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Die Erfindung betrifft eine Rotationsvorrichtung für ein Gitter, einen Spiegel oder einen Kristall zur Einstellung einer Laservorrichtung, insbesondere einer Farbstofflaservorrichtung, aufweisend einen Befestigungsflansch zur Befestigung an der Laservorrichtung, einen Befestigungsarm zur Befestigung einer Halteplatte für das Gitter, den Spiegel oder einen Kristall, und ein Drehantrieb zur Einstellung eines Rotationswinkels des Gitters, Spiegels oder einen Kristalls relativ zu dem Befestigungsflansch, sowie eine Laservorrichtung mit einer derartigen Rotationsvorrichtu ng.
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Die Erfindung liegt insbesondere auf dem Gebiet der Farbstofflaservorrichtungen, die eine in der Wellenlänge abstimmbare Laser-Lichtquelle erzeugen, bei dem als optisch aktives Medium ein spezieller Laserfarbstoff verwendet wird. Mit den dabei eingesetzten Laserfarbstoffen kann ein Spektralbereich von nahem UV-Licht bis ins nahe IR-Licht abgedeckt werden. Dabei weisen die Farbstofflaservorrichtungen innerhalb ihres Resonators ein Gitter und/oder einen Spiegel auf, mit dem die Emissions-Wellenlänge des Lasers im Betrieb eingestellt werden kann. Durch Verstellen des Gitters oder Spiegels wird der Farbstofflaser über den oben genannten Spektralbereich frei durchstimmbar. Dazu umfasst die Farbstofflaservorrichtung insbesondere einen „Grazing Incidence Resonator“,der aus einem Gitter mit streifendem Einfall des Laserlichts und einem gegenüberliegendem Spiegel oder Gitter besteht, wobei durch eine Drehvorrichtung eine bestimmte Drehung des Spiegels beziehungsweise des Gitters eingestellt wird, wodurch die Wellenlänge des Lasers geändert wird.
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Zudem können in der Laservorrichtung auch andere optische Elemente, wie zum Beispiele Kristalle, verwendet werden, deren Positionierung anhand eines Rotationswinkel eingestellt werden muss. Beispielhaft sei hier ein Kristall und Kompensator für eine Verdopplungs- oder Verdreifachungseinheit genannt oder auch bei der UV- oder Infrarot Mischung.
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Aus der
DE 10 2007 028 499 B4 ist ein abstimmbares Diodenlasersystem, welches zwei Rotationsmittel aufweist, bekannt. Hierbei ist das erste Rotationsmittel eine Stellschraube, mittels welcher ein Grundkörper grob positioniert werden kann und gegen eine Rückstellfeder wirkt. Das zweite Rotationsmittel ist ein Piezoaktuator, welcher sich an dem Grundkörper abstützt und auf einen Träger einwirkt. In dem Träger ist das Gitter an Führungsgelenken und einem Drehungsgelenk gehalten, wobei der Träger mittels einer Linearbewegung des Piezoaktuators um ein Drehzentrum außerhalb des Grundkörpers gedreht wird.
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Aus der
US 5 506 920 A ist ein abstimmbarer Wellenlängenfilter bekannt. Dieser Wellenlängenfilter weist einen Piezoaktuator auf, welcher direkt oder indirekt über eine Bewegungs-Vergrößerungsstruktur mit einer Linearführung verbunden ist. Über die Reibung zwischen der Linearführung und einer Rolle wird eine mit der Rolle verbundene Tragwelle verdreht. Das hat zum Resultat, dass ein optisches Gitter ebenfalls verdreht wird.
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Aus der
DE 10 2016 210 304 B3 _ist eine Messkammer für ein Röntgenspektrometer bekannt. Die Messkammer weist zwei Piezomotoren auf, welche jeweils den einen Kristallwechsler oder den Detektor verdrehen können. Hierbei laufen die Piezomotoren linear in Laufbahnen und versetzen den Kristallwechsler mittels einer getriebeähnlichen Anordnung in Rotation.
Aus der
DE 36 22 907 A1 ist eine Spiegelhalterung für einen optischen Resonator bekannt. Hierbei stützt sich ein Spiegelträger an drei Punkten ab, wobei die relative Lage des Spiegelträgers zu einem Lagerteil justierbar ist. Zu diesem Zweck sind zwei der drei Lagerpunkte, an denen sich der Spiegelträger abstützt, verstellbar.
Aus der
DE 10 2010 006 526 A1 ist eine Gitterwechselvorrichtung bekannt, welche sowohl in einer ersten Ausführung mittels einer linearen Aufwärtsbewegung in die Arbeitspositionen verfahren kann, als auch in einer zweiten Ausführung mittels einer Drehbewegung in die Arbeitspositionen verfahren kann. Die bekannte Gitterwechselvorrichtung ermöglicht dadurch einen Gitterwechsel ohne einen technischen Umbau bzw. einer Neujustage der optischen Gitter.
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Bei bekannten Farbstofflaserantrieben umfasst die Drehvorrichtung zur Drehung des Spiegels beziehungsweise Gitters oder auch des Kristalls eine von einem hochauflösenden Schrittmotor angetriebene hochpräzise Verschiebeeinrichtung. Bekannte hochauflösende Schrittmotoren haben eine Auflösung in der Größenordnung von bis zu ca. 10.000 Schritten pro Umdrehung. Um den relativ engbandigen Laser fachgerecht bedienen zu können, wird jedoch eine Auflösung in einer Größenordnung von ca. 1,4 Millionen Schritte für eine Drehung auf 100° Drehwinkel für das Gitter / den Spiegel benötigt.
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Um eine derartige Auflösung zu erreichen, treibt bei den bekannten Farbstofflaservorrichtungen der Schrittmotor einen hochpräzisen Linearantrieb an, insbesondere bestehend aus einer vorgespannten Kugelumlauf- oder Kreuzrollenführung und einer Präzisionsspindel, wobei die Linearbewegung nochmal über einen von der Präzisionsspindel angetriebenen Hebel in eine Rotationsbewegung umgesetzt wird. Der Hebel ist dabei in einem hochpräzisen Kugellagerelement gelagert. Als Beispiel wird für einen Schrittmotor mit 10.000 Schritten pro Umdrehung eine Präzisionsspindel mit 140 mm Länge und einer Steigung von 1 mm pro Umdrehung verwendet, wobei der Hebel über den Verschiebeweg von 140 mm eine Drehung von 100° durchführt.
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Derartige bekannte Drehvorrichtungen sind relativ langsam bei der Einstellung der Drehwinkel und benötigen zum Beispiel bei einer konstanten Bewegung des Schrittmotors mit einer Genauigkeit von 1 Schritt (0,000072°) für 10° Drehwinkeländerung ca. 30 Minuten.
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Zudem kann mit einer derartigen Drehvorrichtung der Laser auf Grund der Hysterese beziehungsweise dem Umkehrspiel aller Komponenten nur von einer Seite anfahren. Dabei muss nach jedem Starten des Lasers der Antrieb neu eingestellt werden, was wiederum eine gewisse Zeit benötigt.
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Hinzu kommt noch, dass ein derartiger Antrieb bei der Herstellung der Laservorrichtung aufwändig im Zusammenbau ist und relativ viel Bauraum braucht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben beschriebenen Nachteile zu vermeiden oder zumindest zu verbessern und eine alternative Rotationsvorrichtung für ein Gitter, einen Spiegel oder einen Kristall in einer Laservorrichtung zur Verfügung zu stellen, die die hohen Präzisionsanforderungen bezüglich des Einstellwinkels erfüllt, möglichst schnell die neue Position einnehmen kann, einen möglichst kleinen Bauraum benötigt und einfacher herzustellen ist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Rotationsvorrichtung mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 beziehungsweise durch eine Laservorrichtung gemäß Anspruch 8 gelöst. Dabei weist der Drehantrieb einen Piezomotor zur Einstellung des Rotationswinkels auf, und die Halteplatte ist über den Befestigungsarm mit einem Rotor des Piezomotors verbunden ist. Vorteilhafterweise setzt der Piezomotor eine Schreitbewegung von Piezo-Biegeelementen mittels Haftreibung in eine Vorschubbewegung und die Vorschubbewegung in eine Drehbewegung des Rotors von mindestens fünf Millionen Schritte pro Umdrehung um. Dies hat den Vorteil, dass die Halteplatte für das Gitter, den Spiegel oder den Kristall direkt ohne weitere Getriebe oder andere mechanische Übersetzungen der Bewegung angetrieben werden kann. Dies vereinfacht die Herstellung der Laservorrichtung und verringert den Bauraum der Rotationsvorrichtung.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Piezomotor als ein hochauflösender Piezomotor mit einem insbesondere optischen Encoder, einem insbesondere optischen Positionsindex und einer Bewegungs- und Encoderauflösung von mindestens 12 Millionen Schritten pro Umdrehung ausgebildet. Dies ermöglicht eine Auflösung von über 4 Million Schritte auf 100°. Die Position des Piezomotors ist somit immer genau bestimmbar und der Piezomotor kann den für eine Wellenlänge des Lasers gewünschten Drehwinkel von beiden Seiten anfahren. Somit kann man auf eine Homing-Position verzichten.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Figurenbeschreibung und den abhängigen Unteransprüchen.
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Es zeigt:
- 1 eine 2D-Sikzze einer erfindungsgemäßen Rotationsvorrichtung.
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Zu der anschließenden Beschreibung wird beansprucht, dass die Erfindung nicht auf die Ausführungsbeispiele und dabei nicht auf alle oder mehrere Merkmale von beschriebenen Merkmalskombinationen beschränkt ist, vielmehr ist jedes einzelne Teilmerkmal des/jedes Ausführungsbeispiels auch losgelöst von allen anderen im Zusammenhang damit beschriebenen Teilmerkmalen für sich und auch in Kombination mit beliebigen Merkmalen eines anderen Ausführungsbeispiels von Bedeutung für den Gegenstand der Erfindung.
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1 zeigt eine zweidimensionale Skizze einer erfindungsgemäßen Rotationsvorrichtung 1 für ein Gitter, einen Spiegel oder einen Kristall zur Einstellung einer Laservorrichtung, insbesondere einer Farbstofflaservorrichtung. Die Rotationsvorrichtung 1 weist einen Befestigungsflansch 3 auf, der zur festen Verbindung der Rotationsvorrichtung 1 mit einer nicht dargestellten Laservorrichtung dient. An dem Befestigungsflansch 3 ist als Drehantrieb der Rotationsvorrichtung 1 ein Piezomotor 5 mit einem Stator 5a des Piezomotors 5 fest verbunden. Der Piezomotor 5 weist vorzugsweise einen nicht dargestellten insbesondere optischen Encoder auf, der den Drehwinkel eines Rotors 5b misst. Zudem weist der Piezomotor 5 eine nicht dargestellte elektrische Schnittstelle zur Steuerung und zum Auslesen des aktuellen Drehwinkels des Rotors 5b auf. Derartige Piezomotoren 5 beruhen auf dem Prinzip, dass eine Schreitbewegung von Piezo-Biegeelementen mittels Haftreibung in eine Vorschubbewegung umgesetzt wird und die Vorschubbewegung in eine Drehbewegung des Rotors 5b umgesetzt wird.
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Der erfindungsgemäß verwendete Piezomotor 5 ermöglicht dabei eine Auflösung der Drehbewegung des Rotors 5b von mindestens fünf Millionen Schritten pro Umdrehung. Vorzugsweise ist der Piezomotor 5 als ein besonders hochauflösender Piezomotor 5 mit einem insbesondere optischen Encoder und einem insbesondere optischen Positionsindex und einer Bewegungs- und Encoderauflösung von mindestens 12 Millionen Schritten pro Umdrehung des Rotors 5b ausgebildet. Besonders bevorzugt ermöglicht der erfindungsgemäße Piezomotor 5 eine Drehgeschwindigkeit des Rotors 5b von 10°/s.
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Der Rotor 5b des Piezomotors 5 ist erfindungsgemäß unmittelbar mit einem Befestigungsarm 7 fest verbunden. Der Befestigungsarm 7 dient zur starren und unmittelbaren Befestigung einer Halteplatte 9 für ein nicht dargestelltes Gitter oder einen Spiegel oder einen Kristall. Dazu weist die Halteplatte 9 eine Aufnahmenut 10 auf, in der das Gitter, der Spiegel oder der Kristall formschlüssig oder stoffschlüssig befestigt wird.
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Die Halteplatte 9 ist vorteilhafterweise über Lagermittel 13 an dem Befestigungsarm 7 und oder an der Halteplatte 9 gelagert und über an den Lagermitteln ausgebildete Justiermittel 11 in ihrer Neigung gegenüber dem Befestigungsarm 7 einstellbar.
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Bevorzugt weist der Befestigungsarm 7 insbesondere an der der Halteplatte 9 zugewandten Seite eine vorzugsweise halbkugelförmige oder kugelförmige Lagerstelle 13 auf, die in eine an der dem Befestigungsarm 7 zugewandten Seite der Halteplatte 9 angeordnete vorzugsweise kreisförmige Öffnung eingreift.
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In einer ersten vorteilhaften Ausführungsform weist der Befestigungsarm 7 die Justiermittel 11 auf. Die Justiermittel 11 sind insbesondere als zwei in Richtung der Halteplatte 9 durch den Befestigungsarm 7 durchschraubbare Justierschrauben ausgebildet. Insbesondere ist an der Halteplatte 9 an der dem Befestigungsarm 7 zugewandten Seite gegenüber dem Austritt einer der Justiermittel 11 eine Nut angeordnet, in der die Justierschraube im gefügten Zustand der Halteplatte 9 eingreift und somit eine translatorische Bewegung der Halteplatte 9 relativ zum Befestigungsarm 7 vermieden wird. Der Befestigungsarm 7 und die Halteplatte 9 werden insbesondere über zwischen Befestigungsarm 7 und Halteplatte 9 angeordnete nicht dargestellte Federmittel gegeneinander gezogen und somit in den Lagermitteln 13 gehalten.
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In einer alternativen vorteilhaften nicht dargestellten Ausgestaltung ist die Halteplatte 9 besonders einfach austauschbar ausgebildet. Dazu sind die Justiermittel 11 an der Halteplatte 9 angeordnet. Die Justierung ist somit immer spezifisch für die bestimmte Halteplatte 9 beziehungsweise für das an der Halteplatte 9 angeordnete Gitter beziehungsweise Kristall oder den Spiegel. Zudem sind vorteilhafterweise an dem Befestigungsarm 7 und an der Halteplatte 9 sich gegenseitig anziehende, nicht dargestellte Magnetelemente angeordnet, die die Halteplatte 9 gegen den Befestigungsarm 7 ziehen und den Befestigungsarm 7 fest in den Lagermitteln 13 halten. Dadurch können verschiedene Halteplatten 9 mit unterschiedlichen Gittern, Spiegeln oder Kristallen einfach ausgetauscht und reproduzierbar in eine bestimmte Lage gebracht werden.
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Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfasst auch alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Ausführungen. Es wird ausdrücklich betont, dass die Ausführungsbeispiele nicht auf alle Merkmale in Kombination beschränkt sind, vielmehr kann jedes einzelne Teilmerkmal auch losgelöst von allen anderen Teilmerkmalen für sich eine erfinderische Bedeutung haben. Ferner ist die Erfindung bislang auch noch nicht auf die im Anspruch 1 definierte Merkmalskombination beschränkt, sondern kann auch durch jede beliebige andere Kombination von bestimmten Merkmalen aller insgesamt offenbarten Einzelmerkmale definiert sind. Dies bedeutet, dass grundsätzlich praktisch jedes Einzelmerkmal des Anspruchs 1 weggelassen beziehungsweise durch mindestens ein an anderer Stelle der Anmeldung offenbartes Einzelmerkmal ersetzt werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rotationstisch
- 3
- Befestigungsflansch
- 5
- Piezomotor
- 5a
- Stator
- 5b
- Rotor
- 7
- Befestigungsarm
- 9
- Halteplatte
- 10
- Aufnahmenut
- 11
- Justierelement
- 13
- Lagerelement
