DE102014106595A1 - Mirror holder for laser beam optics and laser beam optics - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Spiegelhalter für Laserstrahloptiken mit einem auf einem Untergrund einer Strahlführung aufstellbaren Fuß (2), einem an dem Fuß (2) angeordneten Spiegelträger (3), der über ein Spiegelträgerlager (4) um eine Rotationsachse (R) drehbar am Fuß (2) gehalten ist und zumindest eine Aufnahme für die Befestigung wenigstens eines Spiegels (1) eines Strahlführungssystems einer Laserstrahlanlage aufweist. Die bekannten Spiegelhalter sind hinsichtlich der optischen Eigenschaften des Spiegels und der Einstellbarkeit nicht optimal. Dies verbessert die Erfindung dadurch, dass das Spiegelträgerlager (4) ein Kreuzrollenlager ist, wobei der Spiegelträger (3) an einer Seite einen zylindrischen Lagerzapfen aufweist, über den er am Fuß (2) gelagert ist und das Kreuzrollenlager des Spiegelträgerlagers (4) den Lagerzapfen mit einem spiegelträgerseitigen Lagerring umgreift, der über die in der Wälzrichtung kreuzweise zueinander versetzten Wälzkörper des Kreuzwellenlagers an einem fußseitigen Lagerring gelagert ist.The invention relates to a mirror holder for laser beam optics with a foot (2) that can be set up on a base of a beam guide, a mirror support (3) arranged on the foot (2), which can be rotated about a rotation axis (R) on the foot (4) via a mirror support bearing (4). 2) is held and has at least one receptacle for fastening at least one mirror (1) of a beam guidance system of a laser beam system. The known mirror holders are not optimal with regard to the optical properties of the mirror and the adjustability. This improves the invention in that the mirror support bearing (4) is a crossed roller bearing, the mirror support (3) having a cylindrical bearing journal on one side, by means of which it is mounted on the base (2), and the crossed roller bearing of the mirror carrier bearing (4) the bearing journal encompasses a bearing ring on the mirror carrier side, which is mounted on a bearing ring on the foot side via the rolling bodies of the cross shaft bearing, which are offset crosswise to one another in the rolling direction.
Description
Die Erfindung betrifft einen Spiegelhalter für Laserstrahloptiken, insbesondere für Optiken einer Strahlführung eines Hochleistungslasers, mit einem auf einem Untergrund einer Strahlführung aufstellbaren Fuß, einem an dem Fuß angeordneten Spiegelträger, der über ein Spiegelträgerlager um eine Rotationsachse drehbar am Fuß gehalten ist und zumindest eine Aufnahme für die Befestigung wenigstens eines Spiegels eines Strahlführungssystems einer Laserstrahlanlage aufweist. Ferner betrifft die Erfindung eine Laserstrahloptik mit einem derartigen Spiegelhalter und einem Spiegel. The invention relates to a mirror holder for laser beam optics, in particular for optics of a beam guide of a high-power laser, with a foot can be placed on a base of a beam guide, a arranged on the foot mirror carrier, which is rotatably supported about a mirror support bearing about an axis of rotation on the foot and at least one receptacle for having the attachment of at least one mirror of a beam guidance system of a laser beam system. Furthermore, the invention relates to a laser beam optics with such a mirror holder and a mirror.
Die gattungsgemäßen Spiegelhalter sind insbesondere für Laserstrahlführungen von gepulsten Lasern mit einer Leistung im Terrawattbereich bis hin zum niedrigen Petawattbereich vorgesehen, können aber natürlich auch für CW-Laser (kontinuierliche Laserstrahlung) im Megawatt-Bereich oder kleinere Leistungsklassen verwendet werden. Insoweit ist die Anwendung der Erfindung auf eine bestimmte Leistungsklasse der Laser-Systeme nicht beschränkt. The generic mirror holders are intended in particular for laser beam guidance of pulsed lasers with a power in the terawatt range up to the low petawatt range, but can of course also be used for CW lasers (continuous laser radiation) in the megawatt range or smaller power classes. In that regard, the application of the invention to a particular power class of the laser systems is not limited.
Präzise Halterungen und Stellmittel für optische Komponenten oder Kameras sind beispielsweise aus der
Spiegelhalter für Laserstrahloptiken sind aus der
Die bekannten Komponenten, Spiegel und Spiegelhalter haben den Nachteil, dass sie insbesondere in Verbindung mit hohen Leistungen und größeren Strahldurchmessern nicht hinreichend genau den Laserstrahl zu führen vermögen. Gerade in Verbindung mit Hochleistungslasern muss aber der Laserstrahl aufgeweitet werden, um eine Beschädigung der optischen Flächen des Spiegels zu vermeiden. The known components, mirrors and mirror holders have the disadvantage that they are not able to guide the laser beam with sufficient accuracy, in particular in conjunction with high powers and larger beam diameters. However, especially in conjunction with high-power lasers, the laser beam must be widened in order to avoid damaging the optical surfaces of the mirror.
Darüber hinaus muss der Laserstrahl möglichst genau zur im Strahlengang nächstgelegenen Optik geführt werden, um dort entweder gespiegelt oder fokussiert zu werden. Damit möglichst geringe Verluste aufgrund der in den Strahlengang eingebrachten optischen Strahlführungselemente auftreten, sollten der Spiegel und der Spiegelhalter in der Lage sein, über einen möglichst großen Weg den Strahl exakt zu führen. Ferner sollte der Reflektionswinkel möglichst genau einstellbar sein und gehalten werden können. In addition, the laser beam must be guided as accurately as possible to the nearest in the beam path optics, there to be either mirrored or focused. In order to minimize losses due to the introduced in the beam path optical beam guiding elements, the mirror and the mirror holder should be able to perform the beam over a maximum distance the exact way. Furthermore, the reflection angle should be as accurately adjustable and can be kept.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Spiegelhalter sowie eine Laserstrahloptik mit einem Spiegel und einem solchen Spiegelhalter bereitzustellen, wobei die optischen Eigenschaften des Spiegels möglichst genau und reproduzierbar einstellbar sind. The object of the invention is therefore to provide a mirror holder and a laser beam optics with a mirror and such a mirror holder, wherein the optical properties of the mirror are as accurately and reproducibly adjustable.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch einen Spiegelträger nach Anspruch 1 und einer Laserstrahloptik nach Anspruch 6 gelöst, wobei das Spiegelträgerlager dabei ein Kreuzrollenlager ist. This object is achieved according to the invention by a mirror carrier according to
Durch erfindungsgemäßen Spiegelhalter wird es nun möglich, auch große Spiegel, so wie sie für die Umlenkung des Strahlengangs von Hochleistungslasern benötigt werden, sicher zu halten und gleichzeitig genau einzustellen. By mirror holder according to the invention, it is now possible to keep even large mirrors, as they are needed for the deflection of the beam path of high-power lasers, safe and at the same time set exactly.
Insbesondere in Verbindung mit gepulster Laserstrahlung im Hochleistungsbereich ist es vorteilhaft, wenn der Spiegelhalter in einer Vakuumkammer angeordnet werden kann. Diese Vakuumkammer verhindert, dass nicht-lineare Prozesse in der Luft unmittelbar vor dem Spiegel ablaufen, die die Stahlqualität verschlechtern oder schlimmstenfalls sogar eine Teilabschirmung der Laserstrahlung bewirken können. In particular in connection with pulsed laser radiation in the high power range, it is advantageous if the mirror holder can be arranged in a vacuum chamber. This vacuum chamber prevents non-linear processes in the air from flowing directly in front of the mirror, which can degrade steel quality or, in the worst case, even cause partial shielding of the laser radiation.
Bevorzugte Größen für die verwendeten Spiegel sind dabei runde, ovale oder rechteckige Spiegel, die zumindest in einer Richtung einer Ausdehnung von 300 mm, bevorzugt 400 mm oder mehr und besonders bevorzugt 600 mm aufweisen. Solche Spiegel haben ein Gewicht von 60 kg und darüber und werden bevorzugt sowohl um eine erste Rotationsachse als auch um eine zur ersten Rotationsachse rechtwinklige zweite Drehachse verstellt. Auf diese Weise lässt sich der Ausfallswinkel des Spiegels beliebig einstellen. Preferred sizes for the mirrors used are round, oval or rectangular mirrors which have at least in one direction an extension of 300 mm, preferably 400 mm or more and particularly preferably 600 mm. Such mirrors have a weight of 60 kg and above and are preferably adjusted both about a first axis of rotation and about a second axis of rotation perpendicular to the first axis of rotation. In this way, the angle of reflection of the mirror can be set arbitrarily.
Um möglichst effektiv den Strahlengang einstellen zu können, weist der Spiegelhalter bevorzugt eine Drehbarkeit um die Rotationsachse und/oder die Drehachse um 360° auf. Ferner weist er bevorzugt eine Grobeinstellung für den Drehwinkel in eine oder beide Richtungen auf. Zusätzlich sollte eine Feineinstellung vorhanden sein, um den Ausfallswinkel möglichst genau einstellen zu können und so den Strahlengang exakt auf das nächste optische Mittel richten zu können. In order to be able to adjust the beam path as effectively as possible, the mirror holder preferably has a rotatability about the axis of rotation and / or the axis of rotation about 360 °. Furthermore, it preferably has a coarse adjustment for the angle of rotation in one or both directions. In addition, a fine adjustment should be present in order to adjust the angle of failure as accurately as possible and so to be able to direct the beam path exactly to the nearest optical means.
Die oben genannte Feineinstellung kann beispielsweise mit Hilfe von Feingewindeschrauben realisiert werden, die eine Gewindesteigung von 0,15 mm aufweisen können. Alternativ können auch Mikrometerschrauben eingesetzt werden. The above-mentioned fine adjustment can be realized for example by means of fine-thread screws, which may have a thread pitch of 0.15 mm. Alternatively, micrometer screws can also be used.
Der Spiegelhalter besteht erfindungsgemäß aus den Grundkomponenten Fuß, Spiegelträger und Aufnahme für den Spiegel. Der Fuß ist bevorzugt an der Unterseite einer Vakuumkammer oder auf einer sonstigen Fläche, zum Beispiel eines optischen Tisches zu befestigen. Dies kann über eine stabile Schraubenverbindung, zum Beispiel Schrauben der Größe M6 in einem Abstand von 25 mm erfolgen. The mirror holder according to the invention consists of the basic components foot, mirror support and recording for the mirror. The foot is preferred to be attached to the underside of a vacuum chamber or on any other surface, for example an optical table. This can be done via a stable screw connection, for example screws of size M6 at a distance of 25 mm.
Der Fuß kann zweiteilig ausgebildet sein, dann kann in jedem der beiden Fußteile jeweils ein Lager vorgesehen sein. Die Rotationsachse und/oder die Drehachse können durch den Schwerpunkt des Spiegels oder der Kombination Spielgel und Spiegelträger verlaufen, die nicht notwendig mit der optischen Achse übereinstimmen müssen. The foot can be formed in two parts, then in each case one bearing can be provided in each of the two foot parts. The axis of rotation and / or the axis of rotation may pass through the center of gravity of the mirror or the combination of gel and mirror support, which need not necessarily coincide with the optical axis.
Der Antrieb des Spiegelhalters kann manuell erfolgen, zusätzlich oder alternativ kann auch ein motorisierter Antrieb vorgesehen sein. Im letztgenannten Fall werden bevorzugt Piezoantriebe verwendet. Dabei kann die Drehbewegung um die Rotationsachse, um die Drehachse oder auch um beide Achsen motorisch und/oder manuell erfolgen. The drive of the mirror holder can be done manually, in addition or alternatively, a motorized drive can be provided. In the latter case, piezoelectric drives are preferably used. In this case, the rotational movement about the axis of rotation, about the axis of rotation or about both axes can be motorized and / or manually.
Durch die erfindungsgemäße Verwendung des Kreuzrollenlagers kann nun der Spiegelhalter am fest montierten Fuß besonders sicher und vibrationsfrei gelagert werden. Der Spiegelträger selbst ist ausreichend dimensioniert, um Vibrationen zu vermeiden. Gleiches gilt für die Lagerung des Spiegels am Spiegelträger. Auch hier können Kreuzrollenlager zum Einsatz kommen, um den Spiegel, der beispielsweise zwei seitlich hervorstehende Lagerzapfen aufweisen kann, sicher und genau am Spiegelträger lagern zu können, auch wenn zum Beispiel der Spiegelträger in einer nicht-aufrechten Stellung montiert ist. By using the cross roller bearing according to the invention, the mirror holder can now be mounted on the firmly mounted foot in a particularly secure and vibration-free manner. The mirror carrier itself is sufficiently dimensioned to avoid vibrations. The same applies to the storage of the mirror on the mirror support. Again, cross roller bearings can be used to safely and accurately store the mirror, which may for example have two laterally projecting journals on the mirror support, even if, for example, the mirror support is mounted in a non-upright position.
Die verwendeten Kreuzrollenlager weisen Lagerringe auf, in denen mit zueinander versetzten Drehachsen eine Mehrzahl von Wälzkörpern, insbesondere in Form von Walzen, vorgesehen ist, so dass sich eine besonders hohe Genauigkeit ergibt. Durch die bevorzugte Anordnung der Rollen in X-Anordnung kann das Kreuzrollenlager axiale Kräfte aus zwei Richtungen sowie Radialkräfte, Kippmomentbelastungen und beliebige Lastkombinationen aufnehmen. Die Wälzkörper können tonnenförmig mit konstantem oder sich in eine Axialrichtung verringerndem Durchmesser ausgebildet sein. Bevorzugt werden die Lager mit einem vakuumtauglichen Schmiermittel geschmiert. The cross roller bearings used have bearing rings in which with a staggered axes of rotation a plurality of rolling elements, in particular in the form of rollers, is provided, so that results in a particularly high accuracy. Due to the preferred arrangement of the rollers in X-arrangement, the cross roller bearing can absorb axial forces from two directions as well as radial forces, Kippmomentbelastungen and any load combinations. The rolling elements may be barrel-shaped with a constant or decreasing diameter in an axial direction. Preferably, the bearings are lubricated with a vacuum suitable lubricant.
Auch die übrigen Materialien, die zur Herstellung des Spiegelhalters oder des Spiegels Verwendung finden, sollten bevorzugt vakuumtauglich sein. Unter Vakuum wird diesem Zusammenhang ein Vakuum verstanden, dass dafür Sorge trägt, dass die Strahlgenauigkeit nicht durch die nicht-linearen Prozesse gestört wird. Dies kann bei einer typischen Anwendung zum Beispiel ein Vakuum mit einem Innendruck von 10–06 mbar sein. The other materials that are used for the production of the mirror holder or the mirror should preferably be suitable for vacuum. Under vacuum, this relationship is understood to mean a vacuum that ensures that the beam accuracy is not disturbed by the non-linear processes. For example, in a typical application this may be a vacuum with an internal pressure of 10 -06 mbar.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen. Further features and advantages of the invention will become apparent from the subclaims and from the following description of a preferred embodiment with reference to the drawings.
In den Zeichnungen zeigt: In the drawings shows:
In den
Bevorzugt ist der Spiegelhalter zumindest in der Feineinstellung motorisch verstellbar. Hierzu kann eine Antriebsspindel mit einer Steigung von 0,5 mm verwendet werden, die über einen Motor, insbesondere einen Piezomotor angetrieben ist. Dies bedeutet, dass pro Spindelumdrehung relativ zu einer hierüber angetriebenen Mutter ein Vorschub von 0,5 mm erzielt wird. Für die Grobeinstellung kann ein manueller Antrieb bzw. eine manuelle Verstellung oder auch eine motorische Einstellung, hier gegebenenfalls mit einer größeren Steigung der Antriebsspindel und einem einfacheren Motor gewählt werden. Preferably, the mirror holder is at least in the fine adjustment adjustable by motor. For this purpose, a drive spindle with a pitch of 0.5 mm can be used, which is driven by a motor, in particular a piezomotor. This means that a feed of 0.5 mm is achieved per spindle revolution relative to a nut driven therewith. For the coarse adjustment of a manual drive or a manual adjustment or a motorized setting, here optionally be selected with a larger pitch of the drive spindle and a simpler motor.
Die Lagerung des Spiegelträgers
Am Spiegelträger
Bevorzugte Abmessungen des Spiegels
Die dargestellten Bauteile des Spiegelhalters sind beispielsweise aus Aluminium gefertigt. Die Schraubverbindungen, insbesondere die Feingewindeschrauben zur Realisierung der Feinverstellung, können aus Edelstahl, Titan oder einer titanhaltigen Legierung hergestellt werden. Bevorzugt ist der den Spiegel haltende Rahmen ein monolithischer Rahmen, also ein aus einem Stück gefertigter Rahmen, der eine hohe Maßhaltigkeit ohne Zusammenbautoleranzen aufweist. Der monolithische Rahmen umfasst dann die von dem Spiegel
Durch die besondere Ausgestaltung des Spiegelträgers
Der dargestellte Spiegelhalter kann horizontal oder vertikal eingesetzt werden. Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Spiegelhalters ist jedoch die zusätzliche Möglichkeit, diesen aufgrund der verwendeten Lagertechnik auch über Kopf oder in einer gekippten Einbaulage einzusetzen. Zur Vermeidung von Brennweitenverschiebungen oder sonstigen Störungen der Strahlqualität (z.B. Astigmatismus) kann der Spiegel
Bei diesem Stützskelett werden ausgehend von einem oder möglicherweise auch mehren zentralen Befestigungspunkten Tragarme verwendet, die wiederum einen oder weitere Tragarme aufweisen, an denen dann ein Bereich der Rückseite des Spiegels
Der dargestellte Spiegelhalter weist ein kardanisches Konstruktionsprinzip auf, bei dem die beiden Drehachsen, also die Rotationsachse R einerseits und die Drehachse D andererseits, in der Ebene der Optik liegen. The mirror holder shown has a gimbal design principle in which the two axes of rotation, ie the axis of rotation R on the one hand and the axis of rotation D on the other hand, lie in the plane of the optics.
Bevorzugt können die Teile des Spiegelträgers
Unter Vakuum wird in diesem Zusammenhang ein Ultrahochvakuum mit einem Druck in der Vakuumkammer von weniger als 10–7 mbar, insbesondere einem bis in ein extrem hohes Vakuum reichendes Vakuum von 10–10 bis 10–14 mbar, angesehen. Under vacuum in this connection is an ultra-high vacuum with a pressure in the vacuum chamber of less than 10 -7 mbar, in particular between one and in an extremely high vacuum reaching vacuum of 10 -10 to 10 -14 mbar, viewed.
Durch die Beschichtung des Spiegelträgers
Die Erfindung betrifft mehrere Komplexe, insbesondere die Spiegelhalterung über das Kreuzrollenlager, die Stabilisierung des Spiegels über das rückwärtige Skelett und die Beschichtung der Komponenten des Spiegelträgers zur Ertüchtigung des Spiegelhalters zur Verwendung im Ultrahochvakuum. Die Anmelderin behält sich vor, diese Komponenten auch unabhängig voneinander zu beanspruchen. The invention relates to a plurality of complexes, in particular the mirror mount via the cross roller bearing, the stabilization of the mirror on the rear skeleton and the coating of the components of the mirror support for improving the mirror holder for use in ultrahigh vacuum. The Applicant reserves the right to claim these components independently.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1 1
- Spiegel mirror
- 2 2
- Fußfoot
- 3 3
- Spiegelträger mirror support
- 4 4
- Spiegelträgerlager Mirror carrier bearing
- 5 5
- Spiegellager mirror storage
- D D
- Drehachse des Spiegels in einer ersten Ebene Rotational axis of the mirror in a first plane
- R R
- Rotationsachse des Spiegels in einer zweiten Ebene Rotation axis of the mirror in a second plane
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- DE 102012002728 A1 [0003] DE 102012002728 A1 [0003]
- AT 507684 A4 [0004] AT 507684 A4 [0004]
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