DE102010036161B4

DE102010036161B4 - Strahlfalle zur Absorption der Strahlungsenergie unerwünschter Laserstrahlung

Info

Publication number: DE102010036161B4
Application number: DE102010036161A
Authority: DE
Inventors: Uwe Wolf; Dr. Degen Artur
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 2010-09-02
Filing date: 2010-09-02
Publication date: 2013-10-31
Anticipated expiration: 2030-09-03
Also published as: DE102010036161A1

Abstract

Strahlfalle, ausgebildet zur Absorption der Strahlungsenergie unerwünschter Laserstrahlung (4), umfassend zwei Reflektoren (5, 7), wobei – mindestens einer der beiden Reflektoren (5, 7) mit einer Strahlungsenergie absorbierenden Beschichtung versehen ist, – beide Reflektoren (5, 7) so zueinander positioniert sind, dass – die auf einen ersten Reflektor (5) treffende und dabei reflektierte Laserstrahlung (4) auf den zweiten Reflektor (7) gerichtet ist, und – die auf den zweiten Reflektor (7) treffende und dabei reflektierte Laserstrahlung (4) zurück auf den ersten Reflektor (5) gerichtet ist, so dass – nach vielfachen Reflexionen und dabei stetiger teilweiser Absorption die Strahlungsenergie absorbiert ist, wobei – der erste Reflektor (5) als Kegel mit einer sich in Einfallsrichtung der Laserstrahlung (4) konisch erweiternden reflektierenden Mantelfläche ausgebildet ist, und – der zweite Reflektor (7) eine in einem vorgegebenen Abstand die Mantelfläche umschließende reflektierende Oberfläche mit Strukturen (6) aufweist, durch welche die auftreffende Laserstrahlung (4) stets zurück auf die Mantelfläche gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturen (6) des zweiten Reflektors (7) durch Rillen mit sich in radialer Richtung verjüngenden Rillenbreiten gebildet sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Strahlfalle, ausgebildet zur Absorption der Strahlungsenergie unerwünschter Laserstrahlung.
Strahlfallen sind an sich bekannt. Sie werden dort eingesetzt, wo Laserstrahlung aufgefangen und kontrolliert geblockt werden soll.
Unter Laborbedingungen werden sie zur Absorption von Laserstreustrahlung eingesetzt, während sie bei Messgeräten, die mit Laserstrahlung arbeiten, dazu dienen, die Strahlungsenergie der Messstrahlung im Leistungsbereich des Gerätes zu halten oder auch Streu- oder sonstige nicht genutzte Energie im Strahlengang möglichst vollständig zu absorbieren oder zu eliminieren.
Aus der DE 10 2004 038 321 A1 ist eine Lichtfalle mit einem Zuführelement und einem Hohlelement zur Aufnahme von unerwünschten Licht bekannt.
In JP 01146386 A ist ein LASER BEAM DUMP beschrieben mit einem zentralen kegelförmigen Reflektor, dessen Mantelfläche im Querschnitt so nach außen gewölbt ist, dass ein einfallender Laserstrahl aufgeweitet und in Richtung eines den zentralen Reflektor umschließenden Absorbers gelenkt wird.
In US 4 864 098 A ist ein HIGH POWERED BEAM DUMP beschrieben, ausgebildet zur Energieabsorption bei der Arbeit mit Hochleistungs-Lasern für Zeitspannen, in denen sich der Laserstrahl außer Kontakt mit einem zu bearbeitenden Werkzeug befindet. In diese Strahlfalle tritt die zu absorbierende Laserstrahlung durch eine Eintrittsöffnung hindurch ein, trifft auf die Mantelfläche eines kegelförmigen Reflektors und wird von dieser auf einen Absorber gelenkt, der die Mantelfläche zentrisch umschließt.
Material und Oberflächengüte des Absorbers sind auf die Wellenlänge der Laserstrahlung abgestimmt, um ein optimales Absorptionsvermögen zu erzielen. Die aufgrund der Absorption entstehende Wärme wird vom Absorber in einen Kupferzylinder geleitet und von dort über eine Kühlwicklung abtransportiert, die mit dem Kupferzylinder in thermischem Kontakt steht und von einem Kühlmittel durchflossen ist.
Diese Strahlfalle ist insbesondere ausgelegt für die Verwendung mit einem Hochleistungs-Carbon-Dioxid-Laser und ist nachteilig technisch sehr aufwendig gestaltet.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Strahlfalle zu entwickeln, die insbesondere zur Absorption von Laserstrahlung im infraroten Wellenlängenbereich geeignet ist und die zudem einen vereinfachten technischen Aufbau hat.
Erfindungsgemäß umfasst eine Strahlfalle der eingangs genannten Art zwei Reflektoren, wobei

– mindestens einer der beiden Reflektoren mit einer Strahlungsenergie absorbierenden Beschichtung versehen ist,
– beide Reflektoren so zueinander positioniert sind, dass die auf einen ersten Reflektor treffende und dabei reflektierte Laserstrahlung auf den zweiten Reflektor gerichtet ist, und
– die auf den zweiten Reflektor treffende und dabei reflektierte Laserstrahlung zurück auf den ersten Reflektor gerichtet ist, so dass
– nach vielfachen Reflexionen und dabei stetiger teilweiser Absorption die Strahlungsenergie absorbiert ist,
– der erste Reflektor als Kegel mit einer sich in Einfallsrichtung der Laserstrahlung konisch erweiternden, reflektierenden Mantelfläche ausgebildet ist, und
– der zweite Reflektor eine die Mantelfläche in einem vorgegebenen Abstand umschließende, reflektierende Oberfläche aufweist, die mit Strukturen versehen ist, durch welche die auftreffende Laserstrahlung stets wieder zurück auf die Mantelfläche des ersten Reflektors reflektiert wird.

Diese Strukturen sind in Form von Rillen gestaltet, deren Breite sich in radialer Richtung – bezogen auf die Mittenachse des kegelförmigen ersten Reflektors – verjüngen.
Obwohl es im Rahmen der Erfindung liegt, entweder nur den ersten oder den zweiten Reflektor mit einer die Strahlungsenergie absorbierenden Beschichtung zu versehen, sind vorzugsweise beide Reflektoren, konkret deren reflektierende Flächen, mit einer absorbierenden Beschichtung versehen, so dass mit jeder Reflexion der Laserstrahlung zugleich auch eine Verringerung der Strahlungsintensität und damit eine Reduzierung der Strahlungsenergie erzielt wird.
Bevorzugt ist die absorbierende Beschichtung beider Reflektoren auf den Infrarot-Wellenlängenbereich abgestimmt und somit die erfindungsgemäße Strahlfalle insbesondere zur Absorption der Strahlungsenergie von Laserlicht im Infrarot-Wellenlängenbereich geeignet.
Als absorbierende Beschichtung kann eine KEPLA-COAT-Beschichtung vorgesehen sein. KEPLA-COAT-Beschichtungen sind an sich als plasmachemische Beschichtungen von Aluminium- und Titanlegierungen bekannt, dort jedoch zum Zweck des Schutzes von Werkstücken, die aus Aluminium oder Titan gefertigt sind, vor Verschleiß und Korrosion. Außerdem sind KEPLA-COAT-Beschichtungen aufgrund ihrer besonderen Oberflächenstruktur im Stand der Technik zur Aufnahme von Schmierstoffen sowie zur nachträglichen Lackierung oder Imprägnierung von Werkstücken vorgesehen.
Vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Strahlfalle mit einer kreisrunden, zentrisch um die Kegelspitze verlaufenden Eintrittsöffnung für die zu absorbierende Laserstrahlung versehen.
Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Dazu zeigt 1 den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Strahlfalle.
Wie aus 1 ersichtlich, ist die hier im Querschnitt dargestellte Strahlfalle 1 mit einer kreisrunden, zentrisch zu einer Mittenachse 2 ausgerichteten Eintrittsöffnung 3 für die zu absorbierende Laserstrahlung 4 versehen.
Durch die Eintrittsöffnung 3 hindurch kann Laserstrahlung 4, etwa in Form eines Strahlenbündels, sowohl parallel zur Richtung der Mittenachse 2 in die Strahlfalle eintreten, wie beispielhaft mittels einer gestrichelten Linie dargestellt, oder auch in einem Winkel 0° ≤ α ≤ 90°, wie anhand der Volllinie ersichtlich. In jedem Fall trifft die Laserstrahlung 4 auf einen kegelförmigen Reflektor 5, der zentrisch zur Mittenachse 2 liegt und dessen Mantelfläche sich in Einfallsrichtung der Laserstrahlung 4 gesehen konisch erweitert. Die Mantelfläche des Reflektors 5 ist sowohl reflektierend als auch absorbierend ausgebildet.
Die reflektierende Wirkung wird beispielsweise mit einer Beschichtung aus Chrom, Gold oder Silber erzielt, die absorbierende Wirkung mittels einer KEPLA-COAT-Beschichtung.
Wenn Schultafellack als absorbierende Schicht verwendet wird, sollte Korrosionsschutzbehandlung vorher erfolgen, z. B. Eloxschicht für Aluminium, Brünieren, chemisch geschwärzt oder vernickelt.
Denkbar ist es auch, statt einer reflektierenden Beschichtung, die als Chromschicht ausgelegt sein kann, die Oberfläche zu polieren oder anders zu bearbeiten, um Reflexion der Strahlen zu ermöglichen.
Der kegelförmige Reflektor 5 kann aus Glas bestehen und als Strahlteiler ausgebildet sein, so dass bestimmte Strahlen im Innern weitergeleitet werden.
Kegelförmiger Reflektor 5 und Reflektor 7 können aus demselben, aber auch aus unterschiedlichem Material gefertigt sein, Priorität hat die im Hinblick auf Reflexion und Absorption optimale Beschichtung.
Wie in 1 anhand von Pfeilrichtungen angedeutet, trifft die Laserstrahlung 4 zunächst auf die Mantelfläche des Reflektors 5 und wird von dieser in Richtung der rillenförmigen Strukturen 6 gelenkt, die an einem zweiten Reflektor 7 ausgebildet sind, der die Mittenachse in einem bestimmten Abstand umschließt.
Auch bei dem Reflektor 7 wird die reflektierende Wirkung beispielsweise mit einer beispielsweise dem Reflektor 5 entsprechenden Beschichtung der rillenförmigen Strukturen 6 erzielt, die absorbierende Wirkung dagegen ebenfalls mittels einer KEPLA-COAT-Beschichtung.
Von den rillenförmigen Strukturen 6 wird die Laserstrahlung 4 zum Reflektor 5 zurückgeworfen und trifft wieder auf dessen reflektierende und absorbierende Mantelfläche.
In Abhängigkeit von der Anzahl der Rillen in der Struktur 6, der Neigung ihrer Innenflächen und ihrer parallel zur Mittenachse 2 gemessenen Breite wird die Laserstrahlung 4 mehrfach zwischen dem Reflektor 5 und dem Reflektor 7 hin und her reflektiert und trifft bei jeder Reflexion zugleich auf die absorbierenden Schichten, so dass die Strahlungsintensität bzw. die Strahlungsenergie von Reflexion zu Reflexion geschwächt wird bis zu ihrer vollständigen Absorption. Die Laserstrahlung 4 tritt aufgrund dieser Gestaltung nicht wieder aus der Strahlfalle 1 aus.
Die Strukturen 6 sind ausdrücklich nicht an die hier beispielhaft angegebene Rillenform gebunden. Sie können auch durch eingelegte Spiralteile oder in Form eines Labyrinths gebildet sein. Von Bedeutung sind lediglich die bereits beschriebenen Reflexionsrichtungen, die stets eine Rückreflexion auf den jeweils gegenüber liegenden Reflektor 5 oder 7 erzwingen.
Des weiteren ist die Ausführung der absorbierenden Beschichtungen nicht auf KEPLA-COAT beschränkt. Denkbar ist beispielsweise auch die Verwendung matter Farben, um eine möglichst vollständige Absorption der Strahlungsenergie zu erreichen.
Bezugszeichenliste

1: Strahlfalle
2: Mittenachse
3: Eintrittsöffnung
4: Laserstrahlung
5: Reflektor
6: rillenförmige Strukturen
7: Reflektor

Claims

Strahlfalle, ausgebildet zur Absorption der Strahlungsenergie unerwünschter Laserstrahlung (4), umfassend zwei Reflektoren (5, 7), wobei – mindestens einer der beiden Reflektoren (5, 7) mit einer Strahlungsenergie absorbierenden Beschichtung versehen ist, – beide Reflektoren (5, 7) so zueinander positioniert sind, dass – die auf einen ersten Reflektor (5) treffende und dabei reflektierte Laserstrahlung (4) auf den zweiten Reflektor (7) gerichtet ist, und – die auf den zweiten Reflektor (7) treffende und dabei reflektierte Laserstrahlung (4) zurück auf den ersten Reflektor (5) gerichtet ist, so dass – nach vielfachen Reflexionen und dabei stetiger teilweiser Absorption die Strahlungsenergie absorbiert ist, wobei – der erste Reflektor (5) als Kegel mit einer sich in Einfallsrichtung der Laserstrahlung (4) konisch erweiternden reflektierenden Mantelfläche ausgebildet ist, und – der zweite Reflektor (7) eine in einem vorgegebenen Abstand die Mantelfläche umschließende reflektierende Oberfläche mit Strukturen (6) aufweist, durch welche die auftreffende Laserstrahlung (4) stets zurück auf die Mantelfläche gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturen (6) des zweiten Reflektors (7) durch Rillen mit sich in radialer Richtung verjüngenden Rillenbreiten gebildet sind.
Strahlfalle nach Anspruch 1, bei der die reflektierenden Flächen beider Reflektoren (5, 7) mit einer vorzugsweise Laserstrahlung (4) im Infrarot-Wellenlängenbereich absorbierenden Beschichtung versehen sind.
Strahlfalle nach Anspruch 2, bei der jeweils eine KEPLA-COAT-Beschichtung als absorbierende Beschichtung vorgesehen ist.
Strahlfalle nach einem der vorgenannten Ansprüche, ausgestattet mit einer kreisrunden, zentrisch um die Kegelspitze verlaufenden Eintrittsöffnung (2) für die Laserstrahlung (4).