DE19955574A1 - Masseoptimierter Laserspiegel zur Laserbearbeitung und Verfahren zur Kühlung der masseoptimierten Spiegel bei der Laserbearbeitung - Google Patents

Masseoptimierter Laserspiegel zur Laserbearbeitung und Verfahren zur Kühlung der masseoptimierten Spiegel bei der Laserbearbeitung

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen masseoptimierten Spiegel zur Laserbearbeitung und ein Verfahren zur Kühlung der masseoptimierten Spiegel bei der Laserbearbeitung. DOLLAR A Sie findet bevorzugt bei der Laserbearbeitung, insbesondere für strahlformende Laserspiegel für zwei- und dreidimensionale Laseroberflächenbearbeitung von Halbzeugen oder Fertigprodukten aus beliebigen Werkstoffen und Werkstoffkombinationen, beispielsweise als Scannerspiegel, Anwendung (beispielsweise Abtragen, Bohren, Schneiden, Schweißen, Härten, Beschichten usw.). DOLLAR A Bei dem masseoptimierten Spiegel ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Dicke des Spiegels auf das zwingend notwendige Mindestmaß reduziert ist und die dadurch nicht mehr gewährleistete Selbstkühlung des Spiegels durch mindestens eine mit dem Spiegel gekoppelte zusätzliche Kühleinrichtung kompensiert wird. DOLLAR A Bei dem Verfahren zur Kühlung der masseoptimierten Spiegel ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß der masseoptimierte Spiegel während des Laserbearbeitungsprozesses derart gekühlt wird, daß über eine Düse ein expandierendes Gas genau auf die Stelle der Spiegeloberfläche (Reaktionsfläche), auf die der Laserstrahl unmittelbar auftrifft, geblasen wird, ohne daß dabei der Laserstrahl selbst beeinflußt wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Spiegel zur Laserbearbeitung und ein Verfahren zur Kühlung der Spiegel bei der Laserbearbeitung, wobei diese Spiegel in ihrer Masse optimiert sind. Die Erfindung kann bevorzugt bei der Laserbearbeitung, insbesondere für strahlformende Laserspiegel für zwei- und dreidimensionale Laseroberflächenbearbeitung von Halbzeugen oder Fertigprodukten aus beliebigen Werkstoffen und -kombinationen, beispielsweise Scannerspiegel, eingesetzt werden (beispielsweise Abtragen, Bohren, Schneiden, Schweißen, Härten, Beschichten usw.). Die Erfindung findet insbesondere beim Plasmatiefschweißen, beim Wärmeleitschweißen, beim Verdampfen von Kunststoffoberflächen mit einer Bearbeitungsgeschwindigkeit v bis zu 300 m/s, beim Hochgeschwindigkeitsschweißen im makrokristallinen Bereich, bei der Erzeugung von Strahlprofilen und bei der Kunststoffbearbeitung mit einem Top-Hat-Profil (Zylinderhut-Profil) der Laserbearbeitung Anwendung.
Beim Umgang mit Laserleistungen < 2 kW von CO2-Lasern (λ = 10,6 µm), Nd:YAG- Lasern (λ = 1,06 µm) und Diodenlasern (λ = 0,94 µm) werden bevorzugt metallische Spiegeloptiken eingesetzt. Aufgebaut sind diese Spiegel aus dem Spiegelkörper und dem zur Realisierung der Wasserkühlung angeflanschten oder integrierten Kühlkörper (vgl. EP 0570142 und US 5303081). Am häufigsten kommen metallische Spiegelkörper aus Kupfer oder Aluminium zur Anwendung, bei denen gleichzeitig die gute Wärmeleitfähigkeit genutzt wird. Bei den Spiegeloberflächen werden Reflexionsgrade bis zu 99% angegeben. Durch Auftragen von Schichten wird der meist unzureichenden chemischen Beständigkeit und der geringen Kratzfestigkeit entgegengewirkt, wobei dabei die Reflexion geringfügig vermindert werden kann. Trotz des hohen Reflexionsgrades der Spiegeloberfläche ergeben sich bei Laserleistungen im Bereich < 1 kW Temperaturerhöhungen im Bereich von einigen 10 K.
Bei Kupferspiegeln wird vordergründig die gute Wärmeleitfähigkeit (402 W/mK) für die notwendige Kühlung des Spiegels, die bei sehr dickem Kupferspiegelkörper auch gelegentlich ohne Wasserkühlung auskommen kann, wenn die Selbstkühlung durch Wärmeleitung des Kupferspiegels hierfür ausreichend ist, gesehen und die Nachteile der hohen Massendichte (8,93 g/cm3) in Kauf genommen. Wegen der notwendigen Kühlung, der guten Wärmeleitfähigkeit, der notwendigen Steifigkeit bei der Fertigung (Herstellung) und im Gebrauch werden die Kupferspiegel allgemein mit großer Dicke ausgeführt. So werden beispielsweise allgemein übliche Planspiegel mit einer vom Durchmesser abhängigen Dicke von 10 mm (bei ∅ 25 mm) und von 30 mm (bei ∅ 150 mm) angeboten.
Für Scannerspiegel ist eine extrem kleine Masse des Spiegelträgers zur Erreichung hoher Scanfrequenzen Voraussetzung. In EP 0570152 werden wassergekühlte Laserstrahlscannerspiegel vorgeschlagen und insbesondere in den Fig. 3, 4, 5, 6, 7 und 8 beschrieben. Nachteilig dabei ist neben der vorgeschlagenen Wasserkühlung zusätzlich die aufwendige konstruktive Ausführung (insbesondere unter Berücksichtigung der Anforderungen an Masse und Steifigkeit). Insbesondere durch die damit einhergehende Masseerhöhung werden nur kleinere Ablenkfrequenzen ermöglicht, was die Anwendungsbreite stark einschränkt. Aber auch bei Strahlführungssystemen, wo die Spiegel zwar nur langsam bewegt werden, wie beispielsweise in Flexarmen (Gelenkarmen) durch Industrieroboter, wird ebenfalls eine möglichst geringe Masse und hohe Steifigkeit der Umlenkspiegel für das Strahlführungssystem gefordert.
Bei wassergekühlten Laserspiegeln, wo mit Drücken bis zu 6 bar gearbeitet wird und gegebenenfalls Druckstöße zu erwarten sind, ist weiterhin üblich der Forderung nach größerer Steifigkeit wiederum durch große Dicken der Laserspiegel entgegenzuwirken, um ein Verbiegen der Spiegeloberfläche zu verhindern. Dabei ist die Durchbiegung umgekehrt dem E-Modul und der dritten Potenz ihrer Dicke proportional. Die notwendige Erhöhung der Dicke ist aber gleichzeitig mit dem unerwünschten Masseanstieg verbunden.
Im Stand der Technik (vgl. EP 0570152 und US 5303081) wird weiterhin versucht dem unerwünschten Temperaturanstieg bei Laserspiegeln durch Anflanschen oder Integrieren eines wassergekühlten Kühlkörpers entgegenzuwirken, wie beispielsweise Ausarbeiten von Kühlkanälen in den massiven metallischen Spiegelkörper. Dabei ist aber das Ausarbeiten von Kühlkanälen in einen massiven metallischen Kupferkörper sehr schwierig und ist meist mit Kompromissen hinsichtlich Masse, Steifigkeit und Kühleffekt verbunden.
Bekannt und üblich ist weiterhin, bei Kupferspiegeln, die für höhere Laserleistungen verwendet werden sollen, zur thermischen Stabilisierung eine intensive Wasserkühlung einzusetzen. Die erhöhte Oberflächentemperatur wird dabei durch den massiven Kupferträger hindurch an die intensive Wasserkühlung geleitet und dadurch versucht, den Spiegel thermisch zu stabilisieren. Diese Methode ist üblich und wird allgemein praktiziert, sie stellt aber eine prinzipiell falsche Methode dar.
Darüber hinaus sind noch Wasserkühlungen zur Kühlung der Spiegel denkbar (vergleiche beispielsweise DE 196 22 472 C1, aber diese können beispielsweise bei Schwingspiegeln nie sinnvoll eingesetzt werden, da durch die Wasserkühlung, bzw. durch die Einrichtungen dafür, diese Schwingspiegel eine zu große Masse erhalten würden und damit das notwendige Schwingen des Schwingspiegels nicht mehr, bzw. nur noch sehr stark eingeschränkt (d. h. auf maximal 50 Hz) möglich wäre. Außerdem würden durch diese großen Massen auf alle Fälle das Schwingverhalten und dessen Regelung sehr nachteilig beeinflußt.
Von Modelluntersuchungen zum Materialabtragen mittels Laserstrahlen ist bekannt, daß Laserstrahlen in Metalle nicht bzw. nur wenig unter die Oberfläche eindringen (vgl. beispielsweise DE 195 08 584 C1). So beträgt beispielsweise die Eindringtiefe von Rubinlaserstrahlung bei Wolfram 0,025 µm [Visser "Laser oder Elektronenstrahlen?" in "Laser und angewandte Strahlentechnik" 2 (1970) 1 und Pahlitzsch und Visser "Bearbeitbarkeit verschiedener Werkstoffe durch Laser- und Elektronenstrahlen" in VDI-Zeitschrift (1968) Nr. 25 - September (I) - S. 1111-1120]. Die Erwärmung der tieferliegenden Schichten erfolgt dabei durch Wärmeleitung.
Des weiteren ist aus Dissertationen und anderen Veröffentlichungen (beispielsweise JP 8211210 und US 4932767) bekannt, daß die Spiegel (im Regelfall werden bei Industrieanwendungen hierfür Kupferspiegel eingesetzt), die bei der Laserbearbeitung mittels Laser hoher Leistung eingesetzt werden, zu deren Kühlung rückseitig mit einer Wasserkühlung versehen werden müssen. Es wird in diesen Veröffentlichungen darauf hingewiesen, daß diese Wasserkühlung sehr dicht/direkt unter der Spiegeloberfläche erfolgen sollte. Dies ist mit den in den Veröffentlichungen aufgezeigten Lösungen nicht bzw. nicht richtig möglich, da die eingesetzten Spiegel eine zu große Dicke und Masse aufweisen, um eine Kühlung direkt unter der Spiegeloberfläche realisieren zu können. Die Tatsache, daß die Spiegelkühlung direkt unter der Spiegeloberfläche mit diesen Lösungen des Standes der Technik nicht möglich ist hat zur Folge, daß sich durch die Energie des auftreffenden Laserstrahles die Spiegeloberfläche überhitzt und deformiert, was Ungenauigkeiten und damit Präzisionsverluste bei der Laserstrahlablenkung durch den Spiegel mit sich bringt. Dadurch ist ein Einsatz für hoch präzise Laserbearbeitung mit Hochleistungslasern für diese Verfahren nach dem Stand der Technik nicht möglich. Ein weiterer Nachteil dieser Verfahren nach dem Stand der Technik ist, daß sie für eine hoch präzise Laserbearbeitung nur dann verwendbar sind, wenn Laser mit geringerer Laserleistung zum Einsatz kommen. Das aber wiederum bedeutet, daß die Verfahren nach dem Stand der Technik nicht eingesetzt werden können, wenn die beabsichtigte Laserbearbeitung einen Laser höherer Leistung (Laserleistung < 1 kW) zwingend erfordert.
Um auch bei der Laserbearbeitung mittels Hochleistungslasern (ab 1 kW) mit hoher Präzision arbeiten zu können, gab es Untersuchungen dazu, ob die Masse und Dicke des Spiegels für die Laserbearbeitung reduziert werden kann. Diese Überlegungen scheiterten aber daran, daß sich dünnere Spiegel bereits bei wirkenden Wasserdrücken von ≦ 6 . 105 Pa durch die Wasserkühlung deformieren und somit eine hoch präzise Laserbearbeitung ebenfalls nicht möglich ist.
Aus EP 0418519 ist darüberhinaus beim Einsatz in Laserschweißprozessen eine Möglichkeit bekannt, bei der die Prozeßdurchführung ohne Wasserkühlung realisiert wird. Dabei werden ganz definiert Spiegelstrukturierungen eingesetzt und die Spiegelkühlung erfolgt mit gasförmigem Stickstoff. Die Lösung aus EP 0418519 erfordert jedoch zwingend, daß der Spiegel stabil in einer gekühlten Fassung gehaltert ist. Daraus folgert aber, daß diese Spiegelvariante für einen Einsatz als Scannerspiegel aufgrund der für sie zwingend notwendigen Randbedingungen undenkbar ist und daß dadurch diese Spiegelvariante in ihrer Anwendungsbreite sehr stark eingeschränkt ist.
Es ist nunmehr Aufgabe der Erfindung, einen masseoptimierten Spiegel zur Laserbearbeitung vorzuschlagen, der die Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist.
Es ist somit Aufgabe der Erfindung einen masseoptimierten Spiegel der genannten Art anzugeben, bei dem auch bei hohen Laserleistungen bzw. hohen Laserleistungsdichten die spiegelnde Oberfläche nicht deformiert wird, bei dem Überhitzung ausgeschlossen werden kann, der auch komplikationslos als Schwingspiegel/Scannerspiegel, bei welchem die Schwingfrequenz präzise regelbar ist, eingesetzt werden kann und der in einer großen Anwendungsbreite einsetzbar ist.
Es ist auch Aufgabe der Erfindung, einen masseoptimierten Spiegel der genannten Art aufzuzeigen, der insbesondere für schnelle Ablenkbewegungen, Strahlführungssysteme, wo extreme Massereduzierungen gefordert werden und für Bearbeitungsköpfe, wo konstruktiv bedingt nur begrenzte Platzverhältnisse zum Einbau zur Verfügung stehen, einsetzbar ist.
Darüberhinaus ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Kühlung des masseoptimierten Spiegels zu entwickeln, mit dem die Nachteile des Standes der Technik beseitigt werden können.
Demgemäß ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren der genannten Art vorzuschlagen, durch welches der masseoptimierte Spiegel realisiert werden kann, das beim Einsatz des masseoptimierten Spiegels nicht hinderlich ist bzw. die Anwendungsbreite des masseoptimierten Spiegels nicht einengt.
Diese Aufgaben werden den Spiegel betreffend erfindungsgemäß mit einem masseoptimierten Spiegel gemäß einem oder mehreren der Ansprüche von 1 bis 24 und das Verfahren zur Kühlung des masseoptimierten Spiegels betreffend gemäß einem oder mehreren der Ansprüche von 25 bis 31 gelöst.
Der masseoptimierte Spiegel, insbesondere strahlformende Laserspiegel, der insbesondere für die zwei- und dreidimensionale Oberflächenbearbeitung von Halbzeugen oder Fertigprodukten aus beliebigen Werkstoffen und Werkstoffkombinationen (beispielsweise sind hier Scannerspiegel gemeint), zur Laserbearbeitung insbesondere mit Laserleistungen bis zu 20 kW ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Spiegels auf das zwingend notwendige Mindestmaß reduziert ist und die dadurch nicht mehr gewährleistete Selbstkühlung des Spiegels durch mindestens eine mit dem Spiegel gekoppelte zusätzliche Kühleinrichtung kompensiert wird. Dabei sollte die zwingend notwendige Mindestdicke so gewählt werden, daß der Spiegel sich während des Laserbearbeitungsprozesses nicht verformt, insbesondere eine Deformation durch das eventuell mit Druck auf die Spiegeloberfläche auftreffende Kühlungsmittel und/oder bei Scannerspiegeln die Schwingdeformation unterbunden ist, und daß gerade noch eine übliche optische Bearbeitung (beispielsweise Diamantfräsen) erfolgen kann.
In bestimmten Anwendungsfällen ist es von Vorteil, wenn der gesamte Spiegel aus einem gut temperaturleitfähigen/wärmeleitfähigen und hochreflektierendem Material, beispielsweise Kupfer und/oder Molybdän und/oder Silber und/oder Gold und/oder Aluminium und/oder deren Legierungen, besteht.
In anderen Anwendungsfällen ist es günstig, wenn der Spiegelgrundkörper aus einem gut temperaturleitfähigen/wärmeleitfähigen Material, beispielsweise eine Keramik, wie z. B. Siliciumcarbid und/oder Si-infiltriertes Siliciumcarbid (SiSiC), Siliciumnitrid, Silicium, Diamant, ein Metall und/oder einer Metallverbindung, besteht und der Spiegel an seiner spiegelnden Oberfläche mit dem gut temperaturleitfähigen und hochreflektierenden Material (beispielsweise Kupfer und/oder Molybdän und/oder Aluminium und/oder Silber und/oder Gold) beschichtet ist. Dabei kann die Beschichtung der Oberfläche des Spiegels mit dem hochreflektierenden und gut temperaturleitfähigen/wärmeleitfähigen Spiegelmaterial so aufgebaut sein, daß der Übergang vom reinen Grundmaterial des Spiegels zum Material der spiegelnden Oberfläche des Spiegels kontinuierlich über eine Gradientenschicht erfolgt, wie es beispielsweise mittels bekannter Rapid- Prototyping-Verfahren erhalten werden kann, wobei diese Beschichtung anschließend in bekannter Weise nach- und feinbearbeitet (z. B. feingeschliffen) werden kann. Sofern die für den konkreten Anwendungsfall notwendige Haftfestigkeit der Beschichtung aus hochreflektierendem und gut temperaturleitfähigem/wärmeleitfähigem Spiegelmaterial auf der Oberfläche des Spiegelgrundkörpers erreicht wird, kann auch diese Beschichtung für diesen Anwendungsfall vorteilhafterweise so aufgebaut sein, daß der Übergang vom reinen Grundmaterial des Spiegels zum Material der spiegelnden Oberfläche des Spiegels abrupt erfolgt und sich zwischen Spiegelgrundmaterial und der spiegelnden Oberfläche des Spiegels eine Grenzfläche befindet, was erreicht werden kann, wenn beispielsweise die spiegelnde Oberfläche des Spiegels als Film durch Adhäsion auf das Spiegelgrundmaterial aufgebracht und/oder als Schicht oder Film auf das Spiegelgrundmaterial aufgepreßt (beispielsweise durch heißisostatisches Pressen -HIP-) ist.
Es ist weiterhin von Vorteil, wenn die spiegelnde Oberfläche des Spiegels zur Erhöhung der Kratzfestigkeit mit einer hauchdünnen, die spiegelnde Wirkung nicht nachteilig beeinflussenden Schutzschicht (Schutzfilm) versehen ist, wodurch die Anwendungsbreite weiter erhöht wird. Als eine solche hauchdünne Schutzschicht kann beispielsweise eine hauchdünne Kohlenstoffschicht eingesetzt werden. Diese hauchdünne Schutzschicht kann durchaus auch eine Antireflexschicht, beispielsweise ThF4ZnSe-Schicht, sein, wobei unter hauchdünn zu verstehen ist, daß diese Schicht nicht dicker sein darf als die halbe Laserlichtwellenlänge.
Bei dem erfindungsgemäßen masseoptimierten Spiegel hat es sich als äußerst vorteilhaft herausgestellt, wenn für die zusätzliche Kühlung des Spiegels Einrichtungen vorgesehen werden, die eine Kühlung mittels eines Gases, vorzugsweise eines expandierenden Gases, ermöglichen. Es wird hierbei vorteilhafterweise zusätzlich zur Gaskühlung die adiabatische Entspannung eines Gases zur zusätzlichen Kühlung des Spiegels genutzt. Dabei hat es sich als sehr vorteilhaft erwiesen, wenn das expandierende Gas, das zur Spiegelkühlung vorgesehen ist, rein und getrocknet, d. h. partikelarm, ist und es hat sich als günstig und kostensparend erwiesen, den Spiegel mittels Druckluft zu kühlen. Diese Kühlung des Spiegels mittels des expandierenden Gases kann dann je nach Anwendungsfall vorzugsweise an der Spiegelvorderseite und Spiegelrückseite gleichzeitig oder, wenn dies für die optimale Spiegelkühlung ausreichend ist, ausschließlich an der Spiegelvorderseite oder ausschließlich an der Spiegelrückseite erfolgen.
Für den Fall, daß der Spiegel nur an seiner Vorderseite gekühlt wird, ist es nicht zwingend, daß das Spiegelgrundmaterial gut temperaturleitfähig/wärmeleitfähig ist, wenn die spiegelnde Oberfläche gut temperaturleitfähig/wärmeleitfähig und gut reflektierend ist. Für diesen Fall ist es vorteilhaft, wenn das Spiegelgrundmaterial Diamant, Silicium, Quarz, Glas und/oder Quarzglas ist.
Für den Fall, daß der Spiegelgrundkörper des masseoptimierten Spiegels aus Diamant besteht, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn dieser masseoptimierte Spiegel aus Diamant auf seiner der Laserstrahlung zugewandten Seite eine hauchdünne Antireflexschicht und auf der Spiegelrückseite eine hauchdünne Reflexschicht aufweist.
Für den Fall, daß der Spiegel an seiner Vorder- und Rückseite gleichzeitig oder ausschließlich an seiner Rückseite gekühlt wird hat es sich zur Verbesserung der Kühlung (Verwirbelung der Luft größere Oberfläche für Wärmeaustausch) und für alle angesprochenen Varianten der Spiegelkühlung zur Verbesserung der Stabilität, der Strahlbeständigkeit (Bestrahlungsdichte) und zur Realisierung der optischen Bearbeitungsqualität des Spiegels als vorteilhaft erwiesen, wenn der Spiegel an seiner Rückseite eine Rippenstruktur aufweist.
Das Verfahren zur Kühlung der masseoptimierten Spiegel gemäß einem oder mehreren der Ansprüche von 1 bis 24 ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß der masseoptimierte Spiegel während des Laserbearbeitungsprozesses derart gekühlt wird, daß über eine Düse ein expandierendes Gas (vorzugsweise Druckluft), das vorteilhafterweise vor dem Einsatz gereinigt und getrocknet (partikelfrei und trocken) wird, genau auf die Stelle der Spiegeloberfläche (Reaktionsfläche), auf die der Laserstrahl unmittelbar auftrifft, geblasen wird, ohne daß der Laserstrahl selbst beeinflußt wird. Dabei hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn das expandierende Gas (vorzugsweise Druckluft) mit einem Druck von 0,5 .105 Pa bis 2 . 105 Pa und einer Strömungsgeschwindigkeit von 10 bis 500 NI (NI = Normliter = 1 Liter Luft bei 105 Pa und 20°C) pro Minute auf die Reaktionsfläche geblasen wird.
In bestimmten Anwendungsfällen, beispielsweise, wenn eine Spiegelkühlung ausschließlich an der Reflektionsfläche (also Spiegelvorderseite) nicht ausreichend ist, ist es für das Verfahren zur Kühlung der masseoptimierten Spiegel von Vorteil, wenn der Spiegel zusätzlich auch an der Spiegelrückseite, beispielsweise durch Anblasen mit einem expandierenden Gas (beispielsweise Druckluft), das vorzugsweise auch gereinigt und getrocknet (partikelarm und trocken) ist, gekühlt wird. Wenn die Spiegelrückseite bei der Spiegelkühlung mit eingesetzt wird, hat es sich zur Verbesserung der Kühlung (Verwirbelung der Luft, größere Oberfläche für Wärmeaustausch) und für alle angesprochenen Varianten der Spiegelkühlung zur Verbesserung der Stabilität, der Strahlbeständigkeit (Bestrahlungsdichte) und zur Realisierung der optischen Bearbeitungsqualität des Spiegels als vorteilhaft erwiesen, wenn der Spiegel auf seiner Rückseite eine Rippenstruktur aufweist, die beispielsweise für den Fall, daß das Spiegelgrundmaterial Silicium (vorzugsweise einkristallines Silicium) ist, mittels Ätzen (vorzugsweise anisotropes Ätzen gemäß US 4,600,934) hergestellt werden könnte.
Es hat sich im Laufe der Untersuchungen herausgestellt, daß mit den Lösungen des Standes der Technik keine masseoptimierten Spiegel realisierbar sind, wenn mit höheren Laserleistungsdichten gearbeitet werden soll und/oder wenn die spiegelnde Wirkung des Spiegels hochpräzise sein soll. Nur mit einem Verfahren zur Spiegelkühlung, wie es hier erfindungsgemäß beschrieben ist sind solche masseoptimierten Spiegel sinnvoll auch bei höheren Laserleistungsdichten realisierbar und einsetzbar, was besonders im Bereich der Scannerspiegel ein großer Vorteil ist, da je leichter (masseoptimierter) die Spiegel sind, desto kleiner ist ihr Trägheitsmoment, was bedeutet, das mit den masseoptimierten Spiegeln beim Einsatz als Scannerspiegel viel höhere Schwingfrequenzen möglich sind.
Die hier beschriebene Erfindung hat gegenüber dem bekannten Stand der Technik besonders große Vorteile im Bereich der Scannerspiegel. Es sind bis heute im Stand der Technik keine Spiegel bekannt, mit denen ein geformter Rohlaserstrahl im Bereich bis zu 20 kW umgelenkt werden kann, die mit einer Kühlung versehen sind und bis zu einer Frequenz von 500 Hz angesteuert werden können. Im bekannten Stand der Technik gibt es keine derartige Lösungen und es gibt im Stand der Technik erst recht keine derartigen Lösungen, die für eine Industrieanwendung tauglich sind. Mit der hier vorgeschlagenen Lösung wird aber nunmehr eine Lösungsmöglichkeit aufgezeigt mit der die zugrunde liegende Aufgabe gelöst wird, alle Nachteile des Standes der Technik beseitigt werden und die industriell breite Anwendung finden kann.
Überraschenderweise wurde nun gefunden, daß nur die Oberflächenschichten des Spiegels, die im direkten Strahlungseinfluß stehen, gekühlt werden müssen. Somit konnte ermittelt werden, daß diese Oberflächenschichten den Hauptteil des Kühlungsbedarfes des Spiegels erfordern. Es wurde überraschenderweise gefunden, daß dieser Kühlungsbedarf des Spiegels nicht wie bisher allgemein angenommen vom Wärmeleitkoeffizienten des Festkörpers bestimmt wird, sondern daß dieser Kühlungsbedarf vielmehr vom Wärmeübergangskoeffizienten des Festkörpers zum Kühlgas abgeleitet wird, der ein Vielfaches des Wärmeleitkoeffizienten beträgt, wenn ein Gas zur Kühlung eingesetzt wird. Das Gefundene konnte in mehreren Versuchsdurchführungen bestätigt werden.
Die erzielten Ergebnisse konnten weiter vervollständigt und verbessert werden, indem durch Wärmeleitung übertragene Energie zusätzlich an der Spiegelrückseite mittels einer Gasströmung abgeführt wurde.
Mit der hiermit vorgeschlagenen Lösung wird eine ideale Lösung der gestellten Aufgaben aufgezeigt, die mit den Lösungen des Standes der Technik in keinster Weise vergleichbar ist. Besonders vorteilhaft wirkt bei der hier vorgeschlagenen Lösung eine adiabatische Zustandsänderung des Gases, die durch Entspannung des Gases im Düsensystem zu einer Temperaturabsenkung führt. Diese vorgeschlagene Lösung konnte auch im Bereich höherer Laserstrahlleistungen bis 20 kW, die höheren Kühlungsbedarf aufweisen, erfolgreich angewandt werden. Dabei wird die genau errechnete Gasmenge (beispielsweise durch Verdampfung von flüssigem Stickstoff) mit tiefen Temperaturen den Spiegeloberflächen zugeführt und dadurch Wärme vom Gas absorbiert und abgeführt, wobei die Berechnung der Gasmenge nach den allgemein üblichen Formeln erfolgt.
Die Aufgaben werden, wie in den Patentansprüchen und in der oben genannten Beschreibung der Erfindung geschrieben erfindungsgemäß gelöst, indem für die höheren Laserleistungen bei der Lasermaterialbearbeitung die Spiegelaufgaben nicht mehr wie beim bekannten Stand der Technik funktionell geteilt werden (nach dem Stand der Technik: Spiegelfläche und Ableitung der entstehenden Temperaturerhöhung an der Spiegeloberfläche durch den Kupferkörper mittels Wasserkühlung, durch Kühlbohrungen oder angeflanschte Kühlplatten), sondern die Kühlung der Spiegeloberfläche nach der erfindungsgemäßen Lösung bereits an der Verursacherstelle der Temperaturerhöhung erfolgt. Damit kann auf die große Masse des Spiegels bei Laserspiegeln, die bisher nach dem Stand der Technik als notwendiger Wärmespeicher (Kapazität) zwingend war, verzichtet werden. Mit der vorgeschlagenen erfindungsgemäßen Lösung können Laserspiegel mit den bekannten Vorteilen der Metalloptiken für die Bearbeitung im Multikilowattbereich erstmals extrem massearm gestaltet werden. Einschränkungen hinsichtlich geringer Dicken bestehen bei der erfindungsgemäßen Lösung nur noch durch die Fertigung, hinsichtlich der mindestens geforderten optischen Qualität an die Spiegeloberfläche und der notwendigen statischen bzw. dynamischen Festigkeiten/Steifigkeiten des Spiegelträgers.
An dieser Stelle sollte noch angemerkt werden, daß wenn davon ausgegangen wird, daß nur eine ganz geringe Oberflächenstruktur Träger des größten Anteils von Wärmeenergie ist, muß die Oberfläche gekühlt werden. Hierfür kann nur Gas mit größter Reinheit (z. B. gereinigte Luft) verwendet werden. Im Inneren des Spiegels unterliegt die Ableitung der Wärmeenergie den Gesetzmäßigkeiten der Wärmeleitung. Für die Kühlung wird vorteilhafterweise Druckluft verwendet. Diese muß trocken, ölfrei und frei von Schwebstoffen sein. Sie wird in Düsen auf die Vorderseite des Spiegels oder die Vorder- und Rückseite des Spiegels gleichzeitig geblasen. Speziell auf der Reaktionsfläche ist es wichtig, daß die Düsen genau in Richtung der bestrahlten Fläche zeigen und die Luft kalt und stetig ohne Verwirbelungen zugeführt werden kann. Durch die adiabatische Entspannung bis zum Spiegel entsteht ein Temperatursturz in der Luft, der vorteilhaft die Kühlwirkung im Wärmeaustausch mit den Spiegeloberflächen verstärkt.
Es ist bei der Bestrahlung des Spiegels nicht entscheidend, welche Temperatur zu einem stationären Zustand führt, sondern wie dick die absorbierende Spiegeloberflächenschicht ist. Die absorbierte Wärme ist daher in engem Zusammenhang mit der Oberflächenrauhigkeit zu sehen und nicht von der Planheit abhängig, die ein Maß für die Reflektionsgüte der Abbildung ist. Gleiches gilt auch für strahlformende Spiegel.
Mit diesen Ausführungen sollte verdeutlicht werden, daß beim Spiegel die Kühlung der reflektierenden Fläche wichtiger ist, als die Kühlung der Spiegelrückseite. Die Grundidee der erfindungsgemäßen Lösung ist, daß die Temperatur, die auf der reflektierenden Fläche des Spiegels entsteht, auch an dieser reflektierenden Spiegelfläche oder zumindest zu einem großen Teil an dieser reflektierenden Spiegelfläche wieder entfernt wird. Das ist vom Denkansatz deshalb neu, weil man bisher nach dem Stand der Technik die Kühlung der Reflektionsfläche nicht für möglich gehalten hat.
Die Besonderheit beim Schwingspiegel (Scannerspiegel) ist, daß die Masse besonders klein sein soll und damit auch die Kühlleistung genau auf die Anwendung abgestimmt sein muß. Geht man davon aus, daß die Oberflächentemperatur des Spiegels trotz Gaskühlung sehr hoch ist, kann mit geringen Gasmengen wegen der großen Temperaturdifferenz Gas - Spiegel ausreichend gekühlt werden. Für die Gaszuführung können nach Berechnung der Wärmeleitwerte der Kontaktwerkstoffe (beispielsweise Luft - Kupfer) und dem Reflektionsgrad des Spiegels genaue Berechnungen durchgeführt werden.
Mit der hier dargestellten Erfindung konnten sämtliche Nachteile des Standes der Technik beseitigt werden.
Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele dienen der näheren Erläuterung der Erfindung.
1. Ausführungsbeispiel
Zur Durchführung eines Laserhärtungsprozesses (CO2-Laser; Laserleistung 3865 W; zu bearbeitender Werkstoff Stahl C45; Defokussierung des oszillierenden Laserspots 10,4 mm; Auslenkung des Spots über die Spurbreite (2 × Amplitude) 18,2 mm; Bahngeschwindigkeit 403 mm/min) werden je ein Scannerspiegel und ein Umlenkspiegel eingesetzt. Beide Spiegel bestehen aus einem gesintertem Bronzetarget, das an seiner Reflektionsfläche mit einer Cu-Schicht beschichtet ist. Die in diesem Beispiel galvanisch aufgetragene Cu-Schicht ist 20 µm dick, so daß gerade noch eine übliche optische Bearbeitung (beispielsweise Diamantfräsen) erfolgen kann. Bei beiden Spiegeln ist das gesinterte Bronzetarget an seiner Rückseite (also die Seite, die nicht mit der Cu-Schicht versehen ist) mit rippenförmigen Versteifungen zur Verbesserung der Kühlung, Stabilität und zur Realisierung der optischen Bearbeitungsqualität versehen. Beide Spiegel haben folgende Abmessungen und Prozeßdaten:
1. Scannerspiegel: Durchmesser 32 mm, Dicke 2,5 mm, Masse 12,5 g, Schwingfrequenz 200 Hz, Auslenkwinkel +/-2,5°
Bei dem Scannerspiegel ist der Spiegel auf den Spiegelträger, der an der Galvanoscannerwelle mittels Schrauben befestigt ist, mit einem geeigneten Kleber geklebt, wobei die Klebeflächen zur Verbesserung der Haftung vorzugsweise vorher aufgerauht sein sollten.
2. Umlenkspiegel: Durchmesser 36 mm, Dicke 3,5 mm Masse 16,5 g
Es sei an dieser Stelle jedoch angemerkt, daß anstelle der Sinterbronze als Spiegeltargetmaterial (Spiegelgrundmaterial) auch Silicium, Keramik oder Kohlenstoff-Faser-Kompositionen dienen können und für den Fall, daß nur mittlere Laserleistungen (Laserleistung 1 bis 3 kW) zum Einsatz kommen kann der Spiegel auch aus massivem Kupfer sein.
Die Kühlung beider Spiegel während des Bearbeitungsprozesses erfolgt durch gezieltes Anblasen der Spiegelvorderseite und der Spiegelrückseite mittels partikelfreier getrockneter (Restwassergehalt = 0,0033 g/m3; Restölgehalt </= 0,003 mg/m3; Wirkungsgrad des Partikelfilters 99,99999% bezogen auf eine Teilchen größe von 0,01 µm) Druckluft (Durchflußmenge: Spiegelvorderseite = 50 l/min und Spiegelrückseite = 22 l/min). Die zum Anblasen mit der Druckluft verwendeten Düsen gestalten sich wie folgt:
1. Anblasen der Reflektionsfläche des Spiegels
Die Düse ist fächer- bzw. flächenförmig gestaltet, es wird mit der Druckluftströmung der gesamte belastete Teil der Spiegeloberfläche abgedeckt (vorteilhaft ist der Einsatz einer Fächerstrahldüse) und die Düse steht schräg zur Spiegeloberfläche im Winkel von 15°.
2. Anblasen der Spiegelrückseite
Es werden analoge Düsenkanäle, vorzugsweise Lavaldiffusor, eingesetzt, wie beim Anblasen der Spiegelvorderseite (Reflektionsfläche des Spiegels) Allerdings wird zur Kühlung der Spiegelrückseite die Druckluft nahezu senkrecht auf die Oberfläche geblasen.
Die Kühlung der Spiegel in diesem Beispiel an Spiegelvorder- und -rückseite hat den Vorteil, daß der Prozeß auch über unbegrenzte Zeit geführt werden kann. Eine Kühlung nur an der Spiegelrückseite hätte zur Folge, daß bei den in diesem Beispiel eingesetzten Laserleistungen eine Materialbearbeitung nur zeitlich begrenzt möglich wäre.
Nur aufgrund der hier eingesetzten erfindungsgemäßen Spiegelkühlung konnten bei den eingesetzten Laserleistungen Spiegel mit so geringer Masse angewandt werden, so daß auch Scannerspiegel, für die ja eine geringe Spiegelmasse besonders wichtig ist, mit der erfindungsgemäßen Spiegelkühlung ausgestattet und damit auch bei solch hohen Laserleistungen eingesetzt werden können. Die Spiegel mit dieser Kühlung haben die Erwartungen voll erfüllt und der Bearbeitungsprozeß konnte mit hoher Qualität bis zum Ende geführt werden.
2. Ausführungsbeispiel
Im Ausführungsbeispiel 2 wurde analog Ausführungsbeispiel 1 ebenfalls ein Laserhärtungsprozeß durchgeführt, wobei Versuchsaufbau, Versuchsdurchführung und zu bearbeitender Werkstoff analog zu Ausführungsbeispiel 1 gewählt wurden. Der einzige Unterschied zu Ausführungsbeispiel 1 bestand beim Ausführungsbeispiel 2 darin, daß hier ein Scannerspiegel aus massivem Kupfer, und zwar OHC-Kupfer, eingesetzt wurde. Dieser Scannerspiegel aus OHC-Kupfer war durch folgende Parameter gekennzeichnet:
  • - Spiegeldurchmesser = 30 +/- 0,1 mm
  • - Dicke des Spiegels = 2,8 +/- 0,1 mm
  • - Masse des Spiegels = 17,7 g
  • - Spiegeloberfläche unbeschichtet
  • - Spiegeloberflächengenauigkeit < 1 µm (Spiegeloberflächengenauigkeit = λ/20 bei λ = 10,6 µm)
  • - Spiegeloberflächenrauheit Ra < 6 nm
  • - Spiegelrückseite angerauht
Die Spiegelkühlung an Spiegelvorderseite und Spiegelrückseite erfolgte analog zu Ausführungsbeispiel 1.
Bei diesem Versuch gemäß Ausführungsbeispiel 2 konnten die gleichen guten Ergebnisse wie beim Versuch gemäß Ausführungsbeispiel 1 erreicht werden und es kam zu keinerlei Spiegeldeformierungen, trotz der hohen Laserleistung und trotz der geringen Spiegeldicke und Spiegelmasse.
3. Ausführungsbeispiel
Im Ausführungsbeispiel 3 wurde analog der Ausführungsbeispiele 1 und 2 ebenfalls ein Laserhärtungsprozeß durchgeführt, wobei Versuchsaufbau, Versuchsdurchführung und zu bearbeitender Werkstoff analog zu den Ausführungsbeispielen 1 und 2 gewählt wurden. Der einzige Unterschied von Ausführungsbeispiel 3 zu den Ausführungsbeispielen 1 und 2 bestand darin, daß in Ausführungsbeispiel 3 ein Scannerspiegel aus Silicium (Spiegeldurchmesser = 32 +/- 0,1 mm, Spiegeldicke = 0,6 +/- 0,1 mm, Masse = 1,4 g) eingesetzt wurde. Die Oberfläche des Scannerspiegels war hochpoliert und danach mit einer Haftvermittlerschicht und darauf mit einer Goldschicht, die plasmaunterstützt für einen Einfallswinkel von 45° aufgetragen ist, beschichtet. Die Scannerspiegeloberflächen besitzt einen Reflexionsgrad von 99,8% und eine Rauheit von ≦ 6 nm und die Scannerspiegeloberflächengenauigkeit ist < 1 µm (Spiegeloberflächengenauigkeit = λ/20 bei λ = 10,6 µm). Die Rückseite des Scannerspiegels wurde oberflächenstrukturiert mit parallelen Nuten zur Verbesserung der Gaskühlung durch anisotropes Ätzen von einkristallinen (110)- orientierten Si-Spiegelsubstraten (gemäß US 4,600,934 und US 5,956,058). Die Nuten sind jeweils parallel zu (110)-Richtungen begrenzt von (111)-Ebenen eingebracht. Vorteilhafterweise ist die Drehachse des Scannerspiegels zu den parallel liegenden Nuten senkrecht (also 90° versetzt) zugeordnet.
Die Kühlung des Spiegels an seiner Vorder- und Rückseite erfolgte analog der Ausführungsbeispiele 1 und 2.
Auch die Ergebnisse nach dem Versuch gemäß Ausführungsbeispiel 3 waren sehr zufriedenstellend und standen den Ergebnissen der Versuche aus den Ausführungsbeispielen 1 und 2 nicht nach, sondern konnten diese Ergebnisse bestätigen. Es kam auch im Ausführungsbeispiel 3 zu keinerlei Spiegeldeformationen trotz der geringen Spiegelabmessungen und Spiegelmasse und trotz der hohen Laserleistungen.
Mit allen nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren wäre die in den 3 Ausführungsbeispielen beschriebenen Prozesse mit den dabei eingesetzten Laserleistungen nicht durchführbar gewesen.
In allen 3 Ausführungsbeispielen wurden die Spiegeloberflächen so stark belastet, daß sie ohne die beschriebene Luftkühlung (Wärmeübergangskoeffizient) stark beschädigt oder sogar schmelzen würden. Das bedeutet, nach dem Stand der Technik wären diese Ausführungsbeispiele nicht realisierbar.

Claims (31)

1. Spiegel, insbesondere strahlformender Laserspiegel für zwei- und dreidimensionale Oberflächenbearbeitung von Halbzeugen oder Fertigprodukten aus beliebigen Werkstoffen und -kombinationen, beispielsweise Scannerspiegel, zur Laserbearbeitung mit Laserleistungen bis zu 20 kW, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse des Spiegels durch die Dickenreduzierung des Spiegels auf das zwingend notwendige Mindestmaß abgesenkt ist und die dadurch nicht mehr gewährleistete Selbstkühlung des Spiegels durch mindestens eine mit dem Spiegel gekoppelte zusätzliche Kühleinrichtung, insbesondere Gaskühlung, kompensiert wird.
2. Spiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwingend notwendige Mindestdicke so gewählt wird, daß der Spiegel sich während des Laserbearbeitungsprozesses nicht verformt, insbesondere die Deformation durch das eventuell mit Druck auf dem Spiegel auftreffende Kühlungsmittel und/oder bei Scannerspiegeln die Schwingdeformation unterbunden ist, und daß gerade noch eine übliche optische Bearbeitung (z. B. Diamantfräsen) erfolgen kann.
3. Spiegel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Spiegel aus einem gut temperaturleitfähigem/wärmeleitfähigem und hochreflektierendem Material besteht.
4. Spiegel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel aus Kupfer und/oder Molybdän und/oder Silber und/oder Gold und/oder Aluminium und/oder deren Legierungen ist.
5. Masseoptimierter Spiegel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel aus einem gut temperaturleitfähigen/wärmeleitfähigen Material besteht, das zumindest an seiner spiegelnden Oberfläche mit dem hochreflektierenden und gut temperaturleitfähigen Spiegelmaterial beschichtet ist.
6. Masseoptimierter Spiegel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung der Oberfläche des Spiegelkörpers mit dem hochreflektierenden und gut temperaturleitfähigen/wärmeleitfähigen Spiegelmaterial so aufgebaut ist, daß der Übergang vom reinen Grundmaterial des Spiegels zum Material der spiegelnden Oberfläche des Spiegels kontinuierlich über eine Gradientenschicht erfolgt.
7. Masseoptimierter Spiegel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel mittels bekannter Rapid-Prototyping-Verfahren hergestellt und anschließend in bekannter Weise nach- und feinbearbeitet (z. B. feingeschliffen) ist.
8. Masseoptimierter Spiegel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung der Oberfläche des Spiegelkörpers mit dem hochreflektierenden und gut temperaturleitfähigen/wärmeleitfähigen Spiegelmaterial so aufgebaut ist, daß der Übergang vom reinen Grundmaterial des Spiegels zum Material der spiegelnden Oberfläche des Spiegels abrupt erfolgt und sich zwischen Spiegelgrundmaterial und der reflektierenden Oberfläche des Spiegels eine Grenzfläche ausbildet.
9. Masseoptimierter Spiegel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die spiegelnde Oberfläche des Spiegels als Film auf das Spiegelgrundmaterial durch Adhäsion aufgebracht ist.
10. Masseoptimierter Spiegel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, das die spiegelnde Oberfläche des Spiegels als Schicht oder Film auf das Spiegelgrundmaterial aufgepreßt (beispielsweise durch heißisostatisches Pressen -HIP-) ist.
11. Masseoptimierter Spiegel nach einem oder mehreren der Ansprüche von 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Spiegelgrundmaterial eine Keramik, Silicium, Diamant, ein Metall oder eine Metallverbindung ist.
12. Masseoptimierter Spiegel nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Spiegelgrundmaterial Silicium und/oder Siliciumcarbid und/oder siliciuminfiltriertes Siliciumcarbid (SiSiC) ist.
13. Masseoptimierter Spiegel nach einem oder mehreren der Ansprüche von 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die spiegelnde Oberfläche mit Kupfer und/oder Silber und/oder Gold und/oder Molybdän und/oder Aluminium beschichtet ist.
14. Masseoptimierter Spiegel nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die spiegelnde Oberfläche zur Erhöhung der Kratzfestigkeit mit einer hauchdünnen, die spiegelnde Wirkung nicht beeinflussenden Schutzschicht (Schutzfilm) versehen ist.
15. Masseoptimierter Spiegel nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die hauchdünne Schutzschicht (der hauchdünne Schutzfilm) eine hauchdünne Kohlenstoffschicht und/oder eine hauchdünne Antireflexschicht ist, wobei hauchdünn bedeutet, daß diese Schicht nicht dicker sein darf als die halbe Laserlichtwellenlänge.
16. Masseoptimierter Spiegel nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel mit einem expandierenden Gas gekühlt wird.
17. Masseoptimierter Spiegel nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel mittels Druckluft gekühlt wird.
18. Masseoptimierter Spiegel nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß das zur Spiegelkühlung eingesetzte expandierende Gas getrocknet und rein, d. h. partikelarm, ist.
19. Masseoptimierter Spiegel nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel nur an seiner Vorderseite oder nur an seiner Rückseite gekühlt ist.
20. Masseoptimierter Spiegel nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß für den Fall, daß die Spiegelkühlung nur an der Spiegelvorderseite erfolgt, das Spiegelgrundmaterial nicht zwingend gut temperaturleitfähig/wärmeleitfähig sein muß, wenn die spiegelnde Oberfläche gut temperaturleitfähig und gut reflektierend ist.
21. Masseoptimierter Spiegel nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Spiegelgrundmaterial Diamant, Silicium, Quarz, Glas und/oder Quarzglas ist.
22. Masseoptimierter Spiegel nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegelgrundkörper Diamant ist, die der Laserstrahlung zugewandte Seite eine hauchdünne Antireflexschicht aufweist und sich auf der Spiegelrückseite eine hauchdünne Reflexschicht befindet.
23. Masseoptimierter Spiegel nach einem der Ansprüche von 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel an seiner Vorder- und Rückseite gleichzeitig gekühlt wird.
24. Masseoptimierter Spiegel nach mindestens einem der Ansprüche von 19 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbesserung der Stabilität und zur Realisierung der optischen Bearbeitungsqualität der Spiegel auf seiner Rückseite eine Rippenstruktur aufweist, wobei diese Rippenstruktur für den Fall, daß die Spiegelrückseite bei der Spiegelkühlung mit einbezogen ist, gleichzeitig die Kühlung verbessert (Verwirbelung der Luft, größere Oberfläche für Wärmeaustausch).
25. Verfahren zur Kühlung der masseoptimierten Spiegel gemäß einem oder mehreren der Ansprüche von 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß der masseoptimierte Spiegel während des Laserbearbeitungsprozesses derart gekühlt wird, daß über eine Düse ein expandierendes Gas genau auf die Stelle der Spiegeloberfläche (Reflektionsfläche), auf die der Laserstrahl unmittelbar auftrifft, geblasen wird, ohne daß dabei der Laserstrahl selbst beeinflußt wird, wodurch zusätzlich zur Kühlung durch das Gas noch die adiabatische Entspannung eines Gases zur Spiegelkühlung benutzt wird.
26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß das eingesetzte expandierende Gas gereinigt und getrocknet (partikelfrei und trocken) wird.
27. Verfahren nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, daß das expandierende Gas mit einem Druck von 0,5 . 105 Pa bis 2 . 105 Pa und einer Strömungsgeschwindigkeit von 10 bis 500 NI pro Minute auf die Reflektionsfläche geblasen wird.
28. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche von 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zur Reflektionsfläche auch gleichzeitig damit die Spiegelrückseite, beispielsweise durch Anblasen mit einem expandierenden Gas, das vorzugsweise auch gereinigt und getrocknet (partikelarm und trocken) sein sollte, gekühlt wird.
29. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche von 25 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbesserung der Stabilität und zur Realisierung der optischen Bearbeitungsqualität des Spiegels auf der Spiegelrückseite eine Rippenstruktur aufgebracht ist, wobei diese Rippenstruktur für den Fall, daß die Spiegelrückseite zur Spiegelkühlung einbezogen ist, gleichzeitig die Kühlung verbessert (Verwirbelung der Luft, größere Oberfläche für Wärmetausch).
30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß für den Fall, daß das Spiegelgrundmaterial Silicium, vorzugsweise einkristallines Silicium, ist und die Rippenstruktur auf der Spiegelrückseite mittels Ätzen, vorzugsweise anisotropes Ätzen, hergestellt wird.
31. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche von 25 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß das eingesetzte expandierende Gas Druckluft ist.
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