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Die Erfindung betrifft einen Strahltransformator zur Transformation eines Eingangslaserstrahls in einen transformierten Strahl mit reduzierter raummäßiger und/oder zeitlicher Kohärenz, insbesondere zur Verwendung in Lasersystemen zur Linienbeleuchtung eines Objektes, in Form eines transparenten, plattenförmigen, optischen Elementes mit einer Vorderfläche und einer Rückfläche, die sich im Wesentlichen parallel zueinander erstrecken, mit einer Eintrittsfläche, mit einer Austrittsfläche und mit einer Mehrzahl von verspiegelten Flächen zur Strahlumlenkung.
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Ein derartiger Strahltransformator ist aus der
WO 2018/019374 A1 bekannt. Hierin ist ein Lasersystem beschrieben, um eine Laserlinie auf einer Arbeitsfläche zu Linienbeleuchtung eines Objektes bereitzustellen.
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Zu beispielhaften Anwendungen solcher Lasersysteme gehören die Rekristallisation von Siliziumoxidschichten, die auf Glassubstraten abgeschieden sind, etwa in TFT-Displays, das Laser-gestützte Dotieren z.B. von Solarzellen, sowie die Laser-Lift-Off-Verfahren bei der Herstellung von Mikroelektronikgeräten.
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Die Laserlinie erstreckt sich bei einem derartigen System in einer ersten Richtung über eine signifikante Länge und in einer zweiten Richtung nur über einen kleinen Weg. Das Lasersystem umfasst eine Laserquelle zur Bereitstellung eines Laserstrahls als Basis für einen langgestreckten Eingangslaserstrahl, der sich entlang einer Ausdehnungsrichtung ausdehnt, sowie eine Homogenisierungs- und Fokussierungseinheit zur Homogenisierung des langgestreckten Laserstrahls, um eine Laserlinie zu formen. Hierin ist ein Strahlformator beschrieben, um den Eingangslaserstrahl in einen transformierten Strahl zur Linienbeleuchtung eines Objektes umzuformen. Der Strahltransformator weist ein transparentes, monolithisches, plattenförmiges, optisches Element auf, mit einer Vorderfläche und einer Rückfläche, die sich im Wesentlichen parallel zueinander erstrecken. An der Vorderfläche ist eine Eintrittsfläche zum Eintritt des Laserstrahls vorgesehen. An der Rückfläche ist eine Austrittsfläche zum Austritt des transformierten Strahls vorgesehen. Das optische Element weist eine Mehrzahl von verspiegelten Flächen zur Strahlumlenkung auf.
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Ein derartiger Strahltransformator ist zwar durchaus geeignet, um die gewünschte Transformation durchzuführen. Jedoch hat sich in der Praxis gezeigt, dass die Abbildungsleistung verbesserungswürdig ist. Die Linienbreite und das gewünschte (in der Regel trapezförmige) Strahlprofil werden nicht unter allen Bedingungen präzise genug eingehalten.
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Aus der
DE 10 2018 115 126 A1 ist ferner eine optische Anordnung zur Umwandlung eines Eingangslaserstrahls in einen linienartigen Ausgangsstrahl bekannt, wobei die optische Anordnung eine Umformoptik mit einer Eingangsapertur und einer länglich ausgebildeten Ausgangsapertur umfasst, die sich länglich entlang einer Aperturlängsrichtung erstreckt, und wobei eine Homogenisierungsoptik dazu ausgebildet ist, das aus der Umformoptik austretende Strahlpaket in den linienartigen Ausgangsstrahl umzuwandeln. Dabei ist die Aperturlängsrichtung bezüglich der Linienrichtung um die Ausbreitungsrichtung um einen nicht verschwindenden Drehwinkel verdreht.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Strahltransformator zu schaffen, mit dem eine verbesserte Abbildungsleistung erzielt werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Strahltransformator gemäß der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass mindestens an der Vorderfläche oder der Rückfläche eine Kühleinrichtung vorgesehen ist.
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Im Betrieb wird an jeder Grenzschicht und im Glaskörper des optischen Elements selbst Laserstrahlung absorbiert. Dies führt zu einer ungleichmäßigen Erwärmung des optischen Elementes. Da die Wärmeleitung im Glas schlecht ist, findet ein Temperaturausgleich durch Wärmeleitung im Glaskörper nur sehr begrenzt statt. Dies führt zu einem ungleichmäßigen Abbildungsverhalten. Insbesondere die Linienbreite und das gewünschte Strahlprofil werden nicht unter allen Bedingungen präzise genug eingehalten.
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Durch die erfindungsgemäße Verwendung einer Kühleinrichtung mindestens an der Vorderfläche oder der Rückfläche, vorzugsweise sowohl an der Vorderfläche als auch an der Rückfläche, kann die Temperaturverteilung innerhalb des optischen Elementes weitgehend homogenisiert werden. Dadurch wird das Abbildungsverhalten erheblich verbessert.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Kühleinrichtung einen Kühlkörper mindestens an der Vorderfläche oder der Rückfläche des optischen Elementes auf.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung besteht der Kühlkörper aus einem gut wärmeleitenden Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von mindestens 50 W m-1 K-1, vorzugsweise aus Kupfer oder Aluminium.
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Dadurch wird eine gute Wärmeableitung bzw. eine gleichmäßige Temperaturverteilung ermöglicht.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen der Vorderfläche und/oder der Rückfläche des optischen Elements und der Oberfläche des Kühlkörpers eine Zwischenschicht aus einem wärmeleitenden Material angeordnet, das weicher als das Material ist, aus dem der Kühlkörper besteht.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung besteht die Zwischenschicht aus Indium.
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Dies hat den Vorteil, dass Beschädigungen der Oberflächen des optischen Elementes, die verspiegelt sind, durch Unterschiede in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Kühlkörpers und des Glaskörpers, aus dem das optische Element besteht, vermieden werden.
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Indium weist eine gute Wärmeleitfähigkeit auf, die zwar geringer als die von Kupfer ist, aber wegen des niedrigen Schmelzpunktes besitzt Indium schon bei Raumtemperatur oder leicht erhöhten Temperaturen eine sehr niedrige Fließspannung und ist sehr weich. Daher schützt eine aus Indium bestehende Zwischenschicht einerseits eine darunterliegende Verspiegelungsschicht des optischen Elementes und ermöglicht andererseits eine gute Wärmeübertragung zum anliegenden Kühlkörper. Insgesamt wird durch die weiche, vorzugsweise aus Indium bestehende, Zwischenschicht eine Beschädigung der reflektierenden Beschichtung des Glaskörpers verhindert und gleichzeitig der Wärmekontakt zum Kühlkörper verbessert.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Zwischenschicht eine Dicke von 0,02 bis 1 mm auf, vorzugsweise eine Dicke von etwa 0,1 mm.
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Mit einer derartigen Dicke ergibt sich ein guter Kompromiss zwischen einer optimalen Wärmeübertragung zwischen dem optischen Element und dem anliegenden Kühlkörper und geringen Wärmeverlusten wegen der schlechteren Wärmeleitfähigkeit von Indium gegenüber Kupfer bei gleichzeitig ausreichendem Schutz einer Verspiegelung des optischen Elementes.
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Der Kühlkörper weist gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung Anschlüsse zur Zu- und Abfuhr von Kühlflüssigkeit auf.
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Hierdurch wird eine besonders wirksame Kühlung gewährleistet.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform weist der Kühlkörper Kühlrippen zur passiven Kühlung auf. Diese können beispielsweise winklig nach außen hervorstehen, wie etwa typischerweise aus der Bauelementekühlung bei elektronischen Schaltungen bekannt. Jedoch selbst dann, wenn keine zusätzlichen Kühlrippen oder eine aktive Kühlung durch Kühlflüssigkeit vorgesehen sind, wirkt die Schicht auf der Vorderfläche und/oder Rückfläche aus einem gut wärmeleitfähigen Material als Kühlkörper, der eine Wärmeabgabe an die Umgebung bewirkt.
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Gemäß einer alternativen Ausführung der Erfindung weist die Kühleinrichtung Mittel zur Erzeugung eines Kühlluftstroms, Heatpipes oder Peltierelemente auf. Auch mit derartigen Kühleinrichtungen lässt sich eine wirksame Kühlung der Oberflächen des optischen Objektes gewährleisten. Gleichwohl handelt es sich bei der Kühlung mittels eines Kühlkörpers in Verbindung mit einem zusätzlichen Durchfluss von Kühlflüssigkeit um eine bevorzugte Ausgestaltung, die besonders kostengünstig und effektiv ist.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Strahltransformators;
- 2 eine vereinfachte Seitenansicht des optischen Elementes gemäß 1 von der Vorderseite aus gesehen;
- 3 eine Ansicht des optischen Elements von der Rückseite aus gesehen;
- 4 einen vereinfachten Querschnitt durch das optische Element mit Kühlkörpern auf Vorderseite und Rückseite und einem darüber angeordneten Befestigungselement, wobei auf die Darstellung der Kühlkanäle innerhalb der Kühlkörper aus Vereinfachungsgründen verzichtet wurde;
- 4a eine alternative Ausführung des Strahltransformators gemäß 4, wobei nur das optische Element im Querschnitt zusammen mit Kühlelementen in Form von Heatpipes oder Peltierelementen dargestellt ist
- 4b eine weitere Abwandlung des Strahltransformators, wobei das optische Element in Verbindung mit einer Kühleinrichtung in Form einer Kühlluftleitung dargestellt ist, die über ein Gebläse gespeist wird;
- 4c eine weitere Abwandlung eines Strahltransformators, wobei lediglich ein Kühlkörper dargestellt ist, der mit nach außen winklig abstehenden Kühlrippen zur passiven Kühlung versehen ist;
- 5a eine Darstellung der zeitlichen Veränderung der gemessenen Länge der kurzen Achse des langgestreckten Laserstrahls in Mikrometer aufgetragen über der Zeit in Minuten, ohne Kühlung;
- 5b eine Darstellung gemäß 5a, jedoch mit Kühlung sowohl an der Vorderfläche als auch an der Rückfläche, mit aktiver Kühlung mittels Kühlmitteldurchströmung der Kühlkörper.
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In 1 ist ein erfindungsgemäßer Strahltransformator perspektivisch dargestellt und insgesamt mit der Ziffer 10 bezeichnet.
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Der Strahltransformator 10 ist Teil eines Lasersystems, das zur Bereitstellung eines linienförmigen Laserstrahls an einer Arbeitsfläche zur Beleuchtung eines Objektes ausgebildet ist, wie es im Einzelnen in der
WO 2018/019374 A1 beschrieben ist, die hier vollständig durch Bezugnahme eingeschlossen wird.
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Danach erstreckt sich die Laserlinie in einer ersten Richtung über eine erhebliche Länge und in einer zweiten Richtung nur mit einer geringen Ausdehnung. Das Lasersystem weist eine Laserquelle auf, um einen Laserstrahl als Basis für einen langgestreckten Eingangslaserstrahl entlang einer Ausbreitungsrichtung auszusenden, sowie eine Homogenisier- und Fokussiereinheit zur Homogenisierung und Fokussierung des langgestreckten Laserstrahls, um die Laserlinie zu bilden. Dabei können eine Mehrzahl von Lasersystemen nebeneinander angeordnet sein, um gemeinsam eine ausgedehnte Laserlinie zu formen, die aus einer Folge von Laserlinien besteht Teil des optischen Systems bei einem solchen Lasersystem ist ein Strahltransformator zur Transformation eines Eingangslaserstrahls in einem transformierten Strahl mit reduzierter raummäßiger und/oder zeitlicher Kohärenz.
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Gemäß der
WO 2018/019374 A1 handelt es sich hierbei um ein transparentes, plattenförmiges, optisches Element mit einer Vorderfläche und einer Rückfläche, die sich im Wesentlichen parallel zueinander erstrecken, mit einer Eintrittsfläche an der Vorderfläche und einer Austrittsfläche an der Rückfläche, und mit einer Mehrzahl von verspiegelten Flächen zur Strahlumlenkung. Aufbau und Funktionsweise eines solchen Strahltransformators sind bekannt. Für Einzelheiten sei hierbei auf die
WO 2018/919374 A1 verwiesen.
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Die Transformation innerhalb des Strahltransformators reduziert allgemein die Strahlqualität in X-Richtung (Richtung, in welcher sich der Längsstrahl erstreckt) und verbessert gleichzeitig die Strahlqualität in Y-Richtung („Breite“) des Laserstrahls, während die Z-Richtung die Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls ist.
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Der erfindungsgemäße Strahltransformator 10 weist gemäß 1 ein Gehäuse 12 auf, in dem ein transparentes, plattenförmiges, monolithisches optisches Element aufgenommen ist, das insgesamt mit 14 bezeichnet ist. Das plattenförmige, optische Element 14 weist eine Vorderfläche und eine Rückfläche auf, die sich parallel zueinander erstrecken, mit einer Eintrittsfläche 16 an der Vorderfläche und einer Austrittsfläche an der Rückfläche (in 1 nicht zu sehen).
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Das optische Element 14 weist gemäß der 2 und 3 eine im Wesentlichen dreieckförmige Form auf, mit zwei orthogonalen Längsseiten 33, 35, die von einer gemeinsamen Kante 37 ausgehen. An der Vorderfläche 32 ist eine im Wesentlichen rechteckförmige Eintrittsfläche 16 gebildet (2), während an der Rückseite 34 (3) eine im Wesentlichen rechteckförmige Austrittsfläche 36 gebildet ist, die senkrecht zur Eintrittsfläche 16 verläuft. Die Eintrittsfläche 16 und die Austrittsfläche 36 überschneiden sich in einem Randbereich angrenzend an die gemeinsame Kante 37. Die Eintrittsfläche 16 und die Austrittsfläche 36 sind mit Anti-Reflexionsbeschichtungen versehen.
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Dagegen sind die Vorderfläche 32 und die Rückfläche 34 außen mit hochreflektierenden Beschichtungen beschichtet. Dadurch ergeben sich für einen schräg einfallenden durch die vorgeschaltete, anamorphische, optische Anordnung ellipsenförmig aufgeweiteten Laserstrahl Vielfachreflexionen innerhalb des optischen Elementes 14, bevor der Strahl wieder aus der Austrittsfläche 36 austritt. Senkrecht im Überlappungsbereich zwischen Eintrittsfläche 16 und Austrittsfläche 36 einfallende Laserstrahlen treten jedoch ohne Reflexionen direkt aus der Austrittsfläche 36 aus.
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Erfindungsgemäß ist nun sowohl an der Vorderfläche 32 als auch an der Rückfläche 34 jeweils ein Kühlkörper 18 bzw. 24 (1) vorgesehen, der sich jeweils über die gesamte Vorderfläche 32 bzw. über die gesamte Rückfläche 34 erstreckt, wobei lediglich die Eintrittsfläche 16 und die Austrittsfläche 36 ausgenommen sind. Die Kühlkörper 18, 24 bestehen aus Kupfer und sind jeweils von einem Kühlmittel durchströmt. In 1 sind die zugehörigen Kühlmittelleitungen 20, 22 des Kühlkörpers 18 an der Vorderseite und die Kühlmittelleitungen 26, 28 des Kühlkörpers 24 an der Rückfläche erkennbar.
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An jeder Grenzschicht und im Glaskörper des optischen Elementes 14 selbst wird Laserstrahlung absorbiert und führt zu einer ungleichmäßigen Erwärmung des optischen Elements 14. Da die Wärmeleitung im Glas sehr schlecht ist, findet ein Temperaturausgleich durch Wärmeleitung im optischen Element 14 nur begrenzt statt. Erfindungsgemäß wird nun durch die Kühlkörper 18, 24 ein Temperaturausgleich geschaffen, wodurch die Energie zum Teil abgeführt wird und im Übrigen gleichmäßig über das gesamte optische Element 14 verteilt wird.
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Da Glas einen sehr geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, jedoch die vorzugsweise aus Kupfer bestehenden Kühlkörper einen erheblich größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, ergibt sich bei Temperaturänderungen eine Relativbewegung zwischen dem optischen Element 14 und den Kühlkörpern 18, 24. Da die Grenzflächen jeweils mit einer hochreflektierenden Schicht versehen sind, könnten diese durch eine Relativbewegung beschädigt werden. Um dies zu verhindern, ist zwischen dem Kühlkörper 18 auf der Vorderfläche 32 sowie zwischen dem Kühlkörper 24 auf der Rückfläche 34 jeweils eine Zwischenschicht 38, 40 vorgesehen (4), die aus einer dünnen Indiumfolie einer Stärke von etwa 0,1 mm besteht. Indium hat eine Schmelztemperatur von 157 °C. Die thermische Leitfähigkeit von Indium ist mit etwa 81,6 W m-1 K-1 zwar geringer als diejenige von Kupfer (398 W-1 K-1), jedoch ermöglicht Indium durch seine sehr geringe Fließspannung die bei Raumtemperatur bei ca. 1 MPa liegt, eine gute Anpassung an die beiderseitigen Kontaktflächen. Indium ist sehr weich, so dass sich die Indiumfolie Oberflächenunebenheiten anpasst und einen guten Ausgleich bei Temperaturschwankungen schafft. Die Kontaktfläche zwischen den Kühlkörpern 18, 24 und dem optischen Element 14 wird so maximiert, wobei gleichzeitig die empfindlichen reflektierenden Beschichtungen an der Vorderfläche 32 und an der Rückfläche 34 gegen Beschädigungen geschützt sind (man beachte, dass bei der Darstellung gemäß 4 die Dicke der Zwischenschichten 38, 40 aus Indium zum Zwecke der Erkennbarkeit deutlich überhöht gegenüber der Dicke der Kühlkörper 18, 24 dargestellt ist; außerdem sind in dieser Figur zum Zwecke der Vereinfachung die Kühlmittelkanäle in den Kühlkörpern 18, 24, an die die Kühlmittelleitungen 20, 22 und 26, 28 angeschlossen sind, nicht dargestellt).
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Zur Befestigung der beiden Kühlkörper 18, 24 dient ein umschließendes Befestigungselement 30 in Form eines U-förmigen Flansches, welches jeweils seitlich mit den Kühlkörpern 18, 24 verschraubt ist.
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Es versteht sich, dass bei der Verwendung von mehreren nebeneinander angeordneten Lasersystemen mehrere Strahltransformatoren 10 nebeneinander angeordnet sein können, um einen verlängerten Linienstrahl zu erreichen, wie dies aus der
WO 2018/019374 A1 bekannt ist.
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Alternativ kann die Kühleinrichtung statt Kühlkörpern 18, 24 auch andere Kühlmittel aufweisen. Hierzu könnten an der Vorderfläche 32 und an der Rückfläche 34 eine Mehrzahl von Heatpipes oder Peltierelementen vorgesehen sein, wie dies beispielhaft in 4a dargestellt ist. Der Strahltransformator ist hierbei insgesamt mit 10a bezeichnet.
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Bei einer weiteren Variante gemäß 4b ist der Strahltransformator insgesamt mit 10b bezeichnet. Zur Kühlung des optischen Elements 14 ist hierbei mit einem gewissen Abstand von der Vorderfläche 32 und von der Rückfläche 34 jeweils eine Kühlluftleitung 44 vorgesehen, die über ein Gebläse 46 mit Kühlluft versorgt wird. Aus den Kühlluftleitungen 44 tritt Kühlluft über zugeordnete Düsen in Richtung auf das optische Element 14 auf, um die Vorderfläche 32 und die Rückfläche 34 zu kühlen.
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4c zeigt eine weitere Variante eines insgesamt mit 10c bezeichneten Strahltransformators. Hierbei ist lediglich der Kühlkörper 18 an der Vorderseite dargestellt. Dieser ist als passiver Kühlkörper ausgebildet, an dem eine Mehrzahl von winklig nach außen abstehenden Kühlrippen 48 vorgesehen ist.
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Insgesamt ist die Verwendung von aktiven Kühlkörpern gemäß 4, an welche Kühlmittelleitungen angeschlossen sind, oder ggf. von passiven Kühlkörpern gemäß 4c bevorzugt, da dies zu einer besonders intensiven und gleichmäßigen Kühlung führt und der Aufbau einfacher und kostengünstiger als bei der Verwendung von Heatpipes oder Peltierelementen ist.
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In den 5a,b ist die Wirkung einer aktiven Kühlung des Strahltransformators 10 sowohl an der Vorderfläche als auch an der Rückfläche im Vergleich dargestellt. 5a zeigt die gemessene Breite der kurzen Achse des langgestreckten Laserstrahls in der Bearbeitungsebene (FWHM = Strahlbreite bei halber Höhe des Profils) ohne Kühlung, während 5b die gemessene Breite der kurzen Achse des langgestreckten Laserstrahls in der Bearbeitungsebene (FWHM = Strahlbreite bei halber Höhe des Profils) mit Kühlung zeigt. Hier sieht man, dass bei der ungekühlten Version sich die Breite der Linie in einem Zeitraum von 1-2 min stark ändert. Wenn sich die Breite der Linie ändert, variiert auch die Leistungsdichte, da sich die Strahlung auf die kleinere bzw. größere Fläche verteilt. Das ist unerwünscht.
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Die ungleichmäßige Erwärmung führt zu einer (lokalen) Deformation der beidseitigen Spiegeloberflächen, evtl. auch zu einer Änderung des Brechungsindex. Der austretende Strahl ändert dadurch seine Form und Höhe. Da diese Geometrie auf die Bearbeitungsebene abgebildet wird, ändert sich damit auch die Geometrie der Linie in der Bearbeitungsebene, hauptsächlich die Linienbreite und auch das trapezförmige Strahlprofil.
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Die deutliche Verbesserung bei der gekühlten Ausführung gemäß 5b ist klar erkennbar.
