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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Optikanordnung mit einem um eine erste Kippachse kippbar gelagerten optischen Element und mit einem ersten und einem zweiten thermisch längbaren Aktor zum Verkippen des optischen Elements. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Verkippen eines optischen Elements.
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Bei gepumpten Festkörperlasern wird mittels einer Pumplichtquelle ein laseraktives Festkörpermaterial optisch angeregt, um eine Besetzungsinversion zu erzeugen.
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Damit die Pumpleistung der Pumplichtquelle optimal ausgenutzt wird, ist es wünschenswert, den Laserstrahl mittels eines oder mehrerer Spiegel zentrisch mit dem Pumpfleck zu überlagern. Kommt der Laserstrahl nicht deckungsgleich mit dem Pumpfleck zu liegen, d. h. kommt es zu einer Strahlabweichung, so können Wirkungsgradverluste auftreten. Bei einer vergleichsweise großen Strahlabweichung kann es sogar zu einer thermischen Überlastung des Festkörpers und in der Folge zur Zerstörung einer zwischen dem Festkörper und einer festkörperrückseitigen Wärmesenke angeordneten Klebeschicht kommen. Darüber hinaus zeigen Festkörperlaser bei vergleichsweise extremen Umgebungstemperaturen ein starkes Einlaufverhalten, d. h. innerhalb einer ersten Phase nach dem Einschalten des Lasers verändert sich aufgrund unterschiedliche Längenänderungen in den einzelnen Bauteilen des Festkörperlasers die Strahllage im Laserresonator, was wiederum zu einer nachteiligen Dejustage des Laserresonators führt.
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Um die beschriebenen Nachteile zu verhindern, ist demnach eine Korrektur der Strahllage wünschenswert. Mit der aus der
US005915063A bekannt geworden Optikanordnung, bei der das optische Element mittels eines ersten und zweiten thermischen Aktors lediglich um eine einzige Kippachse kippbar ist, kann eine Strahllagenkorrektur jedoch nur eingeschränkt vorgenommen werden, da Störungen der Strahllage in aller Regel in mehreren Richtungen gleichzeitig auftreten.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Optikanordnung und ein Verfahren bereitzustellen, mittels derer die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden können. Insbesondere soll die Kippstellung eines optischen Elements derart beeinflussbar sein, dass die Strahllage eines an dem optischen Element reflektierten Laserstrahls konstant gehalten werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Optikanordnung der eingangs genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das optische Element um eine andere, zweite Kippachse kippbar gelagert ist, und dass der erste Aktor zum Verkippen des optischen Elements um die erste Kippachse und der zweite Aktor zum Verkippen des optischen Elements um die zweite Kippachse ausgebildet ist. Auf diese Weise können Abweichungen der Strahllage des an dem optischen Element reflektierten Laserstrahls sowohl durch ein Verkippen des optischen Elements um die erste Kippachse als auch um die zweite Kippachse korrigiert werden. Insbesondere kann die Winkelstellung eines optischen Elements um mindestens zwei unterschiedliche Kippachsen beeinflusst werden, um die Strahllage eines reflektierten Laserstrahls konstant zu halten. Zur Korrektur der Strahllage kann mittels der erfindungsgemäßen Optikanordnung die Kipplage des optischen Elements um die mindestens zwei Kippachsen jeweils sowohl in einer ersten (positiven) als auch in einer hierzu entgegengesetzten, zweiten (negativen) Richtung verkippt werden. Durch die erfindungsgemäße Optikanordnung ist ferner eine aktive Korrektur der Strahllage während des Laserbetriebs möglich, sodass zeitgleich zum Auftreten der Strahllagenabweichung eine entsprechende Korrektur durchgeführt werden kann. Wirkungsgradverluste des Laserresonators bzw. des Festkörperlasers können somit weiter reduziert werden. Das optische Element ist bevorzugt als ein reflektives optisches Element, insbesondere als ein Resonatorendspiegel, ausgebildet.
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Erfindungsgemäß dehnen sich die in der Regel als Festkörper ausgebildeten thermischen Aktoren durch Wärmezufuhr aus oder verkürzen sich durch Wärmeabfuhr und realisieren damit eine typischerweise lineare Auslenkungs- bzw. Stellbewegung. Die thermischen Aktoren sind im Wesentlichen in der Aktorlängsrichtung längbar bzw. kürzbar, d. h. die Aktoren längen oder verkürzen sich in ihrer Aktorlängsrichtung um ein Vielfaches stärker als in ihrer Querrichtung. Die Querausdehnung der Aktoren ist typischerweise vernachlässigbar. Die thermische Längsausdehnung ΔI der Festkörper lässt sich durch die Ausgangslänge L0, den materialabhängigen linearen Ausdehnungskoeffizienten α und die Temperaturänderung ΔT bestimmen. Durch die erfindungsgemäß genutzten thermischen Aktoren lassen sich vergleichsweise kurze Stellwege bzw. Auslenkungen mit einer hohen Auflösung und einer dennoch ausreichend hohen Stellkraft realisieren. Die Auslenkungsbewegung lässt sich auch mit vergleichsweise geringer Stellgeschwindigkeit durchführen. Darüber hinaus weisen thermische Aktoren in der Regel eine hohe Lebensdauer bei geringem Verschleiß auf und sind kostengünstig in der Beschaffung.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Aktoren jeweils um eine Hebelarmlänge beabstandet von den jeweils zugeordneten Kippachsen angeordnet. Dadurch greifen die Aktoren jeweils um den Betrag der Hebelarmlänge beabstandet an dem optischen Element (oder einer das optische Element aufnehmenden bzw. lagernden Platte) an. Die typischerweise lineare Auslenkungsbewegung (Längung oder Verkürzung) der jeweiligen Aktoren wird somit in eine Kippbewegung um die jeweils zugeordnete Kippachse umgewandelt. Beispielsweise verkippt der erste Aktor das optische Element um die erste Kippachse und der zweite Aktor verkippt das optisches Element um die zweite Kippachse. Um ein Verkippen des optischen Elements mit vergleichsweise kurzen Auslenkungen zu ermöglichen, ist es sinnvoll, die Aktoren vergleichsweise nah an ihrer jeweils zugeordneten Kippachse anzuordnen. Bevorzugt sind die die erste und die zweite Kippachse zueinander rechtwinklig ausgerichtet. Auf diese Weise können beliebige zweiachsige Kippstellungen des optischen Elements mit kurzen Stellwegen realisiert werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Optikanordnung ist das optische Element um eine andere, dritte Kippachse kippbar gelagert, und die Optikanordnung weist einen dritten thermisch längbaren Aktor auf, der zum Verkippen des optischen Elements um die dritte Kippachse ausgebildet ist. Bei einer Optikanordnung mit drei Aktoren kann das optische Element (oder eine Platte an der das optische Element befestigt ist) zum Verkippen des optischen Elements ausschließlich mit den drei Aktoren verbunden sein. Dies ermöglicht wiederum vorteilhaft, dass thermische Einflüsse kompensiert werden, die auf alle (in der Regel gleichartig ausgebildete) Aktoren gleichermaßen einwirken. Solche Einflüsse führen dann z. B. nur zu einer Parallelverschiebung des optischen Elements (entlang des Einfalllots des optischen Elements), und somit zu keiner Richtungsänderung eines reflektierten Laserstrahls, da sich dann alle drei Aktoren um das gleiche Maß ausdehnen.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung der vorhergehenden Ausführungsform schneiden sich die drei Kippachsen paarweise, und die Aktoren greifen jeweils in einem Schnittpunkt der Kippachsen am optischen Element an. Die Aktoren können grundsätzlich in den Schnittpunkten direkt am optischen Element angreifen oder mittelbar über eine Platte, an der das optische Element befestigt ist. Es ist insbesondere ein auslenkbares Aktorende des ersten Aktors am ersten Schnittpunkt, ein auslenkbares Aktorende des zweiten Aktors am zweiten Schnittpunkt, und ein auslenkbares Aktorende des dritten Aktors am dritten Schnittpunkt angeordnet. Bei einer weiteren Weiterbildung bilden die Schnittpunkte die Eckpunkte eines gleichseitigen Dreiecks. Durch diese symmetrische Anordnung der Aktoren können unterschiedliche insbesondere taumelnde Kipplagen des optischen Elements durch gleichmäßige und vergleichsweise kurze kombinierte Stellwege der drei Aktoren bewirkt werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Aktoren jeweils über Festkörpergelenke mit dem optischen Element verbunden. Durch die Festkörpergelenk-Verbindung kann die in der Regel lineare Auslenkungsbewegung eines Aktors in eine Kippbewegung des optischen Elements um die entsprechende Kippachse umgewandelt werden. Die Festkörpergelenke sind insbesondere in den Schnittpunkten zweier Kippachsen angeordnet. Die Aktoren sind typischerweise über auslenkbare Aktorenden der Aktoren mit dem optischen Element verbunden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das optische Element an einer Platte befestigt und die Aktoren sind jeweils über Festkörpergelenke mit der Platte verbunden. Auf diese Weise kann das optische Element z. B. nach längerem Gebrauch durch ein anderes, neues optisches Element ersetzt werden, ohne dabei die Verbindungen zwischen der Platte und den Aktoren lösen zu müssen. Die Platte wird durch die Auslenkungsbewegungen der einzelnen Aktoren um die jeweiligen Kippachsen verkippt und kann somit zusammen mit dem daran befestigten optischen Element eine Taumelbewegung ausführen. Die Platte ist eine so genannte Taumelplatte.
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Bevorzugt sind die Festkörpergelenke als zumindest zweiachsige Festkörpergelenke ausgebildet. Die typischerweise als biegeelastische Dünnstellen ausgebildeten Festkörpergelenke sind so dimensioniert und ihre mechanischen Eigenschaften (Biegesteifigkeit etc.) sind so gewählt, dass eine hohe Lebensdauer bzw. eine ausreichend hohe Anzahl an Kippbewegungen ohne ein Bauteilversagen möglich ist. Derartige Festkörpergelenke sind in vorteilhafter Weise verschleiß- und reibungsfrei und benötigen keine Schmierung oder Wartung. In dem Falle, dass die Optikanordnung lediglich zwei Aktoren umfasst, ist das optische Element über einen weiteren Lagerpunkt, durch den die zwei Kippachsen verlaufen, gelagert. In dem Falle, dass die Optikanordnung drei in einem Dreieck angeordnete Aktoren umfasst, sind an einer Kippachse jeweils zwei zweiachsige Festkörpergelenke angeordnet. Die Festkörpergelenke können als zwei- oder mehrachsige Festkörpergelenke ausgebildet sein.
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Bei einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform weisen die Aktoren jeweils einen thermisch längbaren Aktorlängskörper und mindestens ein zwischen den längsseitigen Aktorenden in dem Aktorlängskörper angeordnetes Heizelement auf. Den als Festkörper ausgebildeten Aktorlängskörpern wird bevorzugt Wärme mit als Heizpatronen ausgebildeten Heizelementen zugeführt. Alternativ zu den Heizpatronen können auch Heizspiralen, Heizmanschetten oder Peltierelemente als Heizelemente verwendet werden. Heizpatronen, Heizspiralen und Heizmanschetten bilden Wärmequellen, sind preiswert und weisen bei Einhaltung der Einbaubedingungen und Minimierung der maximal zulässigen Oberflächentemperaturen eine lange Lebensdauer auf. Das optische Element ist an der aktorabgewandten Seite der Taumelplatte befestigt. Bei einer bevorzugten Weiterbildung umfassen die Aktoren jeweils zwei, insbesondere parallel, in den Aktorlängskörpern angeordnete Heizelemente. Auf diese Weise ist eine thermische Längung oder Kürzung der Aktoren auch noch bei einem Ausfall einer der beiden Heizelemente mittels des verbleibenden anderen Heizelements möglich.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Aktoren einenends an einer Grundplatte befestigt. Die Grundplatte kann als Wärmesenke bzw. als Kühlkörper dienen, in die die durch die Heizelemente in die Aktoren eingebrachte Wärme abgeführt werden kann. Wenn von den Aktoren Wärme in die Grundplatte abfließt, kann dies zu einer Abkühlung der jeweiligen Aktoren führen. Neben der Wärme, die von den einzelnen Aktoren bzw. Heizelementen zur Kipplageverstellung in die Optikanordnung eingebracht wird, kann die Grundplatte grundsätzlich auch durch Transmission von Laserstrahlung in das optische Element eingebrachte Wärme abführen. Zur Befestigung der Aktoren an der Grundplatte sind die Aktoren und die Grundplatte bevorzugt einstückig ausgebildet. Die Aktoren sind insbesondere mit ihren dem optischen Element abgewandten Enden an der Grundplatte befestigt. Die Aktoren sind ferner bevorzugt mit zueinander parallel ausgerichteten Aktorlängsachsen über längsseitige Aktorenden an der Grundplatte angeordnet. In dem Falle, dass die Optikanordnung drei Aktoren umfasst, sind die drei Aktorlängskörper (Aktorsäulen) bevorzugt um 120° versetzt an der Grundplatte angeordnet. Die Aktoren sind bevorzugt symmetrisch (rotationssymmetrisch zu einer Symmetrieachse der Optikanordnung) an der Grundplatte angeordnet. Dies stellt eine gleichmäßige Anbindung der drei Aktoren sicher, sodass sich das Stellverhalten der drei Aktoren nicht unterscheidet.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung sind die Aktoren jeweils über Befestigungsabschnitte an der Grundplatte befestigt, die im Vergleich zu den Aktoren erhöhte Wärmedurchgangswiderstände aufweisen. Auf diese Weise ist der Wärmeabfluss der durch die Heizelemente in die Aktoren eingebrachten Wärme über den Befestigungsabschnitt reduziert, und die einzelnen Aktoren beeinflussen sich gegenseitig nicht oder nur in geringfügigem Maße. Darüber hinaus kann in den Aktoren eine im Vergleich zur Grundplatte erhöhte Temperatur durch eine geringere Heizleistung aufrechterhalten werden, da vergleichsweise wenig Wärme über die einzelnen Befestigungsabschnitte abfließt. In einer bevorzugten Weiterbildung umfassen die Befestigungsabschnitte jeweils zwischen den Aktoren und der Grundplatte einstückig angeformte Verbindungsstege, insbesondere Materialdünnstellen. Die Verbindungsstege bzw. Materialdünnstellen sind Bereiche mit einem im Vergleich zur Aktorsäulenstruktur, insbesondere zu einem Aktorsäulenquerschnitt, sowie zur Grundplattenstruktur, insbesondere zu einem Grundplattenquerschnitt, vergleichsweise dünnem Materialquerschnitt.
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Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform der Optikanordnung, bei der die Grundplatte, die Aktoren, die Festkörpergelenke und die Platte als ein monolithischer, Grundkörper ausgebildet sind. Durch die monolithische Bauweise tritt zwischen den entsprechenden Einzelelementen, also der Grundplatte, den Aktoren, bzw. Aktorlängskörpern, den Festkörpergelenken und der Platte, keine Reibung auf. Auch arbeitet der monolithische Grundkörper weitestgehend verschleißfrei. Das Stellverhalten des Grundkörpers bzw. der Optikanordnung ist aufgrund einer vergleichsweise geringen Hysterese, einer guten Wiederholgenauigkeit und fehlender Langzeitdrift besonders günstig. Durch die monolithische Ausgestaltung wird die Anzahl der Einzelteile der Optikhalterung ferner stark verringert. Dies reduziert wiederum die Montagezeit und die Montagekosten bei der Herstellung der Optikanordnung. Unter monolithisch ausgebildet wird im Sinne der Erfindung einstückig ausgebildet verstanden. Alternativ zur monolithischen Ausgestaltung kann die Optikhalterung aus Einzelelementen zusammengefügt sein, d. h. beispielsweise miteinander verklebte und/oder verschraubte Einzelelemente aufweisen. Durch die monolithische Ausbildung des Grundkörpers, die bevorzugt durch Fräsen in einer Aufspannung aus einem einzigen Stück erzeugt wird, können unterschiedliche Stellverhalten der einzelnen Aktoren und Festkörpergelenke vermieden werden. Als Frästeile ausgebildete monolithische Optikhalterungen sind zudem hochfest und mithin besonders robust. Hochfestes Aluminium ist als Material für ein Frästeil besonders geeignet, da es einfach zu bearbeiten ist und eine große Verformbarkeit bei gleichzeitig hoher Festigkeit aufweist.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Optikanordnung umfasst die Grundplatte einen, insbesondere fluidgekühlten, Wärmeabsorber. Der Wärmeabsorber kann durch einen Körper mit vergleichsweise großer Wärmekapazität gebildet sein und zur verbesserten Wärmeabfuhr eine Fluidkühlung (z. B. eine Wasserkühlung) aufweisen. Der Wärmeabsorber kann als Wärmesenke Teil der Grundplatte sein oder über eine Wärmekontaktfläche an der Grundplatte befestigt werden. Neben der Wärme, die von den einzelnen Aktoren bzw. Heizelementen in die Optikanordnung bzw. dem Grundkörper eingebracht wird, kann der Wärmeabsorber auch die durch teilweise Transmission des reflektierten Laserstrahls in das optische Element und somit in die Optikanordnung eingebrachte Wärme aufnehmen und entsprechend (über die Fluidkühlung) abführen. Der Wärmeabsorber ermöglicht es, die Grundplatte bzw. den Wärmeabsorber trotzt über die Aktoren zufließender Wärme auf einem konstanten Temperaturniveau (der Wärmesenkentemperatur) zu halten.
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Schließlich ist eine Ausführungsform der Optikanordnung bevorzugt, die eine Regeleinrichtung zur Ansteuerung der einzelnen Aktoren aufweist. Die Regeleinrichtung regelt die Auslenkungen der einzelnen Aktoren zum Verkippen des optischen Elements. Beispielsweise kann das optischen Element zur Korrektur der Strahllage eines an dem optischen Element reflektierten Laserstrahls derart von einer Ist-Lage des optischen Elements um die erste und/oder zweite Kippachse in eine Soll-Lage des optischen Elements verkippt werden, dass die Strahlrichtung des reflektierte Laserstrahls nicht mehr abweicht sondern korrigiert ist. Um bei einer von der Soll-Lage abweichenden Ist-Lage des optischen Elements die jeweils in den Aktoren einzustellenden Temperaturen (bzw. die hierfür zu- oder abzuführenden Wärmeströme in die Aktoren) zu bestimmen, sind in den einzelnen Aktoren Temperatursensoren vorgesehen, die die aktuelle Aktortemperatur erfassen. Mittels der Regeleinrichtung ist eine aktive Feinjustage bzw. eine aktive Feinkorrektur der Strahllage von reflektierten Laserstrahlen während des Betriebs des Laserresonators möglich. Die Ansteuerung der Aktuatoren erfolgt typischerweise mittels elektrischer Signale.
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In den Rahmen der Erfindung fällt auch ein Verfahren zum Verkippen eines optischen Elements um eine Kippachse mittels mindestens eines thermisch längbaren Aktors, dem mittels eines Heizelements ein Heizwärmestrom zuführbar ist und von dem mittels einer Wärmesenke ein Kühlwärmestrom abführbar ist, insbesondere zum Verkippen eines optischen Elements einer erfindungsgemäßen Optikanordnung, bei dem der Heizwärmestrom zum Verkippen des optischen Elements in eine erste Kipprichtung größer als der Kühlwärmestrom eingestellt wird, und bei dem der Heizwärmestrom zum Verkippen des optischen Elements in eine der ersten entgegengesetzte, zweite Kipprichtung kleiner als der Kühlwärmestrom eingestellt wird. Unter dem Heizwärmestrom wird ein (erster) Wärmestrom verstanden, mittels dessen dem Aktor bzw. dem Aktorlängskörper Wärme zugeführt wird. Unter dem Kühlwärmestrom wird ein (zweiter) Wärmestrom mit im Vergleich zum Heizwärmestrom umgekehrten Vorzeichen verstanden, mittels dessen dem Aktor bzw. dem Aktorlängskörper folglich Wärme entzogen (abgeführt) wird. Wenn der Betrag des Heizwärmestroms größer als der Betrag des Kühlwärmestroms eingestellt wird, wird dem Aktor ein Nettowärmestrom zugeführt, sodass sich dessen Temperatur erhöht und er sich, insbesondere in der Aktorlängsrichtung, ausdehnt. Somit wird der Aktor ausgelenkt, wobei die in der Regel lineare Auslenkungsbewegung (über typischerweise ein Festkörpergelenk) in die eine, erste Kippbewegung des optischen Elements umgesetzt wird. Wenn der Betrag des Heizwärmestroms kleiner als der Betrag des Kühlwärmestroms eingestellt wird, wird von dem Aktor ein Nettowärmestrom abgeführt, sodass sich dessen Temperatur verringert und er sich, insbesondere in der Aktorlängsrichtung, verkürzt. Somit wird der Aktor (in der entgegengesetzten Richtung) ausgelenkt, wobei die in der Regel lineare Auslenkungsbewegung (über typischerweise ein Festkörpergelenk) in die andere der ersten entgegengesetzte, zweite Kippbewegung des optischen Elements übertragen wird. Es versteht sich, dass das erfindungsgemäße Verfahren auch auf mehrere, insbesondere zwei und drei Aktoren anwendbar ist, die jeweils einer Kippachse zugeordnet sind. Der einer Kippachse zugeordnete Aktor bzw. der Vektor der Auslenkungsbewegung des Aktors ist von der jeweiligen Kippachse um eine Hebelarmlänge beabstandet angeordnet. Es versteht sich, dass zur Erzielung einer Kippbewegung des optischen Elements um eine Kippachse auch mehrere Aktoren in einer gleichen Hebelarmlänge oder in unterschiedlichen Hebelarmlängen von der Kippachse beabstandet angeordnet und zeitgleich (bzw. parallel) betrieben werden können. Das erfindungsgemäße Verfahren kann besonders vorteilhaft auf der erfindungsgemäßen Optikanordnung zur Strahllagenkorrektur angewendet werden. Das optische Element ist bevorzugt als ein reflektives optisches Element, insbesondere als ein Resonatorendspiegel, ausgebildet.
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Bei einer bevorzugten Variante wird zum Verändern der Kipplage des optischen Elements der zugeführte Heizwärmestrom verändert. Der zugeführte Heizwärmestrom lässt sich einfach und direkt durch Ansteuern des Heizelements, insbesondere durch Regeln der Heizleistung des Heizelements, beeinflussen. Bei einer ebenfalls bevorzugten Variante wird zum Verändern der Kipplage des optischen Elements der abgeführte Heizwärmestrom verändert. Beispielsweise kann durch Absenken der Wärmesenkentemperatur, d. h. durch Erhöhen des Kühlwärmestroms, eine schnellere Abkühlung der Aktoren, und mithin eine schnellere Verkürzung der Aktoren in der Aktorlängsrichtung erreicht werden.
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Schließlich ist eine Variante des Verfahrens bevorzugt, bei der der Aktor zur Einnahme einer neutralen Kipplage des optischen Elements auf eine über der Wärmesenkentemperatur, insbesondere über der Umgebungstemperatur, liegende mittlere Ruhetemperatur erwärmt wird. Durch die Anhebung der mittleren Ruhetemperatur über die Wärmesenken- bzw. Kühlwassertemperatur ist es möglich, einen aufgeheizten Aktorlängskörper schneller auf die mittlere Ruhetemperatur abzukühlen. Außerdem können Schwankungen in der Umgebungstemperatur (und im Kühlfluid) ausgeglichen werden. Ferner wird die Wechselwirkung zwischen den Aktorlängskörpern durch das Erwärmen des Aktors bzw. der Aktoren auf die mittlere Ruhetemperatur minimiert. Durch das Anheben der Aktortemperatur auf die gegenüber der Wärmesenkentemperatur bzw. der Umgebungstemperatur erhöhte mittlere Ruhetemperatur, können negative Kippbewegungen, also Kippbewegungen in der zweiten Kipprichtung, durch Abkühlen des Aktors auf eine zwischen der Wärmesenkentemperatur und der mittleren Ruhetemperatur liegenden Aktortemperatur erreicht werden. Ein solches Abkühlen des entsprechenden Aktors kann durch Verringern des Heizwärmestroms oder durch Erhöhen des Kühlwärmestroms erreicht werden. In dem Falle, dass mehrere Aktoren für jeweils mehrere Kippachsen vorgesehen sind, sind sämtliche Aktoren zur Einnahme der neutralen Kipplage des optischen Elements auf die mittlere Ruhetemperatur zu erwärmen.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung. Die Figuren der Zeichnung zeigen den erfindungsgemäßen Gegenstand stark schematisiert und sind nicht maßstäblich zu verstehen.
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Es zeigen:
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1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Optikanordnung in einer perspektivischen Ansicht;
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2 eine schematisierte Draufsicht auf die Optikanordnung der 1;
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3 einen Querschnitt durch die Optikanordnung der 1;
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4 einen weiteren Querschnitt durch die Optikanordnung der 1;
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5 eine schematisierte Draufsicht auf eine andere Ausführungsform einer Optikanordnung; und
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6a, 6b Festkörpergelenke für die Optikanordnung gemäß den 1 bis 5.
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Die in den 1 und 2 gezeigte Optikanordnung 1 umfasst eine Grundplatte 2, einen ersten, zweiten und dritten thermisch längbaren oder thermisch kürzbaren Aktor 3a, 3b, 3c die jeweils einenends an der Grundplatte 2 befestigt sind, sowie eine Platte 4 die über ein erstes, zweites und drittes Festkörpergelenk 5a, 5b, 5c jeweils mit den anderen Enden der Aktoren 3a–3c verbunden ist. Die Grundplatte 2, die Aktoren 3a–3c die Festkörpergelenke 5a–5c und die Platte 4 sind als ein monolithischer Grundkörper 6 aus hochfestem Aluminium ausgebildet. Die Optikanordnung 1 umfasst ferner ein als Spiegel ausgebildetes reflektives optisches Element 7, das auf der den Aktoren 3a–3c abgewandten Seite 8 der Platte 4 befestigt ist und an dem beispielsweise ein unter einem Winkel α zu einem Einfalllot E einfallender Laserstrahl L reflektiert werden kann.
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Das optische Element 7 ist jeweils um eine erste Kippachse 9a, um eine andere, zweite Kippachse 9b und um eine weitere, dritte Kippachse 9c kippbar gelagert, wobei der erste Aktor 3a zum Verkippen des optischen Elements 7 um die erste Kippachse 9a, der zweite Aktor 3b zum Verkippen des optischen Elements 7 um die zweite Kippachse 9b und der dritte Aktor 3c zum Verkippen des optischen Elements 7 um die dritte Kippachse 9c ausgebildet ist. Die erste, zweite und dritte Kippachse 9a–9c sind in einer zu der Platte 4 parallelen Ebene angeordnet. Zum Verkippen des optischen Elements 7 um die jeweils zugeordnete Kippachse 9a–9c sind die Aktoren 3a–3c jeweils um eine Hebelarmlänge 10a, 10b, 10c beabstandet von den Kippachsen 9a–9c angeordnet (vgl. 2). Wird die aktuelle Temperatur, beispielsweise des ersten Aktors 3a, erhöht, so dehnt sich der Aktor 3a im Wesentlichen in seiner Aktorlängsrichtung 11 aus, wodurch die über das Festkörpergelenk 5a mit dem Aktor 3a verbundene Platte 4 und mit ihr das optische Element 7 um die entsprechende, im Beispiel erste, Achse 9a in einer ersten Kipprichtung 12 verkippt wird. Beim Verkippen der Platte 4 um die erste Kippachse 9a werden auch die Festkörpergelenke 5b, 5c entsprechend verkippt bzw. verschwenkt. Wird die aktuelle Temperatur, des ersten Aktors 3a, verringert, so verkürzt sich der Aktor 3a in seiner Aktorlängsrichtung 11, wodurch die Platte 4 und mit ihr das optische Element 7 um die entsprechende, hier erste, Kippachse 9a in einer der ersten Kipprichtung 12 entgegengesetzte, zweite Kipprichtung 12' verkippt wird. Die in der Regel lineare Ausdehnungs- oder Verkürzungsbewegung (Auslenkungsbewegung) des Aktors 3a wird über das Festkörpergelenk 5a in eine Kippbewegung um die Achse 9a umgewandelt. Es versteht sich, dass die hier beispielhaft für die erste Kippachse 9a beschriebene Funktionsweise auch für die zweite und dritte Kippachse 9b, 9c gilt. Die jeweiligen ersten und zweiten Kipprichtungen 12, 12' einer Kippachse 9a–9c sind in den 1 und 2 durch Doppelpfeile angedeutet. Es versteht sich ferner, dass grundsätzlich auch eine Verkippung des reflektiven optischen Elements 7 um beispielsweise eine zu der Kippachse 9a parallel versetzte und durch das Festkörpergelenk 5a verlaufende weitere Kippachse möglich ist (nicht dargestellt), indem die beiden Aktoren 3b, 3c entsprechend ausgedehnt oder verkürzt werden. Eine derartige Funktionsweise gilt selbstverständlich auch für weitere entsprechend parallel versetzte und durch die entsprechenden Festkörpergelenke verlaufende Kippachsen.
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Die drei Kippachsen 9a–9c schneiden sich paarweise in einem ersten, zweiten und dritten Schnittpunkt 13a, 13b, 13c, wobei die Aktoren 3a–3c bzw. die mit den Aktoren 3a–3c verbundenen Festkörpergelenke 5a–5c jeweils in den ersten, zweiten und dritten Schnittpunkten 13a, 13b, 13c an der Platte 4 bzw. am optischen Element 7 angreifen. Die drei Festkörpergelenke 5a–5c der Optikanordnung 1 sind bevorzugt als drei jeweils zweiachsige Festkörpergelenke 5 gemäß der 6a ausgebildet. Deren beide Festkörpergelenkachsen 14, 15 sind orthogonal zueinander ausgerichtet, sodass sich aus der Kippbarkeit um die beiden Festkörpergelenkachsen 14, 15 eine zusammengesetzte Kippbewegung ausführen lässt (angedeutet durch die beiden Doppelpfeile D1, D2. Die Festkörpergelenke 5a–5c umfassen eine oder mehrere zwischen zwei Starrkörperbereichen 17 des Festkörpergelenks 5 gebildete Dünnstellen 16, die eine verringerte Biegesteifigkeit im Vergleich zu den Starrkörperbereichen 17 aufweisen. Alternativ zu dem Festkörpergelenk 5 der 6a können die drei Festkörpergelenke 5a–5c der Optikanordnung 1 auch gemäß dem mehrachsigen Festkörpergelenk 5' der 6b ausgebildet sein. Die Festkörpergelenke 5, 5' sind einenends mit der Platte 4 und anderenends mit den Aktoren 3a–3c verbunden. Die Schnittpunkte 13a, 13b, 13c bilden die Eckpunkte eines gleichseitigen Dreiecks, sodass die Aktoren 3a–3c um β = 120° versetzt an der Grundplatte 2 angeordnet sind.
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Durch den Querschnitt der 3, der beispielsweise entlang der dritten Kippachse 9c verläuft, ist das Innere zweier Aktoren 3a, 3b ersichtlich. Die Aktoren 3a, 3b weisen jeweils einen thermisch längbaren und thermisch kürzbaren Aktorlängskörper 18 und zwei jeweils zwischen den längsseitigen Aktorenden parallel in den Aktorlängskörpern 18 angeordnete Heizelemente 19 auf. Ferner ist in den Aktorlängskörpern 18 mittig ein Temperatursensor 20 zur Erfassung der aktuellen Aktortemperatur angeordnet. Sowohl die Heizelemente 19 als auch die Temperatursensoren 20 sind signal- und energieversorgungstechnisch mit einer Regeleinrichtung 21 zur Ansteuerung der Aktoren 3a, 3b, 3c verbunden und in entsprechende Bohrungen im Inneren der Aktorlängskörper 18 eingebracht. Die Grundplatte 2 umfasst einen als Wärmesenke dienenden fluidgekühlten Wärmeabsorber 22, der an der Rückseite der Grundplatte 2 befestigt ist.
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4 zeigt in einem weiteren Querschnitt durch die Optikanordnung 1, dass die Aktoren 3a, 3b jeweils über Befestigungsabschnitte 23 an der Grundplatte 2 befestigt sind. Der Übersicht halber sind in 4 keine Heizelemente und Temperatursensoren im Inneren der Aktoren 3a, 3b dargestellt. Die Befestigungsabschnitte 23 weisen im Vergleich zu den Aktoren 3a, 3b bzw. den Aktorlängskörpern 18 erhöhte Wärmedurchgangswiderstände auf, sodass ein über den Befestigungsabschnitt 23 abfließender (Kühl-)Wärmestrom vergleichsweise reduziert ist. Die Befestigungsabschnitte 23 umfassen zwischen den Aktoren 3a, 3b und der Grundplatte 2 einstückig angeformte und als Materialdünnstellen ausgebildete Verbindungsstege 24, die z. B. durch das Einbringen einer Freistellnut 25 in der Grundplatte 2 gebildet sind.
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Die Regeleinrichtung 21 zur einzelnen Ansteuerung der Aktoren 3a–3c ist dazu eingerichtet bzw. programmiert, ein im Folgenden mit Bezug zu den 1 bis 4 beispielhaft für den ersten Aktor 3a und die erste Kippachse 9a beschriebenes Verfahren durchzuführen.
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Zum Verkippen des reflektiven optischen Elements 7 um die erste Kippachse 9a mittels des thermisch längbaren ersten Aktors 3a, kann mittels der in dem ersten Aktor 3a angeordneten Heizelemente 19 dem ersten Aktor 3a ein Heizwärmestrom zugeführt werden (beispielsweise durch Einstellen einer ausgewählten Heizleistung der Heizelemente 19). Ferner kann von dem ersten Aktor 3a mittels der Wärmesenke 22 ein Kühlwärmestrom abgeführt werden (Zum Beispiel durch Einstellen einer ausgewählten Kühlleistung einer Fluidkühlung der Wärmesenke 22).
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Wenn der Betrag des Heizwärmestroms größer als der Betrag des Kühlwärmestroms eingestellt wird, wird dem Aktor 3a ein Nettowärmestrom zugeführt, sodass sich dessen Temperatur erhöht und er sich in der Aktorlängsrichtung 11 ausdehnt und das optische Element 7 um die erste Kippachse 9a in der ersten Kipprichtung 12 verkippt. Wenn der Betrag des Heizwärmestroms kleiner als der Betrag des Kühlwärmestroms eingestellt wird, wird von dem Aktor 3a ein Nettowärmestrom abgeführt, sodass sich dessen Temperatur verringert und er sich in der Aktorlängsrichtung 11 verkürzt und das optische Element 7 um die erste Kippachse 9a in der zur ersten Kipprichtung 12 entgegengesetzten, zweiten Kipprichtung 12' verkippt. Zum Verändern der Kipplage des optischen Elements 7 um die erste Kippachse 9a kann demnach der zugeführte Heizwärmestrom und/oder der abgeführte Kühlwärmestrom verändert werden.
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Um eine neutrale (beispielsweise zur Grundplatte 2 im Wesentlichen parallele) Kipplage des optischen Elements 7 einzunehmen, werden sämtliche Aktoren 3a–3c auf eine über der Wärmesenkentemperatur liegende mittlere Ruhetemperatur erwärmt.
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Durch das Anheben der Aktortemperaturen auf die mittlere Ruhetemperatur können negative Kippbewegungen, also Kippbewegungen in der zweiten Kipprichtung 12', durch Abkühlen einzelner Aktoren 3a–3c auf eine zwischen der Wärmesenkentemperatur und der mittleren Ruhetemperatur liegende Aktortemperatur erzeugt werden.
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Beispielsweise kann das optische Element 7 um die erste Kippachse 9a in der zweiten Kipprichtung 12' verkippt werden, wenn die aktuellen Temperaturen der zweiten und dritten Aktoren 3b, 3c der mittleren Ruhetemperatur entsprechen und die Aktortemperatur des ersten Aktors 3a auf eine darunterliegende Aktortemperatur, beispielsweise auf die Wärmesenkentemperatur, abgesenkt wird, sodass sich der erste Aktor 3a verkürzt und das optische Element 7 um die erste Achse 9a in der zweiten (negativen) Kipprichtung 12' verkippt wird. Ein solches Abkühlen des ersten Aktors 3a kann durch Verringern des Heizwärmestroms oder durch Erhöhen des Kühlwärmestroms erreicht werden.
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Es versteht sich, dass sich das hier beispielhaft anhand des ersten Aktors 3a und der ersten Kippachse 9a beschriebene Verfahren analog auf die zweiten und dritten Aktoren 3b, 3c sowie die entsprechenden Kippachsen 9b, 9c übertragen lassen. Durch ein kombiniertes Verkippen des reflektiven optischen Elements 7 um die drei Kippachsen 9a–9c jeweils in der ersten und hierzu entgegengesetzten zweiten Kipprichtung 12, 12' können jedwede (taumelnde) Soll-Lagen des optischen Elements 7 eingestellt und somit die Strahllage von an dem optischen Element 7 reflektierten Laserstrahlen L beeinflusst werden. Insbesondere kann die Strahllage des reflektierten Laserstrahls L durch entsprechendes Ansteuern der Aktoren 3a–3c korrigiert werden, um eine abweichende Strahllage zu korrigieren.
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In 5 ist schematisch eine weitere Ausführungsform einer Optikanordnung 1 mit lediglich einer ersten und zweiten, zueinander rechtwinklig ausgerichteten Kippachse 9a, 9b dargestellt. Das optische Element 7 ist an einem weiteren ortsfesten, d. h. nicht in der Aktorlängsrichtung ausgelenkten Lagerpunkt 26 über ein zwei- oder mehrachsiges Festkörpergelenk 5, 5' gemäß den 6a oder 6b kippbar gelagert. Die Aktoren 3a, 3b sind jeweils um eine Hebelarmlänge 10a, 10b beabstandet von den jeweils zugeordneten Kippachsen 9a, 9b angeordnet. Das optische Element 7 ist jeweils um die erste Kippachse 9a und um die zweite Kippachse 9b kippbar gelagert, wobei der erste Aktor 3a zum Verkippen des optischen Elements 7 um die erste Kippachse 9a und der zweite Aktor 3b zum Verkippen des optischen Elements 7 um die zweite Kippachse 9b ausgebildet ist. Die vorbeschriebene Funktionsweise der Optikanordnung 1 aus den 1 bis 4 (thermisches Längen und/oder Verkürzen der Aktoren 3a, 3b) gilt entsprechend für die zweiachsige Optikanordnung 1.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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