Lei-20 tung 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 um dort nach links ge-25 drückt, 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. 30 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. 35 Mit diesem allein wird der Laserstrahl 91 korrigiert.
Gemäss Fig. 3 hat man einen Spiegel 92, dessen Vorderseite 93 nach wie vor plan und poliert ist. Seine Rückseite ist im Bereich des Fassungsrands 94 nach wie vor parallel zur Vorderseite 93. Soweit 40 er jedoch einwärts von den Ecken 39, 41 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 45 auch eine nicht dargestellte Rückkopplungsvorrich-tung 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 50 ausbeult.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung kann auch für die Korrektur eines Laserstrahls verwendet werden, der den Laser-Resonator schon verlassen hat. Ferner kann er auch dazu verwendet werden, 55 den Fokusbereich bewusst zu verändern.

Claims (17)

Patentansprüche
1. Vorrichtung für einen Spiegelkopf von Lasern 60 hoher Leistung, mit einem metallischen Spiegel, der eine spiegelnde Vorderseite und eine Rückseite aufweist, mit einer ersten Anpressfläche für die Vorderseite des Aussenrands des Spiegels, mit einer zweiten Anpressfläche für die Rückseite des 65 Aussenrands des Spiegels und mit einer Fluid-Lei-
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tungsvorrichtung im vom Spiegel abgewandten Bereich des Laserkopfs, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
a) Der Spiegel ist eine im Verhältnis zu seinem freiliegenden Durchmesser dünne Scheibe.
b) Im Spiegelkopf auf der Rückseite des Spiegels ist ein Hohlraum vorgesehen.
c) Der Hohlraum kommuniziert mit der Fluid-Lei-
tungsvorrichtung.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel aus einer Kupferlegierung ist und dass seine spiegelnde Vorderseite poliert ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis 7,5:2 ± 30% ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückseite direkt die eine Begrenzungswand des Hohlraums darstellt und dass im Randbereich des Spiegels eine Dichtung vorgesehen ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl zumindest eine Fluid-Zu-leitungsvorrichtung als auch zumindest eine Fluid-Ableitungsvorrichtung vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluid-Zuleitungsvorrich-tung ihre Mündung im Mittenbereich der Rückseite des Spiegels hat und die Mündung der Fluid-Ablei-tungsvorrichtung im Randbereich des Hohlraums liegt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Fluid-Ableitungsvor-richtungen vorgesehen sind und dass die Mündungen der Fluid-Ableitungsvorrichtungen winkelmäs-sig regelmässig angeordnet sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid Wasser ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elastizität des Spiegels einen Betrag hat, bei dem sich die Mitte des Spiegels um einige Deka-Mikrometer verbiegt, wenn der volle Fluiddruck anliegt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluid-Zuleitungsvor-richtungen an einen Druckerzeuger und an eine Kühlvorrichtung angeschlossen sind und dass eine Druckeinstellvorrichtung vorgesehen ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Druck-Anzeigevorrich-tung vorgesehen ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzeigevorrichtung in Spie-gel-Verbiegezustands-Werten geeicht ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass diese Werte die Ausbeulung des Spiegels in seinem Mittenbereich sind.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass diese Werte die Brennweite des Spiegels sind.
15. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckerzeuger negativen und/oder positiven Druck erzeugt.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der positive Druck im Barbereich liegt.
17. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Spiegels zumindest im Mittenbereich nicht konstant ist.
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