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Die Erfindung betrifft eine Halteanordnung mit einer Trägerplattform, an der wenigstens ein optisches Element fixiert ist.
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In optischen Systemen werden Halterungskonzepte für die verwendeten optischen Elemente (z.B. Linsen, Filter, Prismen etc.) benötigt. So gibt es häufig die Anforderung in Lasersystemen, optische Teilsysteme an einer Basis (Anschraubfläche) des Lasersystems zu fixieren, wobei eine optische Achse des jeweiligen Teilsystems relativ zu der Basis möglichst lagestabil sein soll.
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Beispielsweise die Richtung des Ausgangsstrahls eines Lasersystems unterliegt gewissen Schwankungen, die erhebliche Probleme verursachen können, z.B. wenn der Strahl in eine lichtleitende Faser eingekoppelt oder aus einer lichtleitenden Faser ausgekoppelt werden muss und/oder wenn der Strahl ein Ziel in größerer Entfernung präzise treffen soll.
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Auftretende Strahlrichtungsschwankungen können verschiedene Ursachen haben. Wenn der Laserstrahl durch ein an das Lasersystem angebundenes optisches Teilsystem propagiert, hat dies im Allgemeinen einen Einfluss auf die Strahlführung, wobei dieser Einfluss stark davon abhängt, wie lagestabil die optischen Elemente des Teilsystems relativ zur Basis sind. Tritt z.B. Laserstrahlung in einer an das Lasersystem angebundenen Koppeleinheit aus einem Ende einer lichtleitenden Faser aus und wird durch eine Linse kollimiert, so wird die Lage des Laserstrahls nach der Linse eine unerwünschte Querbewegung entsprechend auftretender Winkelschwankungen der Linse aufweisen. Wünschenswert ist ein Design, bei dem die Schwankungen in der Winkelausrichtung des Laserstrahls nur einen kleinen Bruchteil der Strahldivergenz ausmachen.
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Bekannt ist es, Strahllagenschwankungen dadurch zu minimieren, dass mechanische Schwingungen der relevanten optischen Elemente durch einen stabilen Aufbau und eine mechanische Entkopplung minimiert werden. Als weitere Maßnahme zur Vermeidung von Strahllagenschwankungen ist es bekannt, thermische Drifts zu minimieren, indem beispielsweise erwärmte Komponenten wie Laserdioden oder elektronische Schaltungen von den die Strahllage beeinflussenden optischen Elementen abgeschirmt werden.
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In der Praxis erweisen sich die bekannten Ansätze häufig als unzureichend oder für bestimmte Anwendungen als zu aufwendig und damit zu teuer.
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Es ist vor diesem Hintergrund Aufgabe der Erfindung, eine Halteanordnung für optische Elemente anzugeben, die eine verbesserte Strahllagenstabilität mit möglichst geringem Aufwand gewährleistet.
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Diese Aufgabe löst die Erfindung bei einer Halteanordnung der eingangs angegebenen Art dadurch, dass die Trägerplattform an definierten Lagerungspunkten über jeweils eine elastisch nachgiebige und/oder dämpfende Verbindungsstruktur mit einer Basis verbunden ist, wobei sich das wenigstens eine optische Element an einem ausgezeichneten Punkt auf der Trägerplattform befindet, wobei dieser Punkt bei thermischer Verformung der Trägerplattform als neutraler Punkt relativ zu der Basis lagestabil ist.
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Die Basis stellt gleichsam die Referenzstruktur für die Halterung dar. Über die Basis kann beispielsweise das an der Trägerplattform angeordnete optische Teilsystem an ein Lasersystem angebunden werden. Ebenso kann die Basis z.B. Bestandteil eines Gehäuses oder eines Grundrahmens eines Lasersystems oder eines sonstigen optischen Systems sein.
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Der Ansatz der Erfindung basiert darauf, über die elastisch nachgiebige und/oder dämpfende Verbindungsstruktur für eine mechanische Entkopplung zu sorgen, so dass Einflüsse von mechanischen Schwankungen auf die auf der Trägerplattform fixierten optischen Elemente minimiert werden. Gleichzeitig wird für eine Minimierung thermischer Einflüsse gesorgt, indem das für die Strahllage relevante wenigstens eine optische Element an dem neutralen Punkt und/oder auf der neutralen Achse auf der Trägerplattform positioniert wird. Der neutrale Punkt ist dadurch definiert, dass dieser bei thermischer Verformung der Trägerplattform, z.B. aufgrund thermischer Ausdehnung bei Temperaturschwankungen, relativ zu der Basis lagestabil bleibt.
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Bei einer möglichen Ausgestaltung bildet die Trägerplattform eine optische Bank, wobei eine durch das wenigstens eine auf der Trägerplattform fixierte optische Element durch den neutralen Punkt verläuft. Dadurch kann die gewünschte Strahlstabilität erreicht werden.
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Die Lagerungspunkte sind zweckmäßig in einer für die Halterungsaufgabe statisch passenden Anordnung positioniert. Bei einer Ausgestaltung können die Lagerungspunkte z.B. voneinander beabstandet am Außenumfang der Trägerplattform angeordnet sein. Grundsätzlich ist aber jede beliebige Anordnung der Lagerungspunkte an der Trägerplattform denkbar. Auch die Anzahl der Lagerungspunkte kann variieren. Die Abstützung über die Lagerungspunkte dient dazu, dass keine unerwünschten Kippbewegungen möglich sind. Beispielsweise können drei (oder mehr) Lagerungspunkte vorgesehen sein, die nicht alle auf einer gemeinsamen Achse liegen.
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Bei thermischen Verformungen tritt eine elastische Verschiebung in den nachgiebigen Verbindungsstrukturen auf. Bei den verschiedensten denkbaren Geometrien der Trägerplattform mit verschiedensten Anordnungen der Lagerungspunkte an der Trägerplattform lässt sich ein neutraler Punkt oder eine neutrale Achse finden, die bei thermischen Verformungen stets lagestabil bleiben. Dort wird erfindungsgemäß das für die Strahllage kritische optische Element angeordnet.
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Anders ausgedrückt: Die Anordnung der Lagerungspunkte gleicht quasistatische Bewegungen infolge von Änderungen im isotropen Umgebungstemperaturfeld dadurch aus, dass diese durch die elastische Nachgiebigkeit der Verbindungsstruktur aufgenommen werden. Diese Nachgiebigkeit erlaubt gleichsam die Ausführung einer „Opferbewegung“, die dafür sorgt, dass das an dem neutralen Punkt befindliche optische Element lagestabil bleibt und sich entsprechend die Strahllage trotz auftretender Temperaturschwankungen nicht (d.h. nur innerhalb tolerierbarer Grenzen) ändert.
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Der erfindungsgemäße Ansatz zur Strahllagestabilisierung kann dadurch weiter unterstützt werden, dass als Material für die Trägerplattform ein Werkstoff mit thermisch/mechanisch möglichst invariantem Verhalten gewählt wird, d.h. ein Werkstoff oder eine Werkstoffzusammensetzung mit möglichst geringer thermischer Ausdehnung.
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Bei einer möglichen Ausgestaltung umfasst die Verbindungsstruktur eine thermische Isolation, die dazu vorgesehen ist, einen Wärmefluss zwischen Trägerplattform und Basis zu reduzieren oder weitgehend zu unterbinden. Durch die thermische Isolation werden thermische Einflüsse auf die Trägerplattform und die darauf befindlichen optischen Elemente minimiert.
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In einer praktischen Ausgestaltung kann die Verbindungsstruktur ein mit der Basis verbundenes Verbindungsglied umfassen, das über ein elastisches Festkörpergelenk mit der Trägerplattform verbunden ist. Ein elastisches Festkörpergelenk, z.B. in Form eines Plattengelenks, hat den Vorteil, dass die Verlagerungsbewegung des Verbindungsgliedes relativ zur Trägerplattform wohl definiert ist. Ein Plattengelenk kann z.B. so ausgelegt werden, dass es entlang nur einer Achse nachgiebig ist. Durch die Kombination solcher Gelenke an den verschiedenen Lagerungspunkten mit gezielter Ausrichtung der jeweiligen Verlagerungsachsen kann die Position des neutralen Punktes bzw. der neutralen Achse auf der Trägerplattform den Anforderungen entsprechend gezielt vorgegeben werden.
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Bei einer besonders einfachen und damit vorteilhaften Realisierung kann das Verbindungsglied ein mit der Basis verschraubter Bolzen sein, der in einer Hülse (z.B. Gewindehülse), die über das elastische Festkörpergelenk mit der Trägerplattform verbunden ist, geführt ist. Das Festkörpergelenk hat aufgrund der im Bereich des Gelenks reduzierten Materialquerschnitte zudem den Vorteil, dass es den Wärmefluss von der Basis auf die Trägerplattform über die Verbindungsstruktur intrinsisch reduziert (thermische Isolation).
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Das Festkörpergelenk kann außerdem so ausgelegt werden, dass es eine für die gewünschte mechanische Entkopplung ausreichende Dämpfung aufweist.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung ist die Trägerplattform über ein flexibles, vorzugsweise bandförmiges Wärmeübertragungselement mit einer Wärmesenke oder -quelle verbunden. Bei einigen Anwendungen besteht die Anforderung, die auf der Trägerplattform befindlichen optischen Elemente zu temperieren, d.h. auf eine bestimmte Betriebstemperatur zu bringen und dort zu halten. Erfindungsgemäß wird der hierfür notwendigen Wärmeleitpfad durch das flexible Wärmeübertragungselement gebildet, z.B. in Form eines flexiblen Bandes aus Metallgeflecht. Der Vorteil der Flexibilität des Wärmeübertragungselementes ist, dass die thermische Anbindung an die Wärmesenke bzw. die Wärmequelle mechanisch rückwirkungsfrei ist, die durch die Verbindungsstruktur gegebene mechanische Entkopplung wird also durch die thermische Anbindung nicht beeinträchtigt. Außerdem bietet das flexible Wärmeübertragungselement den Vorteil, dass die darüber angebundene Wärmesenke bzw. -quelle frei positioniert werden kann, insbesondere auch in größerem Abstand von der Trägerplattform. Bei der Auslegung des Wärmeübertragungselementes sollte auf eine möglichst großflächige Anbindung an die Trägerplattform geachtet werden. Eine Temperaturregelung kann durch Vorgabe des Wärmeflusses über das Wärmeübertragungselement erfolgen.
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Bei einer möglichen Ausgestaltung ist die Trägerplattform über eine zwischengeschaltete Wärmepumpe, vorzugsweise in Form eines Peltier-Elementes, mit dem flexiblen Wärmeübertragungselement verbunden. Durch geeignete Ansteuerung des Peltier-Elementes, idealerweise in Kombination mit einer Temperaturmessung auf der Trägerplattform, kann eine Temperaturregelung realisiert werden. Das Peltier-Element steuert dabei den Wärmefluss von der Wärmequelle zu der Trägerplattform bzw. von der Trägerplattform zur Wärmesenke. Damit können die Trägerplattform und die daran angeordneten optischen Elemente auf einer vorgegebenen Temperatur stabil gehalten werden.
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Bei einer möglichen Ausgestaltung ist das wenigstens eine optische Element ein Element ist aus der Liste: Linse, optisches Gitter, Prisma, Strahlteiler, Filter, Ende einer lichtleitenden Faser, Filter, Laserdiode, oder eine Kombination dieser Elemente, um nur einige beispielhafte Möglichkeiten zu nennen.
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Bei einer vorteilhaften Anwendung sind an der Trägerplattform ein Ende einer lichtleitenden Faser und eine Linse fixiert, wobei sich die Linse an dem neutralen Punkt befindet. In diesem Falle hält die Halteanordnung die Komponenten eines Faserkopplers zur Auskopplung von Licht aus der Faser oder zur Einkopplung von Licht in die Faser. Durch die erfindungsgemäß erzielte Strahllagenstabilisierung kann eine effiziente und stabile Aus- bzw. Einkopplung gewährleistet werden.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
- 1a,b: schematische Draufsicht auf eine Halteanordnung von oben;
- 2: schematische Seitenansicht auf die Halteanordnung der 1.
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In der nachfolgenden Figurenbeschreibung werden für die gleichen Elemente die gleichen Bezugszeichen und die gleichen Begriffe verwendet.
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In den Figuren ist die Halteanordnung insgesamt mit der Bezugsziffer 1 bezeichnet. Diese weist eine Trägerplattform 2, in Form eines in der Draufsicht (1) polygonal geformten Blocks auf. An der Trägerplattform 2 sind als optische Elemente eine Fokussierlinse 3 und ein Ende 4 einer lichtleitenden Faser fixiert. Die Fokussierlinse 3 fokussiert einen in den Zeichnungen von links kommenden Laserstrahl 7 auf das Faserende 4, um die Strahlung in die lichtleitende Faser einzukoppeln. Die Trägerplattform 2 ist an drei über den Außenumfang der Trägerplattform 2 in Dreieckskonfiguration verteilt angeordneten Lagerungspunkten 5 über jeweils eine elastisch nachgiebige und dämpfende Verbindungsstruktur 6 mit einer Basis 8 (2) verbunden.
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Die Verbindungsstrukturen 6 umfassen jeweils ein mit der Basis 8 verbundenes Verbindungsglied in Form eines Schraubbolzens 9 (2), der in die Basis 8 eingeschraubt ist. Der Schraubbolzen 9 ist jeweils in einer Hülse 10 geführt, die über ein als Plattengelenk ausgebildetes Festkörpergelenk 11 mit der Trägerplattform 2 verbunden ist. Die Plattengelenke definieren jeweils eine Auslenkungsachse 12. Durch die Kombination der Gelenke 11 an den drei Lagerungspunkten 5 mit der dargestellten Ausrichtung der Auslenkungsachsen 12 wird die Position eines ausgezeichneten Punktes 13 auf der Trägerplattform 2 vorgegeben (1). Bei thermischer Ausdehnung aufgrund von Temperaturschwankungen tritt eine elastische Verschiebung entlang der Achsen 12 auf. Die thermische Ausdehnung wird dabei von den Festkörpergelenken 11 aufgenommen. Bei der dargestellten Geometrie ergibt sich der ausgezeichnete Punkt 13 als neutraler Punkt, der bei thermischen Verformungen stets lagestabil in Relation zu der Basis 8 bleibt. In dem Punkt 13 ist entsprechend die Linse 3 angeordnet, damit die Lage der Linse 3 und damit der Fokus des Laserstrahls 7 auf dem Faserende 4 bei Temperaturschwankungen unverändert stabil bleibt.
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Bei der dargestellten Geometrie der Lagerungspunkte 5 in Kombination mit den drei Festkörpergelenken 11 ergibt sich, wie erläutert, der neutrale Punkt 13. Bei einer abweichenden Geometrie, bei der sich z.B. die Auslenkungsachsen 12 nicht in einem Punkt schneiden, sondern parallel zueinander verlaufen, kann alternativ eine neutrale Achse (nicht dargestellt) realisiert werden.
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Die Verbindungsstruktur 6 umfasst eine thermische Isolation in Form von Abstandshaltehülsen 14 aus thermisch isolierendem Material, die dazu vorgesehen sind, einen Wärmefluss zwischen Trägerplattform 2 und Basis 8 zu minimieren.
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Wie in 2 zu erkennen ist, ist die Trägerplattform 2 nur über die Schraubbolzen 9 der Verbindungsstruktur 6 mit den dazwischen angeordneten Abstandshaltehülsen 14 mit der Basis 8 verbunden. Ansonsten gibt es keinen Materialkontakt zwischen Trägerplattform 2 und Basis 8.
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Die Trägerplattform 2 ist über ein flexibles, bandförmiges Wärmeübertragungselement 15 mit einer Wärmesenke oder -quelle 16 verbunden (2). Durch das flexible Wärmeübertragungselement 15 wird ein Wärmeleitpfad gebildet, um die Trägerplattform 2 mit dem daran angeordneten optischen Element 3 gezielt temperieren zu können. Aufgrund der Flexibilität des Wärmeübertragungselementes 14 ist die thermische Anbindung an die Wärmesenke bzw. -quelle 16 mechanisch rückwirkungsfrei. Die durch die nachgiebige Verbindungsstruktur 6 gegebene mechanische Entkopplung wird also durch die thermische Anbindung nicht beeinträchtigt. Die Trägerplattform 2 ist über ein zwischengeschaltetes Peltier-Element 17 mit dem flexiblen Wärmeübertragungselement 15 verbunden. Durch Ansteuerung des Peltier-Elementes kann eine Temperatursteuerung oder -regelung realisiert werden. Das Peltier-Element 17 steuert dabei den Wärmefluss von der Wärmequelle 16 zu der Trägerplattform 2 bzw. von der Trägerplattform 2 zur Wärmesenke 16.
