DE1771687A1 - Vorrichtung zum endlosen und verformungsfreien Schweissen von optischen Elementen - Google Patents

Vorrichtung zum endlosen und verformungsfreien Schweissen von optischen Elementen

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Description

PATENTANWÄLTE
. H. LEINWEBER dipl.ing. H. ZIMMERMANN
PosUchedc-Konto: Bank-Konto: Τ·1·(οη ΤβΙ,-Adr.
München 22045 Dresdner Bank AG. München (1111) M1>l» Lelnpat München
München 2, Marienplatz, Kto.-Nr. 92790
Z/W e/Wy/Kg 8 München 2, Rosental T, 2. Aufg.
(Kuitermann-Passage)
den 26. Juni 1968
COMPAGNIE GENEBALE D*EIECTHICITE, Paris (Frankreich)
Vorrichtung zum endlosen und verformungsfreien Schweissen
von optischen Elementen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum endlosen und verformungsfreien Aufschweissen von optischen Elementen auf Rohre zum Erzielen dichter Hohlräume. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Vorrichtung, bei der ein Strahlenbündel abgestrahlt und an einem bestimmten Punkt auf die Berührungsfläche der miteinander zu verschweissenden Teile gebündelt wird, wobei das Strahlenbündel die Schweissenergie liefert.
Es ist bekannt, derartige Verbindungen durch Kleben mit einem Klebemittel auf der Basis von Keramik durchzuführen, da bei allen bekannten Schweissverfahren die zu vereinigenden optischen Elemente beschädigt . oder verformt werden.
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Der Hauptnachteil beim Kleben besteht darin, dass durch die Klebemittelschicht Gas entweicht, wenn der Hohlraum bei Inbetriebnahme auf eine hohe Temperatur gebracht wird. Dadurch gelangen Verunreinigungen in diesen Hohlraum und dessen Lebensdauer wird somit verkürzt.
Ziel der Erfindung ist es, die Nachteile einer beliebigen Zwischenschicht oder eines Fremdkörpers zwischen den durch Verschweissen in Kontakt miteinander zu bringenden, einander gegenüberliegenden Flächen auszuschalten. Deshalb werden die Flächen zum Verbessern ihres Kontaktes optisch geschliffen und dann wird auf die durch ihre in optischem Kontakt miteinander stehenden, äusseren Händer bestimmte Kurve eine Höchstenergie konzentriert, die vorzugsweise durch Strahlung einer Quelle mit stimulierter Emission, vom Typ eines Lasers, stammt, und durch ein konvergierendes optisches System konzentriert wird.
Um eine gleichmässige Schweissqualität zu erhalten, werden die zusammengefügten, miteinander zu verschweissenden Teile auf eine bewegliche Montierung aufgebracht, die gewährleistet, dass die Kontaktlinie mit konstanter Geschwindigkeit .vorbeilaufen kann und dass der bildseitige Objektivbrennpunkt des optischen Konzentrationasystems auf dieser Linie gehalten wird.
Soll eine ringförmige Scheibe auf ein zylifldrisöhes Rohr gleichen Querschnitts aufgeschweisst werden, dann ist diese
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Montierung einfach: es braucht nur die Achse dieses Rohres auf die Drehachse der Scheibe, auf der es befestigt werden soll, ausgerichtet zu werden.
Bei einer elliptischen Scheibe, die einem schräg geschnittenen Querschnitt eines zylindrischen Rohres entspricht, wenn dieses durch ein eine Öffnung für die unter einem Brewster* sehen Mnkel austretenden Strahlen bildendes Blatt verschlossen werden soll, sind zwei Bezugsflachen nötig, damit die Montierung den zwei Voraussetzungen genügt, dass nämlich die Kontaktlinie mit konstanter linearer Geschwindigkeit vorbeiläuft und dass das optische Konzentrationssystem unter gleichbleibendem Abstand von dieser Linie gehalten wird.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung zum endlosen und verforiiiungsfreien Aufschweissen von optischen Elementen auf ein zylindrisches Rohr zum Bilden eines dichten Hohlraums zeichnet sich dadurch aus, dass die miteinander zu verschweissenden Flächen optisch geschliffen und in optischen Kontakt miteinander gebracht sind, dass die durch Strahlung erhaltene Schweissenergie durch ein optisches System ständig auf die Trennlinie der beiden miteinander zu verschweissenden Teile fokusiert ist und dass diese Linie mit konstanter linearer Geschwindigkeit an diesem Fokusierungspunkt vorbeiläuft.
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Weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung. Auf der Zeiehnung ist die Erfindung beispielsweise dargestellt, und zwar zeigen
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zum Aufschweissen einer ringförmigen Scheibe mit einen Spiegel bildenden, multidielektrischen Schichten auf ein Rohr, und
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zum Aufschweissen eines Blattes für unter Brewsterfschem Winkel erfolgenden schrägen Strahlungseinfall auf ein Rohr.
Fig. 1 zeigt einen Laser 1, der einen Strahl 2 kohärenten Lichtes aussendet, dessen parallele Strahlen durch eine Konvergenzlinse 5 in derem bildseitigen Brennpunkt 4 fokusiert sind.
Ist der Laser 1 ein mit Karbongas arbeitender Molekularlaser, so beträgt die Länge der ausgesandten Welle 10,6 ρ und die Konvergenzlinse 3 besteht aus Natriumchlorid, das für diese Strahlung durchlässig ist.
Erfindungsgeiüäss soll eine runde Scheibe 5 aus Quarz auf ein (piuarzrohr 6 aufgeschweisst werden, das auf einer Treibscheibe 7 in einem Spannfutter 8 gehalten ist.
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Die Achse des Quarzrohres 6 fällt mit der Drehachse der Treibscheibe 7 zusammen, die von einem Motor 9 mit konstanter Drehzahl angetrieben ist, der auf dem Sockel 10 der Anlage befestigt ist. Die Konvergenzlinse 3 ist auf einem am Sockel 10 befestigten Träger 11 montiert. Auf diese Weise fällt beim Drehen der Treibscheibe 7 der Konzentrations- bzw. der Bildbrennpunkt 4 für die Schweissenergie immer auf eine äussere ringförmige Berührungslinie 12 der beiden miteinander zu verschweissenden Flächen. Die runde Scheibe 5 weist einerseits auf ihrer in Richtung auf das Q,uarzrohr 6 liegenden Oberfläche die sie zu einem dielektrischen Spiegel machende Vielschichtbehandlung und andererseits am Umfang der gleichen Oberfläche einen optisch polierten Bereich auf, der mit dem entsprachenden Ende des Quarzrohres 6 in optischer Berührung ist, das ebenfalls auf gleiche Weise poliert ist und auf das die runde Scheibe zum Schweissen aufgelegt ist.
Dieses Polieren ist vorteilhaft auf an sich bekannte Weise mit Zeriumpulver vorgenommen.
.Eine Leistung von 100 bis 150 Watt wird ia Brennpunkt 4 auf der Berdhrungslinie 12 in a J, η em Fleck konzentriert, der sich gleichiücissig beiderseits der Berührungslinie \2 urntreckt. Der ochwöifisarbeitsgang iia^n Jrjnn gleichmütig du. :h,;:.i'iüirt werden, iii'lbni lie Boriihrur]^ jLi.i)(; 1-.! üu ι k-onsianter iiM-^ir^ ,,-uo.-.-iiwiri-
1 o 0 it ti.; .· ) fi )
BA ORIGINAL
digkeit bewegt wird. Für das Schweissen einer Scheibe mit einem Durchmesser von 4 cm werden gute Ergebnisse erzielt, wenn diese in drei bis fünf Minuten eine Umdrehung durchführt. Man erhält dadurch eine beträchtliche Zeitersparnis gegenüber den bekannten Klebeverfahren.
Man kann aber auch den Montierungsaufbau sehr schnell umlaufen lassen. In diesem Fall wird das Schweissen nicht in einer, sondern in mehreren Umdrehungen durchgeführt.
Fig. 2 zeigt eine elliptische Scheibe 13, die horizontal auf ein senkrechtes, zylindrisches (oiuarzrohr 14 aufgebracht ist, das einen kreisförmigen Querschnitt hat, jedoch eine schräge Achse in bezug auf die vertikale Drehachse einer Treibscheibe 15, an der sie durch ein Spannfutter 16 befestigt ist. Die Schräglage der Scheibe ist so gewählt, dass aus dem zylindrischen Rohr parallel zu seiner Achse austretende Lichtstrahlen sie unter dem Brewster*schen Winkel durchsetzt.
Die Berührungslinie 17 am Rand der beiden miteinander zu verschweissenden Flächen hat folglich die Form einer Ellipse, deren Mittelpunktslage beim Montieren durch die Achse einer Antriebswelle 1ö zum Antrieb der Treibscheibe 15 bestimmt wird. Die neiden miteinander zu verschweissenden Flächen werden, bevor i\\-t ζ um Verschlissen in Berührung miteinander gebracht werden, f!Mti£S"h -!oliert, Andererseits ist die Schweissqualitat ein-
-7-,^(5A8 BAD ORIGINAL
wandfrei, wenn die Montierung folgenden zwei wichtigen Bedingungen entspricht:
der Brennpunkt 4 muss auf der Berührungslinie 17 gehal-
nnearer
ten und dxe Berührungslinie 17 mit konstanter/Geschwindigkeit am Brennpunkt 4 vorbeigeführt werden. Zu diesem Zweck werden jeweils zwei Bezugsflächen verwendet, von denen die eine die genaue Stellung des Brennpunktes 4 und die andere den gleichförmigen Vorbeilauf der Berührungslinie 17 am Brennpunkt 4 gewährleistet .
Der Querschnitt der Treibscheibe 15 wird dadurch erhalten, dass der Vektorstrahl, der durch den Mittelpunkt einer der Ellipse 17 entsprechenden Ellipse geht, um eine konstante Lange über einen beliebigen Punkt dieser Ellipse hinaus verlängert wird.
Am Hand derTreibscheibe 15 wird mittels einer Rückholfeder 20 eines beweglichen Fusses 21, an dem ein die Fassung der Konvergenzlinse 3 tragender Schaft 22 befestigt ist, ein starr an Schaft 22 befestigter Arm 19 in Anlage gehalten. Auf diese Weise ist während der Drehung der Treibscheibe 15 stets ein gleichmässiger Abstand zwischen der Konvergenzlinse 3 und der Berührungslinie 17 gewährleistet, d.h. der Brennpunkt 4 auf dieser Berührungslinie 17 gehalten.
-8-
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Für den Antrieb der Treibscheibe 15 ist auf einer Antriebswelle 18, die in einem als Wellenlager dienenden Teil 25 drehbar ist, ein Zahnrad 24 befestigt, dessen Querschnitt zu demjenigen der Treibscheibe 15 homothetisch ist. Ein Zahnrad mit ringförmigem Querschnitt, das von einem Antriebsmotor 26 mit konstanter Drehzahl angetrieben ist, greift unter der Wirkung einer Rückholfeder 27 in das Zahnrad 24 ein. Die beiden am Teil 23 befestigten Rückholfedern 20 und 27 wirken auf den Fuss 21 bzw. den Motor 26 ein, die auf einem Paar Führungsschienen 28 verschieblich angeordnet sind, die/ebenso wie die restliche Montierung, auf einem Sockel 29 sitzen.
Diese Antriebsart der Treibscheibe gewährleistet, dass die Berührungslinie 17 mit konstanter linearer Geschwindigkeit am Brennpunkt 4 vorbeiläuft, der konstant auf dieser Berührungslinie gehalten ist.
Die Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens auf das Aufschweissen von Quarzscheiben auf Quarzrohre ist besonders zur Herstellung von Laser-Resonanzräumen vorteilhaft, die aufgrund der guten Wärmeeigenschaft und der hohen mechanischen Festigkeit des Quarzes besonders beständig sind, wenn sie später hohen Wärmebeanspruchungen beim Schweissen und mechanischen Beanspruchungen während des Betriebs ausgesetzt werden. Weiter kann bei einem einmal mit seinen verschiedenen Elektroden versehenen
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Resonanzraum leicht dadurch eine Entgasung seiner verschiedenen Bestandteile erzielt werden, dass man ihn in einem Ofen einer geeigneten Wärmebehandlung unterzieht.
Selbstverständlich können auch andere Werkstoffe als Quarz einem solchen Autogenschweissverfahren unterzogen werden, das gleichzeitig eine hohe Energiekonzentration auf einem Werkstoff mit geringer Wärmeleitfähigkeit und eine ausreichend örtliche Begrenzung bedingt, um eine Verformung der betreffenden Teile zu vermeiden.
Das Verschweissen von optischen Elementen, Spiegln mit dielektrischen Schichten oder Öffnungen mit Brewster*schem Einfallswinkel bildenden Blättern mit parallelen Flächen, ohne dass die Rohre zum Bilden von Resonanzräumen mit Lasereffekt verformt werden, ist besonders vorteilhaft, sowohl was die Qualität der hergestellten Geräte angeht, als auch deren Zuverlässigkeit, da alle Nachteile eines herkömmlichen Klebeverfahrens ausgeschaltet sind. Die Vorteile eines solchen Verfahrens Kommen bei jedem Anwendungsgebiet zur Geltung, bei dem optische Präzision, mechanische Haltbarkeit und chemische Reinheit gefordert sind, die sich aus deiu /.irkungsgrad des Verschweissens mit hoher JSnergiekonzentration ableiten lassen, das durch die Möglichkeit einer ausserordentlichen Konzentrierung in einen funkt eine sehr
ergibt.
f/'8j Ui, C 7

Claims (11)

- ίο - Patentansprüche:
1. Vorrichtung zum endlosen und verformungsfreien Aufschweissen von optischen Elementen auf ein zylindrisches Rohr zum Bilden eines dichten Hohlraums, dadurch gekennzeichnet, dass durch optische Mittel eine ständige Fokusierung der die Schweissenergie liefernden Strahlung auf der Berührungslinie (12, 17) der zwei miteinander zu verschweissenden Teile (5, 13; 6, 14) erzielt ist, deren zu verschweissende Flächen eben, optisch poliert und in optischem Kontakt sind, und dass die Berührungslinie (12, 17) im Brennpunkt (4) eine konstante lineare Geschwindigkeit hat.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Liefern der Schweissenergie ein Strahlenbündel paralleler Strahlen stimulierten Lichtes, beispielsweise ein Laser, zum Bündeln der Strahlen im Brennpunkt (4) eines optischen Systems (3) vorgesehen ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweiss-Laser (1) ein mit Karbongas arDeitender Molekularlaser und das optische System eine Konvergenzlinse (3) aus Natriumchlorid ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
oasi; sie eine r;ieh mit konstanter Winkelgeschwindigkeit drehende
BAD
Treibscheibe (7) aufweist, auf der die zu verscheiseenden Teile (5, 6) entsprechend einer ebenen und ringförmigen Linie befestigt sind, und dass die Drehachse der Drehscheibe (7) mit der Rotationssymmetrieachse der Linie zusammenfällt, auf der der Bildbrennpunkt des optischen Systems liegt (Fig. 1).
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das gemäss einer ringförmigen Linie auf ein zylindrisches Rohr (6) aufzuschweissende Element eine Scheibe (5) mit dielektrischem Vielschichtspiegel ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gemäss einer elliptischen Linie zu verschweissenden Teile auf einer Treibscheibe (15) befestigt sind, die parallel zur Ebene der Berührungslinie (17) angeordnet ist und eine Querschnittsform hat, die sich durch Vergrössern der Ellipse um eine konstante Strecke ergibt, die vom Umfang der Ellipse ausgehend auf durch ihren Mittelpunkt verlaufenden Vektorstrahlen abgetragen ist (Fig. 2).
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das optische System zum Konzentrieren der Strahlung auf einem beweglichen Träger (21, 22) mit einem Abstandsstück (19) und einer Rückholfeder (20) angeordnet ist, die den ständigen Kontakt des Abstandsstückes (19) mit der Treibscheibe (15) gewährleistet.
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8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zahnrad (14) mit zu dem der Treibscheibe (15) homothetischer Querschnittsform auf der Welle der Treibscheibe (15) befestigt ist und durch eine Rückholfeder (27) ständig mit einem zylindrischen Zahnrad (25) mit kreisförmigem Querschnitt zusammenwirkt, das von einem Antriebsmotor (26) mit konstanter Drehzahl angetrieben ist.
9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (21, 22) des optischen Systems und der Antriebsmotor (26) in ein- und demselben Paar Führungsschienen (28) mit parallelen Gleitflächen verschieblich sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das gemäss einer elliptischen Linie zu schweissende Element eine zwei parallele Oberflächen aufweisende Scheibe ist, die eine Austrittsöffnung bildet, die für im Innern des zylindrischen Rohres (14) parallel zu dessen Achse verlaufende Strahlung Brewster 1ScIIe Einfallswinkel aufweist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Bildung eines den Resonanzraum eines Lasers darstellenden dichten Hohlraums miteinander zu versohweissenden Teile (5, 6; 13, 14) aus Quarz bestehen.
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