DE102013009606A1

DE102013009606A1 - Spiegelanordnung

Info

Publication number: DE102013009606A1
Application number: DE201310009606
Authority: DE
Inventors: Uwe Morgner; Tamas Nagy
Original assignee: Leibniz Universitaet Hannover
Current assignee: Leibniz Universitaet Hannover
Priority date: 2013-06-07
Filing date: 2013-06-07
Publication date: 2014-12-11

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Spiegelanordnung (2) zum Reflektieren von elektromagnetischen Wellen mit einer Vielzahl von Spiegelflächen (8), wobei die Positionen der individuellen Spiegelflächen (8) unabhängig voneinander in einer ersten Raumrichtung (x) verstellbar sind, und wobei die Spiegelflächen jeweils eine etwa rechteckige Form mit einer kurzen Seite (11) und einer langen Seite aufweisen. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die kurze Seite (11) eine Länge von etwa 0,3 mm bis 3 cm aufweist und die lange Seite (12) eine Länge von 0,3 cm bis 10 cm aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Spiegelanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
In verschiedenen Gebieten der Wissenschaft werden momentan Prozesse untersucht, die sich auf sehr kurzen Zeitskalen abspielen, beispielsweise im Bereich von Nano-, Piko-, Femto- oder sogar Attosekunden. Bei den untersuchten Prozessen kann es sich beispielsweise um die Dynamik von Molekülen, die Manipulation von chemischen Verbindungen, die Kompression von Lichtpulsen oder auch um bestimmte biologische Prozesse handeln. Zum Untersuchen dieser Prozesse haben sich maßgeschneiderte, ultrakurze Lichtpulse als besonders geeignet erwiesen. Das „Maßschneidern” dieser Lichtpulse erfolgt üblicherweise mittels eines Räumlichen Lichtmodulators (englisch: spatial light modulator, SLM), der die Amplitude, die Phase und/oder die Polarisation der einzelnen Spektralkomponenten des Pulses gezielt manipuliert. Beschrieben ist dieses Maßschneidern kurzer Lichtpulse beispielsweise in A. M. Weiner: Rev. Sci. Instrum. 71, 1929 (2000) "femtosecond pulse shaping using spatial light modulators" und Monmayrant et al.: J. Phys. B 43, 103001 (2010) "A newcomer's guide to ultrashort pulse shaping and characterization".
Die meistverwendeten Räumlichen Lichtmodulatoren (SLM) basieren auf Flüssigkristall(LCD-) oder akusto-optischen Technologien, weshalb deren Verwendbarkeit im Wesentlichen auf den sichtbaren und nah-infraroten Spektralbereich eingeschränkt ist. Als SLMs mit erweitertem Spektralbereich (inklusive Ultraviolett) haben sich mittlerweile zwei verschiedene Typen etabliert. Beim ersten, Typ handelt es sich um Mikro-Spiegel-Arrays, die in Form von mikro-elektro-mechanischen Systemen (MEMS) konfiguriert sind. Solche Systeme werden beispielsweise beschrieben in M. Hacker et al.: Appl. Phys. B 76, 711–714 (2003) „Micromirror SLM for femtosecond pulse shaping in the ultraviolet", S. M. Weber et al.: Opt. Lett. 35, 3102 (2010) „Ultraviolet and near-infrared femtosecond temporal pulse shaping with a new high-aspect-ratio one-dimensional micromirror array", oder S. M Weber et al.: Rev. Sci. Instrum. 82, 075106 (2011) „Design, simulation, fabrication, packaging, and characterization of a MEMS-based mirror array for femtosecond pulseshaping in phase and amplitude". Solche MEMS-Mikro-Spiegel-Arrays basieren auf Halbleitern und werden in konventioneller CMOS-Technologie gefertigt, bei der aus einem mehrschichtigen Substrat durch geeignete Verfahrensschritte Komponenten wie Spiegel, Aktuatoren und eine Stromversorgung erzeugt werden. Die verwendete Herstellungstechnologie beschränkt jedoch die Größe der herstellbaren Spiegelflächen. Die längste Ausdehnung einer einzelnen Spiegelfläche kann dabei nicht größer werden als etwa 1 bis 2 mm. Gleichzeitig ist auch die Tiefe einer einzelnen Spiegelfläche auf wenige Mikrometer begrenzt. Solche empfindlichen, winzigen Spiegel können keine hochreflektierenden, dielektrischen Beschichtungen tragen, sodass als reflektierende Schicht nur metallische Überzüge in Frage kommen. Alle diese Umstände führen zu dem Nachteil, dass die Schädigungsschwelle (damage threshold) solcher Spiegelanordnungen sehr niedrig ist. Dadurch wird der Einsatz solcher Spiegelanordnungen auf Pulsenergien der reflektierten Lichtpulse von ca. 10 bis 30 Mikrojoule (μJ) beschränkt.
Ein zweiter Typ von Räumlichen Lichtmodulatoren (SLM) sind transmissive Lichtmodulatoren. Beschrieben sind solche Lichtmodulatoren beispielsweise in JP 2000187167 A , JP 3460960 B2 oder in A. Suda et al.: Opt. Express 9, 2–6 (2001) "A spatial light modulator based an fused-silica plates for adaptive feedback control of intense femtosecond laser pulses". Bei diesem Typ von Lichtmodulatoren sind nebeneinander eine Vielzahl von Streifen aus einem transparenten, dielektrischen Material vorgesehen. Diese Streifen werden von dem in seine Spektralkomponenten aufgespaltenen Lichtpuls durchquert. Durch das gezielte Verkippen einzelner Streifen kann die optische Pfadlänge für die jeweilige Spektralkomponente eingestellt und so dieser Spektralkomponente eine vorgegebene Phasen- und Gruppenverzögerung aufgeprägt werden. Wegen der räumlichen Skalierbarkeit hat dieser Typ von Lichtmodulatoren den Vorteil, für Pulse mit höheren Pulsenergien eingesetzt werden zu können. Nachteilig ist jedoch, dass die Transmission des transparenten Materials das Spektrum von Wellenlängen beschränkt, für das diese Lichtmodulatoren einsetzbar sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Spiegelanordnung zur Verfügung zu stellen, die auch für höherenergetische Lichtpulse in einem möglichst großen spektralen Bereich einsetzbar ist und damit die Nachteile der herkömmlichen Spiegelanordnungen möglichst überwindet.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Spiegelanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
In der erfindungsgemäßen Spiegelanordnung hat jede einzelne Spiegelfläche eine etwa rechteckige Form. Von dem Begriff „etwa rechteckige Form” sind dabei nicht nur streng rechteckige Formen umfasst, sondern auch trapezförmige oder rautenförmige Formen, vorzugsweise mit Eckenwinkeln im Bereich von 75° bis 105°. Diese Spiegelflächen haben bei der Spiegelanordnung eine lange und eine kurze Seite, wobei die kurze Seite eine Länge von 0,3 mm bis 3 mm aufweist und die lange Seite eine Länge von mindestens 3 mm. Bei einer solchen Größe der einzelnen Spiegelflächen kann die Spiegelanordnung als Makro-Spiegel-Array bezeichnet werden. Die im Vergleich zu herkömmlichen MEMS-Spiegelanordnungen deutlich vergrößerte Fläche der einzelnen Spiegelflächen erlaubt es, die Lichtpulse räumlich deutlich weiter aufgeweitet auf die Spiegelanordnung zu schicken und somit Pulse mit deutlich höheren Pulsenergien zu reflektieren, ohne dass die Gefahr besteht, die Beschädigungs-Schwelle der einzelnen Spiegel zu erreichen oder zu überschreiten. Damit kann die erfindungsgemäße Spiegelanordnung insbesondere eingesetzt werden für Pulse mit Pulsenergien von mehr als einem mJ, insbesondere mehr als 100 mJ oder sogar mehr als 1 J. Weil es sich bei der Spiegelanordnung zudem um einen reflektiven Typ von Lichtmodulatoren handelt, kann dieser bei genügend hoher Reflektivität der Spiegelflächen für elektromagnetische Wellen nicht nur im sichtbaren Wellenlängenbereich (ca. 400–800 nm), sondern auch für exotischere Wellenlängen beispielsweise unterhalb 300 nm (ultraviolett) oder oberhalb 2 Mikrometer (infrarot) verwendet werden.
Die Raumrichtung, in der die Spiegelflächen relativ zueinander verstellbar sind, ist vorzugsweise parallel zur Flächennormalen der Spiegelflächen. Beim Verstellen der Spiegelflächen sollte sichergestellt sein, dass die einzelnen Spiegelflächen in jeder Stellung möglichst parallel zueinander ausgerichtet sind. Damit den verschiedenen Spektralkomponenten eines an der Spiegelanordnung reflektierten Lichtpulses individuelle Phasenunterschiede aufgeprägt werden können, genügt es, wenn die Position der einzelnen Spiegelflächen über eine Strecke verstellbar ist, die etwa einer Wellenlänge des reflektierten Lichts entspricht. Für typische Einsatzzwecke der erfindungsgemäßen Spiegelanordnung als Räumlicher Lichtmodulator für Lichtpulse im Ultravioletten, Sichtbaren oder Infraroten wären also Verstellwege ausreichend, die 1 bis 3 Mikrometer betragen. Sollen Lichtpulse mit größeren Wellenlängen reflektiert und geformt werden, erhöht sich der Verstellweg auf 10–30 μm. Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Spiegelanordnung auch größere Verstellwege zur Verfügung stellen mit mm-Gruppenverzögerungen, um sehr langgestreckte Pulse komprimieren zu können.
Als besonders günstig für die beabsichtigten Einsatzzwecke hat es sich erwiesen, wenn die kurze Seite der Spiegelfläche eine Länge von 0,5 mm bis 2 mm aufweist und/oder wenn die lange Seite eine Länge von 6 mm bis 50 mm aufweist. Ideal ist es, wenn die Summe aller einzelnen Spiegelflächen der Spiegelanordnung etwa 5 bis 100 cm² beträgt, weil auf diese Weise Lichtstrahlen reflektiert werden können, die auf eine Fläche von mehreren cm² (FWHM) aufgeweitet worden sind.
Um möglichst viele verschiedene spektrale Moden eines Lichtpulses individuell in ihrer Phase manipulieren zu können, ist es zweckmäßig, wenn die Spiegelanordnung 30 bis 300 individuell verstellbare Spiegelflächen aufweist, vorzugsweise etwa 50 bis 200 solcher Spiegelflächen. Bei Bedarf könnten jedoch auch mehr als 300 individuell verstellbare Spiegelflächen vorgesehen sein.
Als sehr hilfreich erweist es sich, wenn Positionssensoren zum Ermitteln der Positionen der individuellen Spiegelflächen in der ersten Raumrichtung vorgesehen sind, d. h. zum Ermitteln der aktuellen Verstellposition der einzelnen Spiegelflächen in Strahlrichtung. So kann erkannt werden, an welcher Position sich die jeweiligen Spiegelflächen aktuell befinden. Sofern Abweichungen von der gewünschten Position erkannt werden, können diese Abweichungen frühzeitig korrigiert und somit insgesamt die Präzision der Spiegelanordnung weiter verbessert werden.
Die Positionssensoren sollten idealerweise eine Messgenauigkeit haben, die bei einem Nanometer liegt, oder sogar noch feiner ist. Als solche hochauflösenden Positionssensoren eigenen sich beispielsweise Dehnungsmessstreifen (DMS, englisch: Strain gauge sensors, SGS), wie sie unter anderem von der Firma PI (Physik Instrumente GmbH & Co. KG) angeboten werden. Eine ebenso geeignete Alternative wären kapazitive Sensoren. Solche kapazitiven Sensoren lassen sich im Rahmen der Erfindung ideal realisieren, wenn eine Spiegelfläche der Spiegelanordnung gleichzeitig eine Elektrode des kapazitiven Positionssensors bildet, somit also eine Doppelfunktion erhält. Zu diesem Zweck könnte eine Spiegelfläche selbst als metallische oder metallhaltige Schicht ausgebildet sein, oder ihr könnte eine entsprechende metallische oder metallhaltige Schicht zugeordnet sein.
Eine kapazitive Positionsmessung der einzelnen Spiegelflächen wird dann besonders präzise, wenn beim Messen der Position einer bestimmten Spiegelfläche mindestens eine der benachbarten Spiegelflächen durch das Anlegen einer Spannung als Hilfselektrode konfigurierbar ist. Während also ein Messsignal von einer bestimmten Spiegelfläche zum Messen ihrer Position abgegriffen wird, wird gleichzeitig an benachbarte Spiegelflächen eine Hilfsspannung angelegt, sodass das elektrische Feld über den Bereich der zu vermessenden Spiegelfläche hinaus homogen bzw. isotrop wird.
In einer Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Spiegelanordnung sind eine Vielzahl von Platten vorgesehen, wobei jede Platte eine Spiegelfläche aufweist, benachbarte Platten wenigstens abschnittsweise aneinander anliegen und die Platten unabhängig voneinander in der ersten Raumrichtung verstellbar sind, um die Position der an ihnen befestigten Spiegelflächen zu verstellen. Diese Ausführungsvariante hat den Vorteil, dass sie aus vielen unterschiedlichen Materialien herstellbar ist und nahezu beliebig in ihrer Größe skalierbar ist. Die Zahl der Platten entspricht der Zahl der individuell verstellbaren Spiegelflächen. Als Material für die Platten könnte beispielsweise Glas verwendet werden, insbesondere mit einer polierten Oberfläche. Auch Platten aus anderen Materialien (Keramik, Metall, Kunststoff, usw.) könnten mit polierten Oberflächen versehen sein.
Die Platten haben eine Höhe und eine Breite, die im Wesentlichen der Länge der langen und der kurzen Seite der von ihnen getragenen Spiegelfläche entspricht. Die Platten können in der ersten Raumrichtung, also in Richtung der Flächennormalen der Spiegelfläche, eine Tiefe von beispielsweise 1 bis 12 cm aufweisen.
Die einzelnen Spiegelplatten können beispielsweise aus Glas (z. B. Quarzglas, Zerodur, ULE, Corning-, Schott- oder Ohara-Glas), Kristall (z. B. CaF₂, MgF₂, BaF₂, LiF), Keramik (z. B. Al₂O₃), Kunststoff, Halbleiter (z. B. Si, Ge, GaAs) und/oder Metall (z. B. Al, Ag, Au, Cu, Ni, Cr, und deren Legierungen) gefertigt sein. Die Platten können mit oder ohne zusätzliche reflektierende Beschichtung vorgesehen sein.
Zum Verstellen der Position der Platten kann entweder für jede Platte ein eigener Aktuator vorgesehen sein, oder für eine Mehrzahl von Platten oder sogar für alle Platten ist ein gemeinsamer, wahlweise mit einzelnen Platten in Wirkverbindung bringbarer Aktuator vorgesehen. Diese Aktuatoren sollten idealerweise eine räumliche Auflösung im Sub-Nanometer-Bereich haben. Als solche Aktuatoren eigenen sich beispielsweise vorgespannte Piezoaktoren oder Piezoaktoren-Stapel. Wenn für eine größere Anzahl von Platten oder sogar für alle Platten ein gemeinsamer Aktuator vorgesehen ist, verringert sich die Dynamik, also die Geschwindigkeit, mit der die Position der Spiegelflächen in der Spiegelanordnung verändert werden kann. Gleichzeitig wird die Spiegelanordnung jedoch konstruktiv weniger komplex und gleichzeitig auch kostengünstiger.
Wenn ein Aktuator zum individuellen Ansteuern einer Mehrzahl von Platten vorgesehen ist, ist es vorteilhaft, wenn dieser Aktuator entlang einer Schiene in einer Richtung transversal zur ersten Raumrichtung verfahrbar ist. Insbesondere könnte solche eine Schiene mit dem Aktuator auf der von den Spiegelflächen abgewandten Seite des Plattenstapels angeordnet sein.
Zweckmäßig ist es ferner, wenn für jede Platte eine lösbare Verriegelungseinrichtung vorgesehen ist, die in einem verriegelten Zustand die Position der jeweiligen Platte fixiert und in einem entriegelten Zustand ein Verstellen der Position der jeweiligen Platte erlaubt. Diese Verriegelungseinrichtung sollte in ihrem verriegelten Zustand in der Lage sein, höhere Haltekräfte auf die Platte auszuüben als die Reibungskräfte, die auf die Platte beim Bewegen einer benachbarten Platte wirken. Auf diese Weise wird es möglich, die Platte fest in ihrer eingestellten Position zu halten, auch wenn eine an ihr anliegende, benachbarte Platte bewegt wird. Prinzipiell würde es genügen, wenn beim Bewegen einer Platte immer nur die jeweils benachbarten Platten durch Verriegeln ihrer Verriegelungseinrichtungen in ihrer Position fixiert werden. Für die Präzision der Spiegelanordnung wäre es jedoch noch besser, wenn stets die Verriegelungseinrichtungen aller Platten in ihrem verriegelten Zustand bleiben – bis auf die Verriegelungseinrichtung einer einzelnen Platte, die gerade in ihrer Position verstellt werden soll.
Das Verriegeln der Platte mittels der Verriegelungseinrichtung kann z. B. durch mechanische oder elektromechanische Kräfte erfolgen. Als Verriegelungseinrichtung könnte beispielsweise ein Elektromagnet für jede Platte vorgesehen werden. Für eine mechanische Verriegelungseinrichtung wäre es denkbar, dass eine Oberfläche, beispielsweise eine an die Spiegelfläche anstoßende Oberseite der jeweiligen Platte, eine größere Rauigkeit als andere Oberflächen der Platte aufweist. An dieser vergleichweise rauen Oberfläche könnte ein lösbares mechanisches Verriegelungselement angreifen, beispielsweise ein ansteuerbarer Metallstreifen.
Um die Planparallelität der Platten sicherzustellen, ist es vorteilhaft, wenn in der Spiegelanordnung eine Andrückkraft auf den Stapel benachbarter Platten wirkt, durch die die Platten in Anlage aneinander gehalten werden. Zu diesem Zweck könnte beispielsweise auf der einen Seite des Plattenstapels ein Anschlag vorgesehen sein, während ein Vorspannelement von der gegenüberliegenden Seite auf den Plattenstapel mit einer zum Anschlag gerichteten Kraft einwirkt. So wird sichergestellt, dass sich benachbarte Platten nicht gegeneinander verkanten.
In einer anderen Ausführungsvariante der Erfindung weist die Spiegelanordnung einen piezoelektrischen Keramikblock auf, an dessen Rückseite mindestens eine Elektrode vorgesehen ist, und an dessen Vorderseite die Vielzahl von Spiegelflächen vorgesehen ist. Bei dieser Variante können entweder die Spiegelflächen selbst als zweite Elektrode wirken, oder an jeder Spiegelfläche ist eine eigene Elektrode vorgesehen. Mit beiden Varianten kann erreicht werden, dass jede Spiegelfläche individuell relativ gegenüber den anderen Spiegelflächen in ihrer Position verstellbar ist, und zwar durch Anlegen einer geeigneten Spannung zwischen beiden Elektroden. Für die rückseitige Elektrode kann entweder eine große Elektrode gemeinsam für alle Spiegelflächen vorgesehen sein, oder es können mehrere Elektroden jeweils für bestimmte Gruppen von Spiegelflächen vorgesehen sein. Die Ausführungsvariante mit dem piezoelektrischen Keramikblock lässt sich leichter herstellen, da sie im Vergleich zu der Vielzahl einzelner Platten mit einer geringeren Anzahl an Teilen auskommt. Zudem hat diese Ausführungsform den Vorteil, dass kein Element zum Aufbringen einer Andrückkraft erforderlich wäre.
Vorteilhaft ist es, wenn zwischen zwei benachbarten Spiegelflächen ein Einschnitt im Keramikblock vorhanden ist, um die Verstellbarkeit benachbarter Spiegelflächen relativ zueinander zu erlauben. Dieser Einschnitt sollte sich möglichst über die gesamte Höhe des Keramikblocks erstrecken und möglichst schmal sein, beispielsweise 20 μm oder weniger. Als geeignet zum Ermöglichen der gewünschten Verstellwege hat es sich erwiesen, wenn die Einschnitte etwa 1 bis 3 mm tief sind, beispielsweise etwa 2 mm.
Die erfindungsgemäße Spiegelanordnung kann weiter über eine Basisplatte verfügen, auf der die Vielzahl von Platten oder der Keramikblock angeordnet sind. Diese Basisplatte kann z. B. aus Glas bestehen, und sie sollte möglichst ebenfalls eine polierte Oberfläche aufweisen. Die durch das Polieren reduzierte Oberflächenrauigkeit verringert zum Einen die beim Verstellen der Position einzelner Spiegelflächen auftreten Reibung; zum Anderen erhöht sie die Präzision der Parallelität der Spiegelflächen.
Wie bereits angedeutet, kann eine Spiegelfläche jeweils eine Metallschicht aufweisen, wobei diese Metallschicht wiederum vorzugsweise Aluminium, Silber und/oder Gold umfasst. Diese Metallschichten können nicht nur zum Reflektieren der Lichtpulse dienen, sondern sie können außerdem auch als Elektrode in einem piezoelektrischen Keramikblock und/oder als Elektrode in einem kapazitiven Positionssensor zum Bestimmen der Position der Spiegelfläche dienen.
Um höhere Reflektivitäten bis hin zu 99,99% oder sogar mehr für das einfallende Licht zu erreichen, kann es vorteilhaft sein, wenn eine Spiegelfläche jeweils eine mehrschichtige dielektrische Beschichtung aufweist. Die Beschichtungen unterschiedlicher Spiegelflächen können sich dabei unterscheiden, um jeweils ideal auf die zu reflektierenden Wellenlängen abgestimmt zu sein. Eine solche dielektrische Beschichtung kann auch als zusätzlicher Überzug über einer Metallschicht vorhanden sein.
Im Folgenden werden vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Im Einzelnen zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Lichtmodulation unter Verwendung der erfindungsgemäßen Spiegelanordnung,
2 eine Darstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spiegelanordnung,
3 ein schematischer Querschnitt durch eine einzelne Spiegelfläche,
4 eine Draufsicht auf das Ausführungsbeispiel der Spiegelanordnung nach 2,
5 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Spiegelanordnung und
6 ein schematischer Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Spiegelanordnung.
Gleiche Komponenten sind in den Figuren durchgängig mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt einen optischen Aufbau 1 zur räumlichen Lichtmodulation eines Lichtpulses unter Verwendung einer Spiegelanordnung 2 gemäß der Erfindung. Der optische Aufbau 1 umfasst eine gepulste Lichtquelle 3. Die Lichtquelle 3 kann kohärent sein, d. h. ein Laser, und bei den von ihr generierten Lichtpulsen kann es sich um kurze oder ultrakurze Lichtpulse 4 handeln, also Nano-, Piko-, oder Femtosekundenpulse. Schematisch ist der zeitliche Verlauf eines einzelnen Pulses 4 in 1 dargestellt.
Über einen Umlenkspiegel 5 gelangen die Lichtpulse 4 auf ein optisches Gitter, an dem die unterschiedlichen Spektralanteile des Lichtpulses räumlich aufgefächert werden. Die räumlich aufgefächerten Spektralanteile gelangen auf einem Konkavspiegel 7, der einen kollimierten Lichtstrahl auf einen Räumlichen Lichtmodulator (SLM) wirft. Als dieser SLM wird die erfindungsgemäße Spiegelanordnung 2 verwendet. Sie verfügt – in 1 schematisch dargestellt – über eine Vielzahl von Spiegelflächen (synonym auch Spiegelsegmente oder Pixel) 8, die jeweils individuell in einer ersten Raumrichtung parallel zur optischen Achse des einfallenden Lichts verstellbar sind. Durch das Verstellen einzelner Spiegelflächen relativ zueinander werden Gangunterschiede zwischen den einzelnen Spektralkomponenten des Lichtpulses 4 erzeugt, d. h. Phasenunterschiede zwischen den einzelnen Spektralkomponenten.
Beim Zurücklaufen des Lichtpulses über den Konkavspiegel 7 und das optische Gitter 6 werden die Spektralkomponenten wieder zu einem Puls zusammengesetzt. Dieser Puls 4', der den Umlenkspiegel 5 überquert, hat wegen der an der Spiegelanordnung 2 aufgeprägten Phasenunterschiede jedoch einen anderen zeitlichen Verlauf als der ursprüngliche Lichtpuls 4. Durch Verstellen der Positionen der einzelnen Spiegelflächen 8 an der Spiegelanordnung 2 kann der zeitliche Verlauf des Lichtpulses 4 gezielt im Hinblick auf eine gewünschte Anwendung maßgeschneidert werden.
2 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Spiegelanordnung 2. In diesem Ausführungsbeispiel weist die Spiegelanordnung 2 eine Vielzahl von flachen Platten 9 auf, die, einen Plattenstapel bildend, mit ihren Flächen aneinander anliegen. In 2 sind der Einfachheit halber lediglich 5 solcher Platten gezeigt. In einem tatsächlichen Ausführungsbeispiel könnten etwa 30 bis 300 solcher Platten 9 vorhanden sein. Als Material für die Platten 9 können Glas, Kristall, Keramik, Kunststoff oder Metall-Substrate verwendet werden, beispielsweise Quarzglas (fused silica), Schott-Glas, Korning-Glas, Ohara-Glas, CaF₂, MgF₂, BaF₂ oder LiF. Die Seitenflächen, an denen die Platten 9 einander zugewandt sind, sowie die Unter- und die Vorderseite der Platten 9 sind vorzugsweise poliert. Die Oberseite ist aus später näher erläuterten Gründen vorzugsweise nicht poliert, sondern rauer als die anderen Oberflächen. Die einzelnen Platten 9 können eine Dicke von beispielsweise 0,5 bis 2 mm, eine Höhe von einigen Zentimetern und eine Tiefe ebenfalls von einigen Zentimetern aufweisen.
An der Vorderseite jeder Platte 9 befindet sich eine Spiegelfläche 8. Diese Spiegelfläche dient dazu, das aus Richtung des Pfeils L einfallende Licht des Lichtpulses 4 zu reflektieren. Für die jeweiligen Spektralkomponenten des Lichts hat jede Spiegelfläche 8 dafür zweckmäßigerweise eine möglichst hohe Reflektivität.
Die Richtung des einfallenden Lichts L kann als erste Raumrichtung x definiert werden. In dieser ersten Raumrichtung x sind die Platten 9 individuell in ihrer Position verstellbar. Der Verstellweg, über den eine einzelne Platte 9 in der ersten Raumrichtung x verstellt werden kann, beträgt beispielsweise bis zu 2 μm oder sogar bis in den mm-Bereich.
Mit ihrer Unterseite ruhen alle Platten 9 auf einer gemeinsamen Basisplatte 10. Bei dieser Basisplatte 10 kann es sich ebenfalls um eine Glasplatte handeln, deren Oberseite 10a poliert ist. Das Polieren der Seitenflächen der Platten 9 sowie der Oberseite 10a der Basisplatte 10 stellt sicher, dass die Spiegelflächen 8 der Platten 9 möglichst präzise parallel zueinander bleiben, auch wenn die einzelnen Platten 9 entlang der Richtung x relativ zueinander verstellt werden. Je geringer die Oberflächenrauigkeiten sind und je größer die Strecken sind, über die die Platten 9 aneinander bzw. an der Basisplatte 10 anliegen, desto präziser kann die Planparallelität der Spiegelflächen 9 eingehalten werden.
Jede einzelne Spiegelfläche 8 hat eine etwa rechteckige Form mit einer kurzen Seite 11 und einer lange Seite 12. Die kurze Seite hat im Ausführungsbeispiel eine Länge von etwa 0,5 bis 2 mm, die lange Seite 12 eine Länge von etwa 0,2 cm bis 5 cm. Alle Spiegelflächen 8 der Spiegelanordnung 2 haben zumindest annähernd die gleichen Abmessungen. In Summe ergibt sich eine Gesamt-Spiegelfläche von mehreren Quadratzentimetern. Da die Spiegelanordnung 2 die Reflexion von derart stark aufgeweiteten Lichtpulsen erlaubt, erlaubt sie gleichzeitig auch die Reflexion von Pulsen mit sehr hohen Pulsenergien im Millijoule-Bereich bis hinein in den Joule-Bereich.
Um ein Verkanten der Platten 9 zu verhindern, wird in einer zweiten Raumrichtung y quer zur ersten Raumrichtung eine Andrückkraft A auf die Platten 9 ausgeübt. Zu diesem Zweck ist ein Federelement 13 vorgesehen, das auf der einen Seite auf den Plattenstapel einwirkt. Auf der gegenüberliegenden Seite des Plattenstapels befindet sich die letzte Platte 9 in Anlage an einem Anschlag 14. Die von dem Federelement 13 ausgeübte Andrückkraft A ist groß genug, um ein Verrutschen oder Verkanten der Platten 9 zu verhindern, gleichzeitig aber auch klein genug, um ein Verschieben der Platten in der ersten Raumrichtung x zu erlauben.
Dieses Verschieben der Platten 9 in der ersten Raumrichtung x wird mittels eines Aktuators 15 erzielt, der hier schematisch dargestellt ist und auf der von der Spiegelfläche 8 abgewandten Seite der Platten 9 angeordnet ist. Seine Funktionsweise wird später anhand von 4 erläutert werden.
Für jede einzelne Platte 9 ist eine Verriegelungseinrichtung 16 vorgesehen. Diese Verriegelungseinrichtung 16 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel mechanisch konfiguriert. Sie verfügt über einen metallischen Ausleger oder Arm 17, der selektiv mit der vergleichsweise rauen Oberseite 9a der jeweiligen Platte 9 in Eingriff gebracht werden kann. Befindet sich der Arm 17 in Eingriff mit der Oberseite 9a der Platte 9, ist die Platte 9 in ihrer Position fixiert und entfernt sich auch dann nicht aus dieser Position, wenn eine benachbarte Platte 9 bewegt wird. Ist der Arm 17 jedoch von der Oberseite 9a der Platte 9 abgehoben, so kann sich die Platte 9 in der Raumrichtung x verstellen.
In der Richtung des einfallenden Lichts L befindet sich vor der Basisplatte 10 eine Vorderplatte 18. Die Höhe dieser Vorderplatte 18 in vertikaler Richtung, d. h. in der Raumrichtung z, ist geringer als die Höhe der Spiegelflächen 8, jedoch höher als die vertikale Ausdehnung der Basisplatte 10. Dadurch entsteht ein Bereich, in dem sich die Spiegelflächen 8 und die ihnen zugewandte Seite der Vorderplatte 18 gegenüberliegen. Die Funktionsweise der Vorderplatte 18 wird nachfolgend genauer erläutert werden.
Die Spiegelanordnung 2 verfügt ferner über eine Steuer- und Auswerteeinheit 19. Dabei kann es sich um einen Mikroprozessor oder Computer handeln. Die Steuer- und Auswerteeinheit 19 ist über geeignete Steuer- und Datenleitungen mit Positionssensoren 24, mit dem oder den Aktuatoren 15 sowie mit den Verriegelungseinrichtungen 16 verbunden, um alle diese Komponenten koordiniert abzufragen und anzusteuern.
3 zeigt stark vereinfacht einen Horizontalschnitt durch das vordere Ende einer Platte 9, an der sich die Spiegelfläche 8 befindet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die Spiegelfläche 8 eine Metallschicht 20 auf. Diese könnte sowohl zum Reflektieren des einfallenden Lichts L dienen, als auch als Elektrode als Teil des Positionssensors. Als Überzug befindet sich auf der Metallschicht 20 auf der von der Platte 9 abgewandten Seite eine mehrschichtige dielektrische Beschichtung 21. Diese dielektrische Beschichtung 21 hat eine besonders hohe Reflektivität für das einfallende Licht.
4 zeigt eine Draufsicht auf die Spiegelanordnung 2. Der Übersichtlichkeit halber sind in 4 lediglich vier nebeneinander liegende Platten 9 dargestellt. Zwischen der Vorderplatte 18 und jeder Platte 9 ist ein Vorspannelement 22 vorgesehen, das der vereinfachten Darstellung halber nur für die linke Platte 9 dargestellt ist. Das Vorspannelement 22 spannt die jeweilige Platte 9 zu einer Bewegung in der Richtung x vor, d. h. fort von der Vorderplatte 18. Solange die jeweilige Platte 9 jedoch mittels der Verriegelungseinrichtung 16 in ihrer Position fixiert ist, kann sie dieser Vorspannung nicht folgen und behält ihre Position bei.
Für jede einzelne Platte könnte ein eigener Aktuator 15 zum Einstellen der Position der Platte 9 vorgesehen sein. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist stattdessen ein gemeinsamer Aktuator 15 vorgesehen, der wahlweise mit einer einzelnen Platte 9 aus einer Vielzahl von Platten in Wirkverbindung gebracht werden kann. Zu diesem Zweck ist eine Schiene 23 vorgesehen, die sich in der Richtung y transversal zur ersten Raumrichtung x erstreckt. Entlang dieser Schiene 23 kann der Aktuator 15 verfahren werden, bis er sich genau auf der von der Vorderplatte 18 abgewandten Seite einer bestimmten Platte 9 befindet.
Beim Aktuator 15 kann es sich um einen Aktuator mit einer Nanometer-Präzision handeln, beispielsweise einen Piezo-Stapel. Sobald der Aktuator 15 mit der betreffenden Platte 9 in Wirkverbindung gebracht ist, wird die Verriegelungseinrichtung 16 gelöst, sodass die Platte 9 in der ersten Raumrichtung x von der Vorderplatte 18 fort oder zu diesem hin in ihrer Position verstellt werden kann. Sobald die gewünschte Position erreicht ist, wird die Verriegelungseinrichtung 16 wieder verriegelt und so die Position der Platte 9 fixiert.
Um erkennen zu können, an welcher Position genau sich eine bestimmte Platte 9 befindet, ist für jede einzelne Platte 9 ein Positionssensor 24 vorgesehen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Positionssensor 24 konkret als kapazitiver Positionssensor ausgebildet. Zu diesem Zweck bildet die den Platten 9 zugewandte Rückseite 18a der Vorderplatte 18 eine erste Elektrode 25 des kapazitiven Positionssensors 24. Jede einzelne Spiegelfläche 8 der Spiegelanordnung 2 weist eine metallische Fläche 20 auf, die als individuelle, zweite Elektrode 26 des kapazitiven Positionssensors 24 wirkt. Durch Messen der Spannung U_Signal an der zweiten Platte 9 von rechts kann nun die Kapazität zwischen dieser Platte 9 und der ersten Elektrode 25 und somit der Abstand zwischen der Platte 9 und der Vorderplatte 18 ermittelt werden. Damit steht die Position dieser Platte 9 in der ersten Raumrichtung x fest. 4 zeigt, dass gleichzeitig die Spiegelflächen 8 der beiden benachbarten Platten 9 durch Anlegen einer Spannung U_aux als Hilfselektroden einsetzbar sind. Indem sie das elektrische Feld auch benachbart zu der gerade vermessenen Platte 9 homogenisieren, ermöglichen sie eine präzisere Messung der Kapazität und damit der Position.
Schematisch ist als alternative Ausführung eines Positionssensors an der linken Platte 9 ein Dehnungsmessstreifen-Positionssensor 24a dargestellt.
5 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Spiegelanordnung 2. Dieses entspricht dem ersten Ausführungsbeispiel – bis darauf, dass statt einer Vielzahl von Platten 9 ein monolithischer Block 30 aus einer piezoelektrischen Keramik vorgesehen ist. An seiner von der Vorderplatte 18 abgewandten Rückseite 30a ist eine Metallbeschichtung zur Bildung einer Elektrode 31 aufgebracht. Auf der dieser Elektrode 31 gegenüberliegenden Vorderseite des Keramikblocks 30 befinden sich die Spiegelflächen 8 von denen der Einfachheit halber lediglich sechs dargestellt sind. Auch jede Spiegelfläche 8 verfügt über eine metallische Beschichtung, beispielsweise aus Silber, Aluminium und/oder Gold.
Zwischen zwei benachbarten Spiegelflächen 8 befindet sich im Keramikblock 30 in Richtung x jeweils ein Einschnitt 32. Dieser trennt zwei benachbarte Spiegelflächen 8 voneinander. Der Einschnitt 32 hat eine Breite von etwa 20 μm und in der ersten Raumrichtung x eine Tiefe von etwa 1 bis 2 mm. Der gesamte Keramikblock kann in Richtung x eine Tiefe von etwa 2 bis 10 mm haben. Durch die Einschnitte 32 sind die einzelnen Spiegelflächen 8 soweit mechanisch und elektrisch voneinander isoliert, dass sie individuell in Richtung x verstellbar sind. Zu diesem Zweck wird zwischen der Elektrode 31 auf der Rückseite 30a des Keramikblocks 30 und jeder einzelnen, metallischen Spiegelfläche 8 eine individuelle Spannung angelegt und aufrecht erhalten. Beispielsweise könnte eine Gesamtspannung von 200 V an die Spiegelanordnung angelegt werden, die durch einstellbare, resistive Teiler für jede Spiegelfläche 8 (d. h. für jedes Pixel der Spiegelanordnung) einstellbar auf eine niedrigere Spannung geteilt wird. Durch Verändern dieser individuellen Spannung verändert sich in x-Richtung die Ausdehnung des die jeweilige Spiegelfläche 8 tragenden Bereichs des Keramikblocks 30, sodass die Spiegelfläche 8 in der ersten Raumrichtung x verstellt werden kann. Die Positionsmessung kann analog zum Ausführungsbeispiel nach 2 mit einem kapazitiven Positionssensor 24 erfolgen, der der Einfachheit halber ebenso wenig dargestellt ist wie die Steuer- und Auswerteeinheit 19.
Die Gesamtzahl und die Gesamtfläche der einzelnen Spiegelflächen 8 können in allen Ausführungsbeispielen gleich sein.
6 zeigt in schematischer Form im Vertikalschnitt eine Abwandlung des ersten Ausführungsbeispiels der Spiegelanordnung 2. In diesem Ausführungsbeispiel liegen die Platten 9 nicht vollflächig auf der Basisplatte 10 auf. Vielmehr ist im mittleren Bereich auf der Unterseite jeder Platte 9 eine ausgedehnte Aussparung 9b vorgesehen. Bedingt durch die Aussparung 9b liegt die Platte 9 nur mit einzelnen Stegen 9c auf der Basisplatte 10 auf. Dies verringert die Reibung zwischen der Platte 9 und der Basisplatte 10 und erleichtert so das Verstellen der Platte 9, ohne dabei die Präzision der Planparallelität zwischen den Spiegelflächen 8 zu beeinträchtigen.
Ausgehend von den beiden dargestellten Ausführungsbeispielen sind eine Vielzahl von weiteren Variationsmöglichkeiten denkbar. Beispielsweise müsste es sich bei der Basisplatte 10 nicht um eine Glasplatte handeln, sondern es könnte auch ein beliebiges anderes, vorzugsweise nichtleitendes Material verwendet werden. Statt der Positionssensoren 24 in Form von kapazitiven Sensoren können auch Dehnungsmessstreifen-Positionssensoren 24a verwendet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2000187167 A [0004]
JP 3460960 B2 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

A. M. Weiner: Rev. Sci. Instrum. 71, 1929 (2000) ”femtosecond pulse shaping using spatial light modulators” [0002]
Monmayrant et al.: J. Phys. B 43, 103001 (2010) ”A newcomer's guide to ultrashort pulse shaping and characterization” [0002]
M. Hacker et al.: Appl. Phys. B 76, 711–714 (2003) „Micromirror SLM for femtosecond pulse shaping in the ultraviolet” [0003]
S. M. Weber et al.: Opt. Lett. 35, 3102 (2010) „Ultraviolet and near-infrared femtosecond temporal pulse shaping with a new high-aspect-ratio one-dimensional micromirror array” [0003]
S. M Weber et al.: Rev. Sci. Instrum. 82, 075106 (2011) „Design, simulation, fabrication, packaging, and characterization of a MEMS-based mirror array for femtosecond pulseshaping in phase and amplitude” [0003]
A. Suda et al.: Opt. Express 9, 2–6 (2001) ”A spatial light modulator based an fused-silica plates for adaptive feedback control of intense femtosecond laser pulses” [0004]

Claims

Spiegelanordnung (2) zum Reflektieren von elektromagnetischen Wellen, mit einer Vielzahl von Spiegelflächen (8), wobei die Positionen der individuellen Spiegelflächen (8) unabhängig voneinander in einer ersten Raumrichtung (x) verstellbar sind, und wobei die Spiegelflächen (8) jeweils eine etwa rechteckige Form mit einer kurzen Seite (11) und einer langen Seite (12) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die kurze Seite (11) eine Länge von 0,3 mm bis 2 mm aufweist und die lange Seite (12) eine Länge von mindestens 3 mm aufweist.
Spiegelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kurze Seite (11) eine Länge von 0,5 mm bis 20 mm aufweist.
Spiegelanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die lange Seite (12) eine Länge von 6 mm bis 50 mm aufweist.
Spiegelanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 30 bis 300 individuell verstellbare Spiegelflächen (8) vorgesehen sind, vorzugsweise 50 bis 200 individuell verstellbare Spiegelflächen (8).
Spiegelanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Positionssensoren (24) zum Ermitteln der Positionen der individuellen Spiegelflächen (8) in der ersten Raumrichtung (x) vorgesehen sind.
Spiegelanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Positionssensor (24) ein Dehnungsmessstreifen-Positionssensor (24a) vorgesehen ist, oder dass als Positionssensor (24) ein kapazitiver Sensor vorgesehen ist, wobei eine Spiegelfläche (8) der Spiegelanordnung (2) eine Elektrode des kapazitiven Sensors (24) bildet, oder dass als Positionssensor ein optisches Interferometer vorgesehen ist.
Spiegelanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass beim Messen der Position einer bestimmten Spiegelfläche (8) mindestens eine der benachbarten Spiegelflächen (8) durch Anlegen einer Spannung als Hilfselektroden konfigurierbar sind.
Spiegelanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Platten (9) vorgesehen sind, wobei jede Platte (9) eine Spiegelfläche (8) aufweist, benachbarte Platten (9) wenigstens abschnittsweise aneinander anliegen und die Platten (9) unabhängig voneinander in der ersten Raumrichtung (x) verstellbar sind.
Spiegelanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Spiegelplatten aus Glass, Kristall, Keramik, Kunststoff, Halbleiter und/oder Metall gefertigt sind.
Spiegelanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verstellen der Position der Platten (9) entweder für jede Platte (9) ein eigener Aktuator (15) vorgesehen ist, oder für eine Mehrzahl von Platten (9) oder alle Platten (9) ein gemeinsamer, wahlweise mit einzelnen Platten (9) in Wirkverbindung bringbarer Aktuator (15) vorgesehen ist.
Spiegelanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit verschiedenen Platten (9) wahlweise einzeln in Wirkverbindung bringbarer Aktuator (15) entlang einer Schiene (23) in einer Richtung (y) transversal zur ersten Raumrichtung (x) verfahrbar ist.
Spiegelanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Platte (9) eine lösbare Verriegelungseinrichtung (16) vorgesehen ist, die in einem verriegelten Zustand die Position der jeweiligen Platte (9) fixiert und in einem entriegelten Zustand ein Verstellen der Position der jeweiligen Platte (9) erlaubt.
Spiegelanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelanordnung (2) einen piezoelektrischen Keramikblock (30) aufweist, an dessen Rückseite () mindestens eine Elektrode vorgesehen ist und an dessen Vorderseite die Vielzahl von Spiegelflächen (8) vorgesehen ist.
Spiegelanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei benachbarten Spiegelflächen (8) ein Einschnitt (32) im Keramikblock (30) vorhanden ist.
Spiegelanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Platten (9) oder der Keramikblock (30) auf einer Basisplatte (10) angeordnet sind.
Spiegelanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spiegelfläche (8) eine Metallschicht (20) aufweist, vorzugsweise umfassend Aluminium, Silber und/oder Gold.
Spiegelanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spiegelfläche (8) eine mehrschichtige dielektrische Beschichtung (21) aufweist.