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"Vorrichtung zum Fokussieren von LASER-Energie" Die Erfindung
bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Fokussieren von LASER-Energie, beispielsweise
zur präzisen Einstellung der Fläche oder des .Punktes, dem ein Impuls von LASER-Energie
zugeführt werden soll.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Einstellung eines bekannten
Abstandes zwischen der Brennebene des ZASER-Strahls und der Brennebene eines Justiermikroskops
zu ermöglichen, so daß bei Einstellung des Mikroskops auf die Oberfläche eines Werkstücks
die Brennebene des ZASER-Strahls um diesen bekannten Abstand von der Werkstückoberfläche
entfernt ist.
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Bei bekannten Vorrichtungen dieser Art sind Zinsen in den Lichtpfad
des LASERS eingeschaltet, um einen Abstand zwischen dem Brennpunkt des LASER-Strahle
und dem Brennpunkt des Justiermikroskops herstellen zu können. Derartige Zinsen
absorbieren
jedoch erhebliche Mengen von LASER-Energie und
erzeugen unerwünschte
Aberrationen und Verzerrungen.
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Gemäß der Erfindung werden diese Nachteile dadurch
vermieden, daß der gewünschte Abstand zwischen den Brennpunk-
ten
im Lichtpfad des Justiermikroskops erzeugt wird. Linsen
geeigneter Brennweite werden in den Lichtpfad des Mikroskope
eingeschaltet und ihr Einfluß auf die Lage der Bildebene
durch
einen Justierhebel gesteuert. Hierdurch erhält man
einen Abstand
zwischen der.Brennebene des LASER-Strahle und
der Brennebene
des Justiermikroskopa, dessen Größe bekannt ist-.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist verhältnismäßig
billig und hat selbstkompensierende Eigenschaften. Ein
LASER-Objektiv
mit langer Brennweite gibt dem Justiermikroakop eine große Tiefenschärfe.
Gleichzeitig macht diese Tie-
fenschärfe das LASER-Verfahren
gegen Verschiebungen in senk-
rechter Richtung verhältnismäßig
unempfindlich. Ähnlich er-
fordert ein LASER-Objektiv kurzer
Brennweite eine geringe
Tiefenschärfe des nötigen Justiermikroskops,
da das LASER-Verfahren hier wesentlich empfindlicher gegenüber Verschie-
bungen
in senkrechter Richtung ist.
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Zweck der Erfindung ist somit die Schaffung einer verbesserten
Vorrichtung zum hokussieren von LASER-Energie. Ein weiterer
Zweck der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zum Fokussieren
von LASER-Energie zu achaf-
fen, die eine steuerbare
Verschiebung von bekannter Größe zwischen den Brennebenen
eines LASER-Strahla und eines zu-
gehörigen Justiermikroskops
ermöglicht.-Ein weiterer Zweck der Erfindung ist, eine Vor-
richtung
der bezeichneten Art zu schaffen, die zugleich bil-
lig ist und selbstkompensierende
Eigenschaften hat, mit der
eine Brennpunktdifferenz zwischen
den Brennebenen eines LASER-Strahls und eines zugehörigen Justier-Nikroskops
ein-
gestellt werden kann.
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Weiter ist es ein Zweck der Erfindung, eine Vorrichtung
der in Rede stehenden Art so $u gestalten, daß die
Energiedichte
eines fokussierten LASER-Strahl® gesteuert
worden kann,
ohne die Gesamtintensität des Strahles zu verringern.
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Ein weiterer Zweck der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung
zum Fokussieren von LASER-Energie durch Erzeugung einer Brennpunktdifferenz
zwischen den Brennebenen eines LASER-Strahle und eines zugehörigen
Justiermikroskops $u schaffen, bei der diese Differenz ausschließlich im
.Lichtpfad
des Justiermikroskops erzeugt wird.
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Schließlich ist es Ziel der Erfindung, eine Vorrichtung
für gemäß dem soeben genannten Zweck der Erfindung fokussierte LASER-.Energie
zu liefern, bei welcher die Brennpunktdifferenz sich einfach einstellen
läßt, um so eine #ereohiebung von bekannter Größe zu ermöglichen.
Diese
und weitere Merkmale der Erfindung sind in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht.
Es zeigen
Pig. 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäß
- gestalteten Vorrichtung zum Fokussieren von LASER-Energie,
Pik. 2 eine Ansicht der Vorrichtung nach Fig.
1 von unten,
Fiß. 3 eine teilweise geschnittene Seitenansicht der
Vor-
richtung nach Fig. 1,
Fig. 4 eine Ansicht der
Vorrichtung nach Fig. 1 von vorn,
wobei gewisse Teile abgebroqhen
und andere im Schnitt ' gezeichnet sind, Fi . a einen Schnitt nach Linie
4a-4a in Pig. 4, der die Be-
festigung eines zur Vorrichtung
gehörenden dichroitiachen, als Strahlteiler wirkenden Spiegels
erläutert,
Pig. 5 einen Axialechnitt durch das optisohe
System des
Justiermikroskops, mittels dessen die Brennpunktdifferenz
erzeugt wird,
Fig_ 6 eine perspektivische Ansicht eines Einzelteils
des
in Pig. 5 dargestellten optischen Systeme, f1 . einübertrieben
gehaltenes Schema zur Veranschaulichung der Brennpunktdifferenz,
wobei die Brennebene der LASER-Strahle unterhalb der Brennebene des
Justier mikroskope liegt,
Pig. 8 ein der Pig. 7 ähnliches
Schema, in welchem die Brenn-
ebene des LASER-Strahls oberhalb
derjenigen des Justie=ikroskope liegt, und .
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Fein der- Fig. 7 ähnliches Schema, in welchem die
Brennebene
des LA SER-Strahla und des Justier-Hikroakops zusammenfallen, Die
Vorrichtung nach Fig. 1 und 2 besteht aus einer Grundplatte 11 mit einem darauf
sitzenden, im wesentlichen rechteckigen Gehäuse 12. Die vordere Wand des Gehäuses
12 hat ein längliches Fenster 13, innerhalb dessen eins Vorrichtung 14 senkrecht
auf und ab bewegt werden kann, die aus einem LASER-Generator und einem Justiermikroskop
besteht.
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Um senkrecht bewegt . werden zu können, wird die Vorrichtung 14 nur
von zwei stabilen Pfosten 15 und 16 gehalten, auf denen sie frei gleiten kann, sowie
von einer Führungsspindel 17, mittels derer sie senkrecht einstellbar ist. Die Grundplatte
11 hat in ihrem vorderen Teil eine Aussparung 18 unterhalb des Pfades des
LASER-Strahls und des
Justiermikroskope, die zur Aufnahme eines durch den
LASER-Strahl zu bearbeitenden Gegenstandes dient.
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Die Unterseite der Grundplatte 11 hat eine längliehe Ausnehmung 19,
in der zwei Treibräder 21 und 22 befestigt sind, die durch einen Riemen 23 miteinander
verbunden sind. Die Achse des Treibrades: 21 ist nach oben durch die Grundplatte
11 durchgeführt und dort fest mit einem
Einstellrad 24 verbunden,,,
das eine Handkurbel 25 trägt, mittels
deren das Treibrad 21 gedreht
werden kann. Das Treibrad 22 ist fest mit der Justierspindel 17 verbunden, ao da8
eine Drehung der Handkurbel 25 die senkrechte Iage.der Vor-
richtung 14 steuert.
Wie aua Fig. 3 ersichtlich, ist das Gehäuse 12 oben und unten durch zwei Tragplatten
26, 27 abgeschlossen, in denen die Pfosten 15 und 16 fest montiert sind und die
Justierspindel 17 drehbar gelagert ist. Ein ferst mit der Spindel 17 verbundener
Fortsatz 28 ist durch die Platten 27 und 11 hindurchgeführt und starr am
Treibrad 22 befestigt. Dadurch dreht sich die Spindel 17, sobald das Justierrad
24 mittels der Handkurbel 25 gedreht wird. Das Justierrad 24 ist mit dem Treibrad
21 fest mittels einer Achse 29 verbun-
den. Die den LASER-Generator und
das Justiermikroskop enthaltende Vorrichtung 14 besteht gemäß Fig. 3 aus einer Plattform
31 mit fest darauf angebrachten Lagerblöcken 32. Die Lagerblöcke 32 sind durchbohrt
und nehmen die Pfosten 15 und 16 auf, womit die Plattform 31 in waagerechter Lage
gehalten wird. Der rückwärtige Teil der Plattform 31 hat eine mit Innengewinde versehene
Öffnung 33, in der die Justierapindel 17 geführt wird. Auf der Plattform
31 sind zwei sattelförmige Halterungen 34 aus Plexiglas oder einem anderen
Isoliermaterial befestigt, die einen im wesentlichen zylin-
drischen
Generator 35 zur Brzeugung von LASER-Energie tragen.
Dieser
Generator kann in seinem Innern irgendeinen LASER-Baustein
enthalten, z.B. einen Stab aus Rubin oder einem an-
deren geeigneten
LASER-Pdaterial, das intensive Bündel von
LASER-Energie in der
Richtung des Pfeile 36 emittiert. Der
LASER-Generator 35 hat herkömmliche
Einlaß- und-Auslaß-Rohre 37, 38 für Kühlwasser sowie eine nicht gezeichnete,
wendelförmige Blitzlampe zur Erzeugung von Pumplicht mit
elektrischen
Anschlüssen 39. Diese Anschlüsse 39 können mit
einem Leistungskondensator
verbunden werden, um das Gas in
der Pumplichtquelle zur Zündung
zu bringen. Die Plattform 31
trägt eine Wand 41, an der ein
Hochspannunga-Triggertransformator 42 befestigt ist, der über eine
Leitung 43 mit der
äußeren metallischen Ummantelung des LASER-Generators
35 in
Verbindung steht und durch F,.--*MEntladung
die Ionisation
des Gasse innerhalb der Blitzlampe
bewirkt.
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Die den LASER und das dustiermikroskop enthalten-
de
Vorrichtung 14 hat Seitenwände 44 und eine obere Abdeckung
45, welche zusammen mit der Plattform 31 und der
Wand
41 praktisch den gesamten LASER-Teil der Vorrichtung
umhüllen.
Diese Umhüllung wird an der Vorderseite abge-
schlossen durch
ein Gehäuse 49, welches das Ju®tiermikroskop und das allgemein
mit 46 bezeichnete optische System umschließt. Die obere Abdeckung
45 hat einen vorspringenden Teil 47, in dem ein bteßinstrument
48 befestigt ist. Dieses
Instrument 48 dient zur Anzeige
der Spannung der Kondensatoren-
Bank, die an die Elektroden
39 angeschlossen ist, um die
Pumplichtquelle im LASER-Generator zu zündtn.
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Der durch den Pfeil 36 dargestellte LASER-Strahl wird innerhalb des
Gehäuses 49 von einem aus einem diohroitischen Spiegel bestehenden Strahlteiler
reflektiert und senkrecht nach unten zur Oberfläche des zu bearbeitenden Gegenstandes
geleitet. Wie aus Pig. 4a ersichtlich, ist der dichroitische Spiegel 51 in eine
Halterung 52 eingeklebt, die eine Eingangsöffnung 53 für den Beobachtungsstrahl,
eine Eingangsöffnung 54 für den LASER-Strahl und eine Ausgangsöffnung 55 für beide
Strahlen hat. Der aus dem diohroitieohen Spiegel bestehende Strahlteiler 51 hat
optisch ebene, polierte Oberflächen und trägt auf einer Seite einen reflektierenden
der bei einem Einfallwinkel von
45o und einer Wellenlänge von 6943
Rngström mehr als 98,5% des LASER-Strahles reflektiert. Auf der anderen
Seite läßt
der Spiegel des Strahlteilere den Hauptanteil des nicht
im
Roten liegenden optischen Lichtes hindurch, was dem opti-
schen Bild
eine leicht grünliche Färbung gibt.
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Das optische Gehäuse 49 besteht gemäß Fig. 4 aus
einem
gasten 56, der durch einen Deckel 57 abgeschlossen
ist. In der rechten Seitenwand
des Kastens 56 sind durch
einen Knopf 61 betätigte Nocken
58 und Schalter 59 gelagert.
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Der Spiegel 51 des Strahlteilers ist an der linken
Seitenwand
des Kastens 56 einstellbar montiert. Dazu ist 0 in
zylindrischer
Befestigungsblock 62 an der Seitenwand des Kastens 56 mittels eines Bolzens 63 befestigt,
so daß der zylindrische Block 62 zwecks Einstellung-gedreht werden kann.
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iahe seinem inneren Ende hat der Block-62 eine quer verlaufende Durehbrechung
64, wobei eine relativ dünne Wand 65 am Ende stehenbleibt. Zwei gegeneinander versetzte
Stifte 66 (Pig. 4a) sind fest in die Wand 65 und in den Halter 52 des
Strahlteilerspiegels
stramm eingepaßt und geben dem Halter 52 eine flexible Abstützung auf dem zylindrischen
Block 62. Ein Gewindebolzen 67 hat seinen Kopf 68 innerhalb der Öffnung 64, geht
mit Spiel durch die stehengebliebene Wand 65 hindurch und ist in den Halter 52 des
Strahlteilerspiegels eingeschraubt. Eine Druckfeder 69 umgibt den Bolzen 67 und
drückt den Halter 52 an diesem Punkt von der Wand 65 weg. Der Halter 52 und die
Wand 65 sind durch einen mit 7'i bezeichneten Zwischenraum voneinander getrennt.
Der vom dichroitischen Spiegel reflektierte LASER-Strahl gelangt senkrecht nach
unten durch eine Objektiv-Zinse 72 hindurch, die an der Unterseite einer zylindrischen,
zentrisch in einer Halterung 74 sitzenden Abschirmung 73 angebracht ist. Der in'
fig. 4 eingezeichnete Strahl wird durch die Linse 72 in die Brennebene 75 fokussiert.
Die zu bearbeitende Oberfläche
wird durch einen Gegenstand 76 angedeutet.
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Auf der Halterung 74 sind außerdem zwei gewöhnliche Lampen 77 montiert,
die dazu dienen, die zu bearbeitende Oberfläche zu beleuchten, um sie mittels des
optischen
Systems und des Justiermikroskops
sichtbar zu machen. Die Halterung 52 ist sorgfältig gearbeitet und
der optisch ebene dichroitische Spiegelsorgfältig in sie
hineingeklebt,
so daß normalerweise nur geringe Justierarbeiten nötig sind,
um den Spiegel in seine genaue 45o-Lage zu bringen. Die Lage der Halterung
läßt sich zum Zwecke der
Justierung natürlich leicht dadurch beeinflussen,
daß der
Bolzen 63 gelöst wird und der Block 62 mit dem Halter 52
gedreht
wird. Für kleinere ,Justierungen des Spiegels in
seitlicher
Richtung wird der Gewindebolzen 6? mittels seines
Kopfes 68 gedreht, um
entweder den angrenzenden Teil des
Halters 52 auf den tragenden Block zuzubewegen,
was durch
Anziehen des Bolzens geschieht, oder von diesem wegzubewegen,
was
durch Lösen des Bolzens geschieht und wobei die Trennung der beiden Teile
durch die Vorapannung der Druckfeder 69 be-
wirkt wird. In beiden
Fällen wird ein Kippen des Spiegels da-
durch bewirkt, daß sich die Stifte
66 durch die der Halter 52
am Block 62 befestigt ist, etwas verbiegen.
Mit dieser Anordnung kann der Spiegel exakt justiert werden, wodurch
die maxi-
male Reflexion des LASER--Strahle durch den dichroitischen
Spiegel erreicht wird und die Koinzidenz der optischen Achsen;
des Beobachtungsstrahles und des hASER-Sttahles sicherge-
stellt
wird.
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Das Justiermikroskop hat einen Binokularkopf
81
mit Okularen 82, deren System in eine einzige Sichtlinie
zu-
-sammenläuft. Das Binokularmikroskop
ist von üblichem Aufbau,
wobei die Sichtlinie mittels Spiegel 83 und
84 (Fig. 3) zu
einer senkrechten Sichtlinie 85 zusammengeführt
wird. Der
Mikroskopkopf enthält die übliche Zinse zur
Kompensation der
Trennung der beiden Okulare 82, welche dem Augenabstand
des
Betrachters angepaßt sind. Diese Einzelheiten sind bekannt
und daher nicht gezeichnet.
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In den Lichtpfad des Mikroskope ist ein optisches
System
86 (Fig.. 5) zur Schaffung des Brennebenenabstands eingeschaltet.
Es enthält eine Halterung 87, die ein Teil
des Justiermikroskops
nein kann bzw. an diesem befestigt ist. Ein Zylinder 88 ist durch
Schrauben 89 fest mit der Halterung 87 verbunden. Das optische
System 86 liefert eine Sichtlinie
91, die mit dem den binokularen Nikr®skopkopfes
bei 85 (Fig.3) zusammenfällt. Ein Fadenkreuz 92 ist innerhalb des
Zylin-
ders 88 in einer Hülse 93 befestigt, die mittels einer Stell-
schraube
94 fixiert wird. Das Fadenkreuz 92 ist in der HÜlee
93 mittels eines Systeme von Zylindern und biegsamen Stä-ben
95 befestigt, das eine begrenzte Justierung des Fadenkreuzes zur exakten
Einstellung seiner Haarlinien erlaubt.
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Im oberen Teil des Zylinders 88 ist eine obere
Zwischenlinse
96 montiert, welche die Form eines geklebten
Triplette hat. Diese Zinse
96 ist in einer Hülse 97 tiefestigt, die einstellbar im Zylinder
88 mittels einer Stell-
schraube 97' befestigt äst, so daß
sie auf das Fadenkreuz 92
fokussiert werden kann.
Nahe dem unteren Ende des Zylinders 88 ist ein beweglicher Linsenhalter 98 befestigt,
in dem zwei Stifte 99 angebracht sind, die sich nach außen durch Schlitze 101 in
der Wandung des Zylinders 88 erstrecken. Werden die Stifte 99 senkrecht innerhalb
der Schlitze 101 verstellt, so bewegt-sich der Halter 98 und die Linse 102 in diesem
Halter ebenfalls in senkrechter Richtung, so daß hierdurch die relative Verschiebung
zwischen dem Brennpunkt bzw. der Brennebene des LASER-Strahle und dem Brennpunkt
bzw. der Brennebene des Justiermikroskope eingestellt werden kann. Eine Feder 103
drückt nach unten auf die Stifte 99. Dadurch wird der Halter 98 stets in
sein
unterste Lage gedrückt. Der.Halter wird nach oben mittels eines Pokussiernockens
verschoben, der in Fig. 6 mit 104 bezeichnet ist. Auf der Außenseite des-Zylinders
88 ist ein
ortsfester Grundrahmen 105 mittels einer Stellschraube
106
befestigt. Die Oberseite des Grundrahmens 105 dient als Basis für den Pokussiernocken
104.
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Der Nocken 104 besteht aus einem Kreisring aus Messing oder
ähnlichem Werkstoff, in den diametral gegenüber-
liegende Schlitze 10?
und 108 eingefräst sind. Stellschrauben 109 sind in den Grundkörper des Nockens
eingesetzt, die mit ihren oberen Enden auf die Unterseiten von durch die
Schlitze
10? und 108 vom Grundkörper getrennten Zungen 111
und 112 drücken.
Aufwärtsbewegung der Stelleehrauben 109
führt deshalb
dazu, daB sich die Zungen 111 und 112 nach oben biegen und Steuerflächen bilden
(Fig. 5 und 6). Diese
Steuerflächen drücken gegen die Stifte 99. Der Nocken
104
ist mit einem Handgriff 113 versehen. Beim Drehen des
Nockens 104
nehmen die Zungen 111, 112 gegenüber den Stiften 99 unterschiedliche Höhen ein,
so daß die Zinse 102 mit ihrer Halterung 98 auf und ab bewegt wird
und sich die Lage des Brennpunkts oder der Brennebene des Justiermikroskops ohne
Drehung der Linse verändert. Es ist nämlich wünschenswert, eine Drehung der Linse
zu vermeiden, da infolge möglicher Unvollkommenheiten der Linse sieh hierbei der
Brenmpunkt aus der Sichtlinie herausdrehen könnte. Eine Skala 114 (Fig. 1) gestattet
es, der Läge des Handgriffs 113 eine bekannte Verschiebung des Brennpunkts oder
der Brennebene des
Justiermikroskopa gegenüber dem Brennpunkt oder
der Brennebene des LASER-Strahle zuzuordnen.
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In Pig. ? bis 9 sind typische Verschiebungen dargestellt, die man
zwischen dem Brennpunkt des IASER-Strahle und dem Brennpunkt des Justiermikroskops
einstellen kann. Indem man den Handgriff 113 des Nockens auf den geeigneten Teilstrich
der Skala 114 einstellt, kann man die Brennebene des Justiermikroskops auf den Punkt
115 fokussieren, während die Brennebene des LASER-Strahls bei 116 verbleibt. Die
beiden Brennpunkte oder Brennebenen sind somit durch-einen senkrechten Abstand 117
getrennt. Stellt man nun den Brennpunkt den Mikroskops auf die durch
die Linie 118 angedeutete Ober-
fläche des Werkstücke
ein, dann liegt der Brennpunkt des
LASER-Strahle unterhalb der Werkstückoberfläche,
und zwar um den Abstand 117, wodurch die Fläche auf der Oberfläche
des Werkstücks, die vom LASER-Strahl getroffen wird, diejenige ist, deren horizontaler
Durchmesser durch die beiden Pfeile a angedeutet wird. Der Brennpunkt des Justiermikroakops
wird auf die Werkstückoberfläche 118 durch senkrechte Bewegung der Einheit 14 eingestellt,
wozu der Handgriff 25 und die Einstellschraube 17 bewegt werden, so wie dies
weiter oben beschrieben wurde.
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Man sieht aus dem übertrieben gezeichneten Schema der Pig. 7, daß
der LASER-Strahl konvergiert bis er die Oberfläche des Werkstücks 118 erreicht,
weil nein Brennpunkt 116 unterhalb der Werkstück-Oberfläche liegt.
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In Pig. 8 ist es genau umgekehrt. Hier liegt die
Brennebene
des Justiermikroskops um einen vertikalen Abstand 119 oberhalb der Brennebene des
LASER-Strahle, wobei dieser Abstand praktisch genauso groß ist wie der Abstand 117
in Fig. 7. Auch hier wird der Brennpunkt 115 des Justiermikroskopa
auf die Werkstück-Oberfläche 118 durch senkrechte Bewegung der Einheit 14 eingestellt.
Dies geschieht wiederum durch Betätigung des Handgriffs 25. Die Abweichung zwischen
der Brennebene des LASER-Strahls und der Brennebene des Justiermikroskope
rühren auch hier dazu, daß der LASER-Strahl einen Fleck auf dem Werkstück
trifft, dessen horizon-
taler Durchmesser durch die beiden
Pfeile a angedeutet wird. Unter den Bedingungen der Pig.
8 ist der LASLi-Strahl jedoch divergent, wenn er auf die Werkatäckoberfläche
auf-trifft;. denn sein Brennpunkt 116 liegt oberhalb dieser Ober-
fläche
und.®berhalb des Brennpunktes des Justier-Iiikroskops... hig.
9 deutet ainen Zustand an, bei welchem die Brennebenen des
LASER-Strahls und des Justiermikroskops zusannenfallen, so da13 der LASER-Strahl
die Werkstück-Oberfläche 118 mit einem minimalen Durchmesser und
mit maximaler Energiedicht. trifft.
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Die Erfindung liefert somit eine Vorrichtung zum Pokussieren
von LASER-Energie, die sich durch Zuverlässigkeit und geringen Kostenaufwand
auszeichnet, bekannte Verschiebungen zwischen dem Breipunkt des LASER-Strahls
und
dem Brennpunkt des Justiermikroskops einzustellen
erlaubte
verhältnismäßig billige optische und mechanische Bauteile
im Justiermikroskop verwendet und weder eine Verminderung der LASER-Energie
noch Aberrationen und Verzerrungen des
LASER-Strahls bewirkt.