DE10328819A1 - Adaptive Optikeinrichtung zur Ausrichtung der Fokuslage eines Lichtstrahls - Google Patents

Adaptive Optikeinrichtung zur Ausrichtung der Fokuslage eines Lichtstrahls Download PDF

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Abstract

Derartige Einrichtungen dienen beispielsweise der hochgenauen Fokusausrichtung von Synchrotronstrahlung in einer Beamline mittels eines Fokussierelements und darauf einwirkenden Aktoren zur Erzielung einer Verformung des Fokussierelements. Eine bekannte Optikeinrichtung arbeitet mit relativ aufwändigen hydraulischen Aktoren, deren Druckflüssigkeit gleichzeitig als Kühlflüssigkeit dient. Die Aktoren bei der Erfindung sind als thermische Aktoren (TA) aus einem Festkörper ausgebildet, die zur Übertragung einer Verformungskraft kraft-, reib- und/oder formschlüssig mit dem Fokussierelement (FE) verbunden ist, wobei dessen Formänderung durch eine Verformung der thermischen Aktoren (TA) bedingbare Temperaturänderung eingestellt wird. Weitere Verformungsparameter stellen die Form der Querschnitte von Fokussierelement (FE) und thermischem Aktor (TA) und die Form der Kontaktfläche zwischen beiden dar. Die thermischen Aktoren (TA) bilden mit dem Fokussierelement (FE) eine krümmbare, bimorphe Struktur (BS) mit schichtweise unterschiedlichem Wärmeausdehnungsverhalten. Insbesondere über ein temperierbares, die thermischen Aktoren (TA) durchfließendes Fluid (TF) kann sowohl die zur Erreichung einer vorgegebenen Verformung erforderliche Temperaturänderung als auch eine Abfuhr störender Wärmelasten vom Fokussierelement (FE) zu dessen Kühlung erreicht werden.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine adaptive Optikeinrichtung zur Ausrichtung der Fokuslage eines Lichtstrahls mit einem Fokussierelement, dessen optisch wirksame Fläche in einem Regelkreis mit zumindest einem Aktor und einer Kontrolleinrichtung der Fokuslage definiert verformbar ist, wobei der Aktor großflächig am Fokussierelement anliegt und mittels einer regelbaren Parameteränderung dessen Verformung bewirkt.
  • Eine solche adaptive Optikeinrichtung wird zur Manipulation von Lichtstrahlen, hierbei kann es sich auch um Synchrotronlicht handeln, eingesetzt. Es wird beispielsweise die Fokuslage in einem Strahlführungssystem einstellbar, indem in einem Regelkreis die aktuelle Fokuslage des Lichtstahls als Regelgröße fortlaufend ermittelt und korrigiert wird. Dabei erfolgt die Korrektur über eine Formänderung der optisch wirksamen Fläche des Fokussierelements als Stellgröße, wobei die Formänderung auf unterschiedliche Arten und mittels unterschiedlicher Parameter herbeigeführt werden kann. Aus dem Stand der Technik sind auf diesem Gebiet verschiedene Systeme mit verformbaren Oberflächen bekannt. Die Elemente, die die Kraft zur Verformung erzeugen, werden mit „Aktoren" (oder auch „Aktuatoren") bezeichnet. Unterschieden werden die Aktoren nach ihrer Ausgangsenergie in Form von elektrischer, thermischer und chemischer Energie sowie Strömungsenergie. Besonders bekannt sind beispielsweise piezoelektrische und elektrostatische Aktoren, magnetoresistive und elektromagnetische Aktoren sowie hydrostatische Aktoren.
  • Ein deformierbarer Spiegel als Fokussierelement ist aus der DE 100 52 249 A1 bekannt, der als adaptiver Spiegel als Laser-Strahlführungskomponente eingesetzt wird. Dabei wird die Bezeichnung „adaptiv" verwendet, weil eine definierte Verformung in einem geschlossenen Regelkreis mit Einstellung, Kontrolle und Nachstellung vorgenommen wird. Der bekannte Spiegel besteht aus zwei Membranen als optisch wirksame Flächen, die zur Verformung mit beliebigen Aktoren mechanisch, pneumatisch, hydraulisch oder piezoelektrisch druckbeaufschlagbar sind, wobei Angaben über die Kraftübertragung nicht gemacht werden. Zwischen den beiden Membranen sind Kanäle angeordnet, durch die Kühlflüssigkeit strömt. Dabei ist zur Lösung von thermischen Problemen die Kühlung des Spiegels völlig losgelöst und entkoppelt von seiner Deformierung, sodass die Kühlung der Spiegelfläche unabhängig von der Verformung erfolgt. Aus der DE 36 28 339 A1 ist ein gekühlter verformbarer Spiegel bekannt, bei dem die elektromagnetische oder piezoelektrischen Aktoren Bohrungen aufweisen, durch die ein Kühlmittel dem Spiegel zu- und abgeführt wird. Somit werden durch das Kühlmittel sowohl der Spiegel als auch die Aktoren gekühlt. Weiterhin ist aus der DE 694 20 666 T2 ein Array aus einer Vielzahl von deformierbaren Spiegeln bekannt, die bimorph aus einer dünnen Spiegelschicht und einer großflächig damit verbundenen Schicht aus einem piezoelektrischen Material, das sich bei Veränderung eines angelegten elektrischen Signals verwölbt, aufgebaut sind.
  • Der nächstliegende Stand der Technik, von dem die vorliegende Erfindung ausgeht, wird in der DE 39 00 467 A1 beschrieben. Eine adaptive Optikeinrichtung in Form eines Laserspiegelkopfes weist zumindest einen Spiegel als Fokussierelement für einen Laserstrahl auf. Auf der Rückseite dieses Spiegels befindet sich ein Hohlraum, der mit einem Fluid gefüllt ist. Durch eine regelbare Druckänderung als Parameteränderung wird eine Verformung des Spiegels in beide Richtungen (Aus- und Einwölbung) bewirkt. Das Fluid stellt somit einen hydraulischen Aktor dar, der großflächig an dem Spiegel anliegt. Zur Wärmeabfuhr, die zu unerwünschten Verformungen des Spiegels führen kann, wird das Fluid gleichzeitig als Kühlmedium verwendet. Nachteilig bei der bekannten adaptiven Optikeinrichtung ist die Ausbildung eines hydraulischen Aktors, der aufwändige Dichtungssysteme und ein spezielles Druckverteilungssystem benötigt, um die gewünschten Aus- und Einwölbungen verursachen zu können. Weiterhin ist eine hohe Regelgenauigkeit relativ schwer einzuhalten, da zwei sich gegenseitig beeinflussende Stellgrößen, Druck und Temperatur, und eine verändertes Langzeitverhalten des Aktor durch auftretenden Undichtigkeiten berücksichtigt werden müssen.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine gattungsgemäße adaptive Optikeinrichtung der eingangs beschriebenen Art mit zumindest einem einfach und zuverlässig beherrschbaren Aktor anzugeben, der die Umsetzung einer hohen und langzeitstabilen Regelgenauigkeit ermöglicht. Dabei soll die Optikeinrichtung im Regelkreis einfach und somit kostengünstig aufgebaut sein. Insbesondere der Aspekt der Kombination von Stellglied und Kühlung soll auch bei der erfindungsgemäßen Optikeinrichtung realisierbar sein. Als Lösung für diese Aufgabe ist deshalb bei der erfindungsgemäßen adaptiven Optikeinrichtung vorgesehen, dass der zumindest eine Aktor als thermischer Aktor aus einem Festkörper mit einem vorgegebenen, zum bekannten Wärmeausdehnungskoeffizienten des Fokussierelements unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten ausgebildet ist, der zur Übertragung der Verformungskraft kraft-, reib- und/oder formschlüssig mit dem Fokussierelement verbunden ist, und die Verformung des Fokussierelements durch Temperaturänderungen des thermischen Aktors eingestellt wird, wobei dieser mit dem Fokussierelement eine bimorphe Struktur bildet und weitere Verformungsparameter die Form der Querschnitte von Fokussierelement und thermischem Aktor und die Form der Kontaktfläche zwischen beiden sind.
  • Die erfindungsgemäße adaptive Optikvorrichtung verwendet thermische Feststoff-Aktoren, die kein Fluid zur Kraftübertragung benötigen. Die zur Formänderung erforderlichen Längenänderungen werden reversibel ausschließlich über Materialausdehnungen und -zusammenziehungen erreicht und sind damit genau und zeitstabil erreichbar. Die Stellgröße ist eine gut einstellbare Temperaturänderung, die bei bekanntem Wärmeausdehnungskoeffizienten des verwendeten Aktormaterials und bei bekannten Abmessungen des Aktors die gewünschte Längenänderung mit einer nur geringen Zeitverzögerung hervorruft. Dabei bestimmt die Genauigkeit der Temperaturregelung, bei der eine Stellauflösung von kleiner als 0,1 °C bei der Erfindung durchaus möglich ist, vor allem die Stabilität der Optikvorrichtung. Die Anbindung des zumindest einen Aktors an das zu verformende Fokussierelement erfolgt kraft-, reib- und/oder formschlüssig. Die dehnfähige Aktorfläche kann mit der wirksamen Fläche des Fokussierelement unlösbar verklebt sein, sie kann aber auch einfach mit einer entsprechenden Druckkraft angedrückt werden oder mit dieser durch ineinandergreifende Formelemente lösbar verbunden sein. Durch die feste Verbindung der Flächen mit einer vorgegebenen Druckkraft werden temperaturbedingte Längenänderungen des Festkörpers des Aktors aufgrund der durch die Einspannung auftretenden Verformungskraft in gewölbte Formänderungen umgesetzt. Dabei bildet der Aktor mit dem Fokussierelement eine bimorphe Struktur aus. Diese zeichnet sich durch eine flächige Kombination von zumindest zwei verschiedenen Strukturen mit unterschiedlichem Wärmeausdehnungsverhalten aus. Längenänderungen der einzelnen Schichten erzeugen wie beim Bimetall dann eine Krümmung des Verbundes.
  • Zusammenfassend gesehen müssen zur Erreichung eines bestimmten Verformungsziels am Fokussierelement verschiedene Parameter festgelegt bzw. dimensioniert werden. Hierbei handelt es sich insbesondere um die Ausdehnungskoeffizienten, um die geometrische Form der thermischen Aktoren und der Optikeinrichtung bezüglich der Form der Querschnitte und der Kontaktflächen und um die konkrete Ausführung des Kraft-, Reib- oder Formschlusses zwischen den Aktoren und der Optikeinrichtung. Dabei wird unter Letzterem beispielsweise verstanden, wie groß die Andruckkraft bei dem verwendeten Kraft- und Reibschluss sein muss, um ein bestimmte Verformung erzielen zu können. Weiterhin kann beispielsweise die Kontaktfläche zwischen der Optikeinrichtung und den angreifenden Aktoren problemangepasst gestaltet werden.
  • Ein thermischer Aktor ist zwar aus der DE 102 35 084 A1 bekannt. Hierbei handelt es sich aber um einen relativ komplizierten Stellantrieb mit einem unter Temperatureinwirkung dehn- oder verformbaren Stoff sowie elektrischen Heizelementen zur Erwärmung des Stoffes. Über Schubelemente, die infolge der Dehnung bewegt werden, und Übersetzungselemente kann eine lineare, punktförmige Auslenkung eines Objekts, beispielsweise eines Stößels, erfolgen. Die Rückstellung der Aktoren erfolgt über elastische oder kerbzähe Elemente, eine eigenständige Rückstellung kann aufgrund der komplexen Mechanik und der geringen aufbringbaren Verformungskräfte bei diesem bekannten thermischen Aktor nicht erfolgen. Weiterhin ist es aus der Diplomarbeit (insbesondere Kapitel 3.5) „Korrektur von Wellenfrontverzerrungen durch thermisch adaptive Optik" (Kai-Oliver Müller, Oktober 1995, Universität Hannover, im Internet abrufbar auf Webseite (Stand 21.04.2003) www.amps.uni-hannover.de/diplomarbeiten/dipl.kmueller.ps.gz) bekannt, einen Spiegel direkt durch thermische Einwirkung zu deformieren. Hierzu wird ein Laserstrahl benutzt, der eine lokal nur sehr eng begrenzte Erwärmung und damit Deformation zulässt, was im Sinne der gestellten Aufgabe ist. Ein thermischer Aktor aus einem Feststoff, der aufgrund einer Temperaturveränderung eine Längen- bzw. Formveränderung bewirkt, wird nicht verwendet.
  • Für eine gute Kraftübertragung ist es dabei gemäß einer Fortführung der Erfindung vorteilhaft, wenn das Fokussierelement als quaderförmiger Block ausgebildet ist, an dessen beiden Längsseiten je ein thermischer Aktor angeordnet ist, der sich über zumindest einen Teil der Blocklänge erstreckt. Auch hier bestimmen die gewählten Querschnitte des Fokussierelements und der thermischen Aktoren ihre Verformbarkeit. Die für die Verformung in Form einer Krümmung der optisch wirksamen Fläche verantwortliche bimorphe Struktur wird dabei zwischen einem oberen und einem unteren Teil des Fokussierelements gebildet. Der obere Teil des Fokussierelements mit den thermischen Aktoren stellt den einen Strukturteil mit einem vorgegebenen Wärmeausdehnungsverhalten und der untere Teil des Fokussierelements ohne die thermischen Aktoren stellt den anderen Strukturteil mit einem anderen Wärmeausdehnungsverhalten dar. Die thermischen Aktoren können sich nur über den Teilbereich des Fokussierelements erstrecken, in dem eine Verformung benötigt wird. Sie können sich aber auch über die gesamte Blocklänge erstrecken und eine Verformung des gesamten Fokussierelements bewirken. Durch die geometrische Form die Querschnittsverläufe von Fokussierelement und thermischen Aktoren kann das Ausmaß der erzielbaren Verformung bestimmt und variiert und an eine Aufgabenstellung angepasst werden. Dabei hängen die erreichbaren Größenordnungen für die Variation der Fokuslage des Lichtstrahls stark vom optischen Design einer Beamline ab. In einem bei der Anmelderin berechneten FEM-Beispiel (Finite-Element-Methode) wird beispielsweise durch eine Temperaturänderung von 0,2 °C eine ideale Planfläche (300 mm lang) zu einer gekrümmten Fläche mit ca. 300 nm Höhenunterschied (Pfeilhöhe). In praktischen Versuchen wurden auch größere Änderungen erzielt, z. B. 1,5 μm Pfeilhöhe bei einem 300 mm langen Spiegel. In einer Beamline bewirken derartige Verformungen bei einer entsprechenden optischen Konfiguration eine Variation der Fokuslage um ca. 1 m.
  • Zur Erreichung von speziellen Verformungszielen ist es günstig, die Kontaktfläche zwischen den Aktoren und dem Fokussierelement entsprechend zu formen. Dazu können beispielsweise die Aktoren selbst entsprechend in einer nahezu beliebigen Form, beispielsweise dreieckig oder sinusförmig, geformt sein. Nach einer nächsten Erfindungsausgestaltung ist es deshalb vorteilhaft, wenn die beiden thermischen Aktoren als quader- oder trapezförmige Blöcke ausgebildet sind, wobei die Größe der Verbindungsflächen mit dem Fokussierelement die übertragbare Verformungskraft bestimmt. Quaderförmige Blöcke erzeugen eine konstante Verformungskraft entlang des blockförmigen Fokussierelements, trapezförmige hingegen erzeugen mit zunehmender Breite auch eine zunehmende Verformungskraft und damit zunehmende Verformung des Fokussierelements. Nähere Einzelheiten hierzu können dem speziellen Beschreibungsteil entnommen werden. Schließlich kann zur Erzeugung spezieller, insbesondere symmetrische und asymmetrische Verformungen vorteilhaft bei einer anderen Fortführung der Erfindung vorgesehen sein, dass die beiden thermischen Aktoren an den Längsseiten des Fokussierelements unterschiedliche, insbesondere alternierende Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Durch wechselnde Wärmeausdehnungskoeffizienten entlang der thermischen Aktoren können nahezu beliebige Krümmungsverläufe des Fokussierelements hervorgerufen werden.
  • Zur Erzeugung der Temperaturänderungen können nach einer anderen Erfindungsausgestaltung die beiden thermischen Aktoren Heiz- und/oder Kühlelemente zur Erzeugung von ortsabhängigen Temperaturänderungen aufweisen. Hierbei kann es sich beispielsweise um Heizdrähte oder Perltierelemente handeln. Mit derartigen Elementen können eng begrenzte Bereiche der thermischen Aktoren in ihrer Temperatur verändert und damit sehr genaue und örtlich begrenzte Formveränderungen hervorgerufen werden. Alternativ können gemäß einer nächsten vorteilhaften Erfindungsfortführung die beiden thermischen Aktoren Kanäle aufweisen, die von einem Fluid durchströmt werden, dessen Temperatur einstellbar ist. Mit dieser Maßnahme sind die Aktoren weitgehend homogen in ihrer Temperatur veränderbar, sodass stetige Verformungen hergerufen werden können. Weiterhin ist es beispielsweise aus dem der Erfindung nächstliegenden Stand der Technik gemäß der DE 39 00 467 A1 bekannt, dass das Fokussierelement durch Erwärmung unerwünschte Verformungen zeigen kann. Deshalb wird dieses mit einer Kühlvorrichtung gekühlt, um die von der adaptiven Optikvorrichtung absorbierte Wärmelast abzuführen. Deshalb ist es nach einer anderen Erfindungsausgestaltung vorteilhaft, wenn eine Kühlvorrichtung zur Kühlung des Fokussierelements vorgesehen ist. Hierbei kann es sich beispielsweise um Peltierelemente handeln, die mit dem Fokussierelement in Kontakt stehen. Besonders einfach und vorteilhaft ist es aber, wenn nach einer weiteren Fortbildung der Erfindung das Fluid in seiner Temperatur so eingestellt wird, dass es auch der Kühlung des Fokussierelements dient. In dieser Erfindungsausgestaltung kann mit ein und demselben Fluid sowohl die erforderliche Temperaturänderung der Aktoren herbeigeführt als auch die überschüssige Wärmelast im System abgeführt werden. Eine zusätzliche Kühlvorrichtung ist nicht erforderlich. Die Änderungen an der Kühlung beeinflussen nun gleichzeitig Kühlwirkung und Verformung. Dadurch wird zwar der Aufbau einer Regelstrecke erforderlich, um den Prozess zu beherrschen. Besonders vorteilhaft bei dieser Ausführungsform ist es aber, dass neben den temperierbaren Aktoren, die auch als „Kühlbacken" bezeichnet werden können, kein weiteres Stellglied für die Verformung mehr benötigt wird. Insbesondere bei Anwendungen der adaptive Optikvorrichtung nach der Erfindung im Vakuum ist das Entfallen zusätzlicher Stellglieder besonders vorteilhaft.
  • Die adaptive Optikvorrichtung nach der Erfindung dient der Strahlformung eines Lichtstrahls. Hierbei kann es sich auch um Laser- oder Synchrotronlicht handeln. In einem konkreten Anwendungsfall soll der Ort der meridionalen Fokussierung – also bezogen auf den Spiegel – von Synchrotronlicht gezielt verändert werden. Hier werden vornehmlich Reflexionsoptiken verwendet. Dieses Prinzip ist auch für Transmissionsoptiken verwendbar, wenn die erforderlichen Verformungen erzielt werden können. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Fokussierelements als reflektierender Spiegel ist es dabei gemäß einer weiteren Erfindungsfortführung vorteilhaft, wenn dieser aus Silizium und die thermischen Aktoren aus Kupfer bestehen. Damit sind unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten gegeben und sowohl Silizium als auch Kupfer besitzen eine gute Wärmeleitfähigkeit, wodurch das Zeitverhalten des Regelprozesses begünstigt wird.
  • Ausbildungsformen der Erfindung werden zu deren weiterem Verständnis nachfolgend anhand der schematischen Figuren näher erläutert. Dabei zeigt
  • 1 perspektivisch eine Ausführungsform der adaptiven Optikeinrichtung im Detail,
  • 2a2c perspektivisch drei verschiedene Formen von thermischen Aktoren und
  • 3 Deformationsdiagramme zu verschiedenen Parametervariationen.
  • Die 1 zeigt eine adaptive Optikeinrichtung AO zur Ausrichtung der Fokuslage FP eines Lichtstrahls LB mit einem Fokussierelement FE in Form eines reflektierenden Spiegels RM mit einer optischen wirksamen Fläche OES zur Reflexion des einfallenden Lichtstrahls LB unter einem veränderbaren Winkel. Die gezeigte Anordnung dient der meridionalen Fokussierung in einem Strahlführungssystem (Beamline). Der Spiegel RM ist als quaderförmiger Block MQB, im gewählten Ausführungsbeispiel aus Silizium, ausgebildet, an dessen beiden Längsseiten je ein thermischer Aktor TA großflächig anliegt, sodass eine bimorphe Struktur BS aus Fokussierelement FE mit thermischen Aktoren TA als die eine (resultierende) Struktur und Fokussierelement FE ohne thermische Aktoren TA als die andere (einfache) Struktur mit unterschiedlichem Wärmeausdehnungsverhalten gebildet wird. Die Höhe der thermischen Aktoren TA bestimmt dabei die Höhenaufteilung der beiden unterschiedlichen Strukturen, die konstant oder veränderlich sein kann. Die thermischen Aktoren TA werden zur Kraftübertragung mit einer definierten Andruckkraft (in der 1 angedeutet durch Pfeile) kraftschlüssig an den quaderförmigen Block MQB seitlich angedrückt. Dabei ist die Andruckkraft so gewählt, dass zumindest die zum Verformen des reflektierenden Spiegels RM benötigte Kraft durch Reibung übertragen werden kann. Die thermischen Aktoren TA sind ebenfalls als quaderförmige Blöcke AQB, im gewählten Ausführungsbeispiel aus Kupfer, ausgebildet und werden von zwei Kanälen AC längs durchzogen, durch die ein temperierbares Fluid TF geleitet wird. Über das temperierbare Fluid TF wird die Temperatur der thermischen Aktoren TA geregelt. Durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von reflektierendem Spiegel RM und thermischen Aktoren TA wird die in den thermischen Aktoren TA entstehende Verformungskraft auf den Spiegel RM übertragen und dieser gewölbt, wobei die Wölbung reversibel und nur abhängig von der Temperatur der thermischen Aktoren TA ist. Die durch die Wölbung erreichte Veränderung der Fokuslage FP des Lichtstrahls LB wird dann im Regelkreis gemessen und gegebenenfalls nachgeregelt (in der 1 nicht weiter dargestellt). Eine vom reflektierenden Spiegel RM im Einsatzfall absorbierte Wärmelast wird im dargestellten Ausführungsbeispiel auch von dem geregelt temperierbaren Fluid TF aufgenommen und abgeführt. Somit dient das Fluid TF bei der adaptiven Optikeinrichtung AO nach der Erfindung sowohl der Temperierung der thermischen Aktoren TA als auch der Abfuhr der störenden Wärmelast im Fokussierelement FE.
  • In den 2a, 2b und 2e ist an einem Ausführungsbeispiel dargestellt, wie die Form der thermischen Aktoren TA geometrisch gestaltet werden kann, um ein unterschiedliches Kraftübertragungs- bzw. Verformungsprofil zu erzeugen. Dabei zeigt die 2a thermische Aktoren TA als gleichmäßig quaderförmige Blöcke AQB, wie sie bereits in 1 dargestellt sind. Eine derartige geometrische Form gewährleistet eine gleichmäßige Verformung entlang des reflektierenden Spiegels RM. Die 2b zeigt thermische Aktoren TA in der Ausgestaltung von trapezförmigen Blöcken ATB, die eine Zunahme der Verformungskraft mit zunehmender Trapezbreite hervorrufen. Dabei ist im dargestellten Ausführungsbeispiel die Trapezform so gewählt, dass die obere Längsseite mit dem blockförmigen Spiegel RM abschließt und die untere Längsseite schräg von einer kleinen Querseite bis zu einer größeren Querseite verläuft. Mit dem größten Querschnitt wird die maximal übertragbare Verformungskraft festgelegt. Der kleinste Querschnitt der trapezförmigen Aktoren TA reicht jedoch noch zur Aufnahme von Kanälen zur Führung des temperierbaren Fluids TF aus (in der 2b nicht weiter dargestellt). In 2c wird die Trapezform gegenüber der in 2b variiert. Die Auswirkungen einer solchen Variation sind in dem Diagramm gemäß 3 gezeigt.
  • In dem Diagramm gemäß 3 sind verschiedene Graphen aufgezeigt, die sich aus Simulationsrechnungen (Finite Element Methode) für unterschiedliche Temperaturen und Konfigurationen von blockförmigen Aktoren, die beiderseits an einem blockförmigen Spiegel als Fokussierelement angeordnet sind, ergeben. Es werden die Verformungsverläufe (Deformation in mm über der Position in mm auf dem blockförmigen Spiegel) gezeigt, welche durch die Veränderung der Geometrie der blockförmigen Aktoren und damit durch die Veränderung der Kontaktfläche zwischen Spiegel und Aktoren erzielt werden. dabei dienen die Aktoren auch der Kühlung des Spiegels, die Aktoren bestehen aus Kupfer, der Spiegel aus Silizium.
  • Dabei zeigt die Nulllinie A den Verformungsverlauf für eine Ausgestaltung gemäß 2a bei einer konstanten Temperatur 20 °C, es tritt keine Verformung auf. Die nach oben gewölbte Kurve B zeigt den Verformungsverlauf für eine Anordnung gemäß 2a, wenn die Temperatur der thermischen Aktoren von 20°C auf 20,2 °C erhöht wird. Symmetrisch dazu zeigt die unterste Kurve C den Verformungsverlauf für eine Anordnung gemäß 2a mit einer Absenkung der Temperatur von 20°C auf 19,8 °C. Die beiden Kurven B, C verlaufen symmetrisch, da die thermischen Aktoren als quaderförmige Blöcke konstanter Breite ausgebildet sind.
  • Die direkt über der untersten Kurve C verlaufende Kurve D zeigt den Verformungsverlauf für eine Anordnung gemäß 2b mit trapezförmigen Aktuatoren, die nicht die gesamte Höhe des Spiegels überdecken, bei einer Temperaturabsenkung von 20°C auf 19,8 °C. Analog dazu zeigt die darüberliegende Kurve E den Verformungsverlauf für eine Anordnung gemäß 2c mit großen trapezförmigen Aktuatoren bei einer Temperaturabsenkung von 20°C auf 19,8 °C. Deutlich ist hier die erreichte Asymmetrie der erreichten Verformung über die Länge des blockförmigen Spiegel zu erkennen. Außerdem kann bei allen Kurven B, C, D, E erkannt werden, dass kleinste und damit sehr genaue Auslenkungen, das heißt Verformungen des Spiegels im Bereich von μm zur Korrektur der Fokuslage erreichbar sind.
  • AC
    Kanal
    AO
    adaptive Optikeinrichtung
    AQB
    quaderförmiger Block-Aktor
    ATB
    trapezförmiger Block-Aktor
    BS
    bimorphe Struktur
    FE
    Fokussierelement
    FP
    Fokuslage
    LB
    Lichtstrahl
    MQB
    quaderförmiger Block-Spiegel
    RM
    reflektierender Spiegel
    TA
    thermischer Aktor
    TF
    temperierbares Fluid

Claims (10)

  1. Adaptive Optikeinrichtung zur Ausrichtung der Fokuslage eines Lichtstrahls mit einem Fokussierelement, dessen optisch wirksame Fläche in einem Regelkreis mit zumindest einem Aktor und einer Kontrolleinrichtung der Fokuslage definiert verformbar ist, wobei der Aktor am Fokussierelement anliegt und mittels einer regelbaren Parameteränderung dessen Verformung bewirkt, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Aktor als thermischer Aktor (TA) aus einem Festkörper mit einem vorgegebenen, zum bekannten Wärmeausdehnungskoeffizienten des Fokussierelements (FE) unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten ausgebildet ist, der zur Übertragung der Verformungskraft kraft-, reib- und/oder formschlüssig mit dem Fokussierelement (FE) verbunden ist, und die Verformung des Fokussierelements (FE) durch Temperaturänderungen des thermischen Aktors (TA) eingestellt wird, wobei dieser mit dem Fokussierelement (FE) eine bimorphe Struktur (BS) bildet und weitere Verformungsparameter die Form der Querschnitte von Fokussierelement (FE) und thermischem Aktor (TA) und die Form der Kontaktfläche zwischen beiden sind.
  2. Adaptive Optikvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fokussierelement (FE) als quaderförmiger Block (MQB) ausgebildet ist, an dessen beiden Längsseiten je ein thermischer Aktor (TA) angeordnet ist, der sich zumindest über einen Teil der Blocklänge erstreckt.
  3. Adaptive Optikvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden thermischen Aktoren (TA) als quader- oder trapezförmige Blöcke (AQB, ATB) ausgebildet sind, wobei die Größe der Verbindungsflächen mit dem Fokussierelement (FE) die übertragbare Verformungskraft bestimmt.
  4. Adaptive Optikvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die beiden thermischen Aktoren (TA) an den Längsseiten des Fokussierelements (FE) unterschiedliche, insbesondere alternierende Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.
  5. Adaptive Optikvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden thermischen Aktoren (TA) Heiz- und/oder Kühlelemente zur Erzeugung von ortsabhängigen Temperaturänderungen aufweisen.
  6. Adaptive Optikvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden thermischen Aktoren (TA) Kanäle (AC) aufweisen, die von einem Fluid (TF) durchströmt werden, dessen Temperatur einstellbar ist.
  7. Adaptive Optikvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühlvorrichtung zur Kühlung des Fokussierelements (FE) vorgesehen ist.
  8. Adaptive Optikvorrichtung nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid (TF) in seiner Temperatur so eingestellt wird, dass es auch der Kühlung des Fokussierelements (FE) dient.
  9. Adaptive Optikvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Fokussierelement (FE) als reflektierender Spiegel (RM) ausgebildet ist.
  10. Adaptive Optikvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass der reflektierende Spiegel (RM) aus Silizium und die thermischen Aktoren (TA) aus Kupfer bestehen.
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