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Die Erfindung betrifft reflektierende optische Elemente für eine dynamische Auslenkung eines Laserstrahls sowie ein Herstellungsverfahren für diese reflektierenden Elemente. Üblicherweise werden solche reflektierenden Elemente auch als Scannerspiegel bezeichnet, die mittels eines Antriebs um mindestens eine Achse verschwenkt werden können. Ein auf die reflektierende Oberfläche auftreffender Laserstrahl wird je nach Einfallswinkel reflektiert und kann durch das Verschwenken entsprechend ausgelenkt und beispielsweise dabei der Brennfleck des Laserstrahls für eine Bearbeitung ein- oder zweidimensional ausgelenkt werden. Dabei liegt es auf der Hand, dass auf einen Scannerspiegel große Beschleunigungen beim Verschwenken wirken, da hohe Auslenkgeschwindigkeiten des Laserstrahls gewünscht werden. Daher ist eine reduzierte Eigenmasse der bewegten Teile eines solchen reflektierenden Elements mit entsprechend kleinem Massenträgheitsmoment ein wichtiger einzuhaltender Parameter.
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Weitere Anforderungen an diese Laserstrahlung reflektierenden Elemente sind hohe Reflexionsgrade (Relektivität) für die Strahlung, eine gute Wärmeleitung sowie eine ausreichende thermische Beständigkeit, mechanische Festigkeit und Steifigkeit, die möglichst dauerhaft eingehalten werden sollen.
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Scannerspiegel werden bisher mit Aluminium, Beryllium, Silicium oder Siliciumcarbid hergestellt. Die herzustellenden Stückzahlen sind begrenzt und große Losgrößen treten dabei nicht auf. Es werden üblicherweise metallische Grundkörper eingesetzt, die eine die Laserstrahlung reflektierende Oberfläche aufweisen. Die Grundkörper weisen wegen der oben genannten erforderlichen Eigenschaften unterschiedliche geometrische Gestaltungen auf. So sind beispielsweise Kühlrippen vorhanden, um eine Kühlung auf eine erträgliche Temperatur zu ermöglichen. Normalerweise bereitet die Herstellung solcher Grundkörper keine größeren Probleme. Da aber ein hoher Reflexionsgrad an der reflektierenden Fläche erforderlich ist, ist eine äußerst aufwändige Oberflächenbearbeitung an der reflektierenden Oberfläche durchzuführen, die bisher nur durch eine spanende Bearbeitung erreichbar ist. Ein Beispiel für eine solche Bearbeitung ist das Glanzfräsen. Diese mechanische Bearbeitung bestimmt aber wesentlich die Höhe der Herstellungskosten. Außerdem tritt durch diese Bearbeitung ein weiterer Nachteil auf. Es ist nämlich nicht möglich, ein solches einteiliges reflektierendes Element mit den bekannten technischen Mitteln zu fertigen. Daher müssen zumindest immer zwei Teile, nämlich ein reflektierendes Teil, das bereits gut poliert ist oder sich gut polieren lässt, und eine Halterung zur Aufnahme einer Antriebswelle, miteinander verbunden werden. Üblicherweise wird dafür eine Klebeverbindung gewählt, deren thermische Beständigkeit und Lebensdauer aber problematisch sind. Außerdem ist bei diesem Fügeschritt, die Einhaltung einer hohen Präzision erforderlich, da die beiden Teile sehr genau zueinander justiert werden müssen.
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Eine solche zweiteilige Ausführung kann auch nicht in optimierter Form geometrisch gestaltet werden, da konstruktiv und fügetechnisch Grenzen gesetzt sind.
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Aus der
DE 10 2012 202 047 A1 sind Möglichkeiten zum stoffschlüssigen Verbinden von Komponenten optischer Elemente bekannt, bei denen zum Fügen reaktive Mehrschichtsysteme eingesetzt werden sollen.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, reflektierende optische Elemente für eine dynamische Auslenkung von Laserstrahlen zur Verfügung zu stellen, die kostengünstiger herstellbar und in ihrer geometrischen Gestaltung flexibel sind, so dass sie im dynamischen Betrieb verbesserte Eigenschaften erreichen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Der Anspruch 5 betrifft mit seinen Merkmalen die Herstellung solcher reflektierenden optischen Elemente. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen reflektierenden optischen Element sind eine Oberfläche eines Grundkörpers und ein plattenförmiges reflektierendes Element stoffschlüssig und flächig mittels einer Lotverbindung verbunden.
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Das plattenförmige reflektierende Element ist dabei aus Silicium, einem optischen Glas, Saphir, Zerodur oder einer Glaskeramik mit sehr kleinem thermischen Ausdehnungskoeffizienten (ULE) gebildet sein. Bevorzugt kann das plattenförmige reflektierende Element ein aus einem Siliciumwafer heraus getrenntes Teil sein, dessen Größe der gewünschten reflektierenden Fläche entspricht. Silicium weist eine gute thermische Leitfähigkeit auf, so dass eine wirksame Kühlung erreichbar ist.
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Der Grundkörper kann aus den verschiedensten Werkstoffen oder Materialien hergestellt werden. Dies kann ein Metall oder eine Keramik sein. Es besteht auch die Möglichkeit des Einsatzes von Verbundwerkstoffen oder faserverstärkten Werkstoffen. Die Herstellung kann mit verschiedenen bekannten Herstellungsverfahren erfolgen. Sie kann auch mit einem Rapid Prototypingverfahren durchgeführt werden. Es können anspruchsvolle geometrische Gestaltungsformen ausgebildet werden, die an den jeweiligen Einsatz insbesondere bezüglich der mechanischen, dynamischen und thermischen Anforderungen optimiert werden können.
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Der Grundkörper ist einteilig ausgebildet und es ist/sind eine oder mehrere Halterungen für den Antrieb bereits integriert. Am Grundkörper sind auch Kühlelemente, wie z. B. Kühlrippen, oder im Grundkörper Kühlkanäle ausgebildet.
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Die einen Laserstrahl reflektierende Oberfläche des plattenförmigen reflektierenden Elements kann mit einer die Laserstrahlung reflektierenden Schicht oder Beschichtung versehen sein. Dabei kann es sich beispielsweise um ein auf eine bestimmte Wellenlänge der zu reflektierenden Laserstrahlung angepasstes Interferenzschichtsystem oder um eine reflektierende Metallschicht handeln. Es besteht aber auch die Möglichkeit allein oder zusätzlich dazu diese Oberfläche mit einer Oxidationsschutzschicht und/oder einer Kratzschutzschicht zu versehen. Hierfür können beispielsweise diamantähnlicher Kohlenstoff (DLC diamond like carbon), Siliziumoxid, Aluminiumoxid oder andere dielektrische Schichten als Werkstoff eingesetzt werden.
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Die jeweilige Oberfläche des Grundkörpers und/oder die mit dieser Oberfläche zu fügende Oberfläche des plattenförmigen reflektierenden Elements können günstigerweise mit einer Benetzungsschicht versehen sein, mit der ein verbessertes Benetzungsverhalten des eingesetzten Lotes erreichbar ist. So kann beispielsweise bei einem plattenförmigen reflektierenden Element aus Silicium – Gold, Kupfer, Zinn, Silber oder Nickel oder eine Legierung davon für eine Benetzungsschicht eingesetzt werden.
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Für eine gute Schicht- oder Lothaftung kann auch eine Reinigung der Oberfläche vor der Ausbildung einer Benetzungsschicht oder dem eigentlichen stoffschlüssigen Fügen mittels Lot durchgeführt werden. Dies ist auch der Fall, wenn, wie nachfolgend noch genauer zu beschreiben sein wird, auf eine zu fügende Oberfläche eine Lotschicht mit darüber ausgebildetem reaktiven Nanometer-Multischichten aufgebracht werden sollen. Die Reinigung kann durch Ionenbeschuss oder eine Plasmabehandlung unter Vakuumbedingungen erfolgen.
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Benetzungsschichten aber auch andere Schichten können bevorzugt mit einem an sich bekannten PVD-Verfahren, bevorzugt durch Magnetron-Sputtern ausgebildet werden. Damit können bei akzeptabler Abscheiderate vorgegebene Schichtdicken und sehr hohe Oberflächengüten erreicht werden. Letztgenanntes hat insbesondere für die optischen Eigenschaften, bei der Reflexion eine Bedeutung.
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Ein bei der Erfindung einsetzbares plattenförmiges reflektierendes Element soll eine Dicke kleiner 1 mm, bevorzugt kleiner 500 μm, besonders bevorzugt kleiner 100 μm aufweisen. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass es eine geringe Eigenmasse aufweist und in Grenzen elastisch verformbar ist, so dass Oberflächenfehler beim Fügen und später mechanische Spannungen durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten zwischen Grundkörper und plattenförmigem reflektierenden Element reduziert werden können. Sehr dünne plattenförmige Elemente können beim Fügen auch an eine mit einem größeren Radius gewölbte Oberfläche angepasst werden, wodurch die Herstellung von konkav oder konvex gewölbten reflektierenden Oberflächen auf einer entsprechend gewölbt ausgebildeten Oberfläche eines Grundkörpers möglich wird.
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Bei der Herstellung wird so vorgegangen, dass zwischen der jeweiligen Oberfläche des Grundkörpers und der Oberfläche des plattenförmigen reflektierenden Elements reaktive Nanometer-Multischichten und mindestens eine Lotschicht ausgebildet oder dort angeordnet werden. Der Grundkörper und das plattenförmige Element werden dann mit den dazwischen angeordneten oder dort vorhandenen reaktiven Nanometer-Multischichten und der mindestens einen Lotschicht mit einer Druckkraftbeaufschlagung zusammen gepresst. Bevorzugt wird dabei ein Druck im Bereich 0,5 MPa bis 15 MPa eingehalten.
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Dann werden die reaktiven Nanometer-Multischichten durch einen Energieeintrag, der bevorzugt durch eine elektrische Zündung oder einen Laserstrahl erreichbar ist, aktiviert, so dass mit der freigesetzten Wärme das Lot aufschmilzt und die stoffschlüssige Verbindung des Grundkörpers mit dem plattenförmigen reflektierenden Element nach dem Erstarren des Lotes hergestellt wird. Die durch die exotherme Reaktion freigesetzte Wärme wirkt sehr kurzzeitig, so dass sie lokal begrenzt zu einer Temperaturerhöhung führt, die zum Aufschmelzen des Lots ausreicht aber keine negative thermische Beeinträchtigung am Grundkörper und dem plattenförmigen reflektierenden Element hervorruft.
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Dabei besteht die Möglichkeit, ein reaktives Nanometer-Multischichtsystem an seinen zwei Oberflächen mit jeweils einer Lotschicht oder lediglich an einer Seite mit einer Lotschicht zu versehen und es in dieser Form zwischen die jeweilige Oberfläche des Grundkörpers und des plattenförmigen reflektierenden Elements anzuordnen, bevor sie zusammengepresst werden.
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Es kann aber auch eine Lotschicht und ein reaktives Nanometer-Multischichtsystem unmittelbar auf der jeweiligen zu fügenden Oberfläche des Grundkörpers und/oder des plattenförmigen reflektierenden Elements ausgebildet werden.
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Ein reaktives Nanometer-Multischichtsystem und ggf. auch eine Lotschicht können durch ein PVD-Verfahren, bevorzugt durch Magnetron-Sputtern hergestellt werden. Ein reaktives Nanometer-Multischichtsystem kann in an sich bekannter Form aus alternierend angeordneten Schichten zweier Metalle, die bei einer Interdiffusion exotherm miteinander reagieren, gebildet sein. Dabei können beispielsweise Ni/Al, Ti/Al, Ti/Si, Zr/Al oder Zr/Si Schichten mit Einzelschichtdicken im Bereich zwischen 5 nm und 50 nm ein reaktives Nanometer-Multischichtsystem bilden. Durch die Anzahl und/oder die jeweils gewählte Schichtdicke der einzelnen Schichten können die freigesetzte Energie und die zum Aufschmelzen des Lots nutzbare Temperatur sowie die Geschwindigkeit mit der sich die exotherme Reaktion über die Fläche des reaktiven Nanometer-Multischichtsystem ausbreitet beeinflusst werden. Dabei bestimmt die jeweilige Schichtdicke der aus den einzelnen Metallen gebildeten Schichten auch den Anteil des jeweiligen Metalls, das bei der Interdiffusion exotherm reagieren kann.
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Die Gesamtdicke eines reaktiven Nanometer-Multischichtsystems kann im Bereich zwischen 5 μm bis 15 μm liegen. Das eingesetzte reaktive Nanometer-Multischichtsystem sollte so ausgewählt werden, dass die Schmelztemperatur des eingesetzten Lots bei der exothermen Reaktion überschritten, zumindest aber erreicht wird.
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Eine Lotschicht kann aber auch durch ein anderes Beschichtungsverfahren auf zumindest einer der beiden zu fügenden Flächen des Grundkörpers oder des plattenförmigen reflektierenden Elements aufgebracht werden. Dies kann beispielsweise galvanisch erreicht werden.
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Auf mindestens eine der miteinander zu fügenden Oberflächen des Grundköpers und/oder des plattenförmigen reflektierenden Elements kann eine bereits erwähnte Benetzungsschicht vor dem Fügen ausgebildet werden. Eine Benetzungsschicht kann dabei bevorzugt aus Au, Cu oder Ni gebildet sein.
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Es sollte ein reaktives Nanometer-Multischichtsystem eingesetzt werden, dessen Flächenausdehnung größer als die Flächenausdehnung des plattenförmigen reflektierenden Elements ist, so dass ein freiliegender Flächenbereich für den Energieeintrag zur Aktivierung der reaktiven Nanometer-Multischichten vorhanden ist. Wie bereits angesprochen kann auf diesen freiliegenden Flächenbereich ein Laserstrahl gerichtet werden, mit dem ein ausreichender Energieeintrag zum Zünden der exothermen Reaktion erreichbar ist. Dies kann aber auch durch Anlegen einer elektrischen Spannung und eine Funkenbildung in diesem Flächenbereich erreicht werden.
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Es kann ein Lot eingesetzt werden, dass ausgewählt ist aus reinem Zinn, reinem Indium, einer Silber-Zinn-, einer Gold-Zinn-, einer Silber-Kupfer-Zinn-, einer Indium-Kupfer-Silberlegierung und einer Aluminium-Silicium-Verbindung. Die Schichtdicke einer Lotschicht sollte im Bereich von 5 μm bis 15 μm liegen.
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Bei der Auswahl des Lotes kann die während des Betriebes auftretende dauerhaft zulässige Temperatur berücksichtigt werden, die unterhalb der Schmelztemperatur des Lotes liegen soll. Diese Temperatur wird durch die Laserleistung, den auftreffenden Strahlquerschnitt und den Betrieb des Lasers bestimmt. So ist die Temperatur bei einem im cw-mode betriebenen Laser größer als bei gepulstem Betrieb. Es hat sich aber heraus gestellt, dass Laserleistungen von mehreren kW und einem kontinuierlich betriebenen Laser ohne Probleme beherrschbar sind.
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Vor dem Fügen von Grundkörper und plattenförmigem reflektierenden Element sollte darauf geachtet werden, dass die miteinander zu fügenden Oberflächen eine ausreichende Oberflächengüte aufweisen.
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Ein bei der Erfindung einsetzbarer Grundkörper kann vorteilhaft mit einem Rapid-Prototyping-Verfahren hergestellt werden, bei dem eine freie dreidimensionale Form ausgebildet werden kann und besonders vorteilhaft Hinterschneidungen und Hohlräume ausgebildet werden können. Unter dem Leichtbauaspekt sollten somit filigrane Strukturen und sehr kleine Wandstärken im Bereich um 0,5 mm ausgebildet werden können.
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Geeignete Verfahren sind dabei das selektive Lasersintern, bei dem pulverförmiger Werkstoff des den Grundkörper bildenden Werkstoffs schichtweise aufgetragen und jede Schicht mit einem zweidimensional beweg- oder auslenkbaren Laserstrahl beaufschlagt wird. An den bestrahlten Positionen kann der Werkstoff miteinander versintert werden. Aus den nicht bestrahlten Bereichen kann der pulverförmige Werkstoff später entfernt werden, so dass ein dreidimensionaler Grundkörper, in dem auch Hohlräume vorhanden sein können, mit diesem Verfahren hergestellt werden kann.
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Für die Herstellung von Grundkörpern können auch Druckverfahren eingesetzt werden, bei denen eine den jeweiligen Grundkörperwerkstoff in Pulverform enthaltene Suspension schichtweise so aufgebracht wird, dass die gewünschte geometrische Gestalt dreidimensional hergestellt werden kann. Nach dem Auftrag jeder einzelnen Schicht sollte dabei eine Trocknung erfolgen. Ein fertig hergestellter Grünkörper kann dann bei einer thermischen Behandlung fertig gesintert werden.
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Das Drucken kann im Siebdruck oder mit einem zwei- oder dreidimensional bewegbaren Druckkopf, der ähnlich wie beim Tintenstrahldrucken aufgebaut sein kann, erfolgen.
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Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels beschrieben werden.
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Der Grundkörper besteht dabei aus Aluminium und ist entweder durch ein direkt formgebendes Verfahren, z. B. Gießen oder eine spanende Bearbeitung in die gewünschte geometrische Form gebracht worden. Dabei sind alle erforderlichen Elemente für eine Kühlung und Halterung unmittelbar am Grundkörper ausgebildet.
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Die mit einem plattenförmigen Element zu fügende Oberfläche des Grundkörpers wird mit einem organischen Lösungsmittel gereinigt.
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Für das plattenförmige reflektierende Element wurde ein Ausschnitt aus einem Siliciumwafer mit einer Dicke von 520 μm gewählt. Es hatte eine Flächenausdehnung von 10·10 mm2. Es kann aber auch ein kreisförmig ausgebildetes plattenförmiges reflektierendes Element eingesetzt werden, das eine in etwa gleich große Fläche aufweist.
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Die mit dem Grundkörper zu fügende Oberfläche des plattenförmigen reflektierenden Elements wurde mit einer Benetzungsschicht aus Nickel mit einer Schichtdicke von 500 nm versehen. Auf diese Benetzungsschicht wurde eine Lotschicht aus einer Sn/Ag-Legierung mit einer Schmelztemperatur von 220°C aufgebracht.
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Zwischen die zu fügenden Flächen von Grundkörper und plattenförmigem reflektierenden Element wurde ein reaktives Nanometer-Multischichtsystem, das an der in Richtung Grundkörper weisenden Oberfläche mit einer Lotschicht aus demselben Lot beschichtet worden war, eingelegt. Die beiden Lotschichten hatten eine Schichtdicke von 7 μm. Das reaktive Nanometerschichtsystem war mit alternierend angeordneten Metallschichten aus Nickel und Aluminium gebildet und hatte eine Gesamtdicke von 55 μm. Die Einzelschichten hatten Dicken von 20 nm bis 30 nm.
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Der Grundkörper und das plattenförmige reflektierende Element wurden mit dem dazwischen angeordneten reaktiven Nanometer-Multischichtsystem mit einem Druck von 10 MPa zusammengepresst.
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Anschließend wurde die exotherme Reaktion in einem freiliegenden Flächenbereich des reaktiven Nanometer-Multischichtsystems durch einen dort initiierten elektrischen Funken gezündet, woraufhin eine Erwärmung auftrat, die zum Schmelzen des Lots führte. Das Lot konnte sich gleichmäßig über die Fügefläche verteilen und es wurde eine nach dem Unterschreiten der Schmelztemperatur des Lotes feste gut haftende stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Grundkörper und dem plattenförmigen reflektierenden Element erreicht.
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Das plattenförmige reflektierende Element wurde an seiner zur Reflexion des Laserstrahls genutzten Oberfläche mit einer zusätzlichen reflektierenden geschlossenen Silberschicht mit einer Schichtdicke von mindestens 500 nm beschichtet, was mit einem PVD-Verfahren erreicht worden ist.