DE2228501A1

DE2228501A1 - Spiegeloptisches system

Info

Publication number: DE2228501A1
Application number: DE19722228501
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dr Dr Weinzierl
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1972-06-12
Filing date: 1972-06-12
Publication date: 1974-01-03

Description

Spiegeloptisobes System Die Erfindung bezieht sich auf ein spiegeloptisches System zur Umwandlung eines parallelen Strahlenbündels, vorzugsweise geringer Energiedichte, in ein Strahlenbündel, vorzugsweise hoher Energiedichte. Solche Systeme sind bekannt und bestehen z.B. im einfachsten Fall aus einer Lupe od.dgl.. Strahlenbündel hoher Energiedichte werden in allen Bereichen der Technik benötigt, z.B. zum Schweißen von Materialien oder lebenden Geweben, zur Nachrichtenübermittlung und auch in der Meß- und Steuertechnik.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein sehr einfaches und billiges spiegeloptisches System anzugeben, mit welchem Strahlenbündel hoher Energiedichte erzeugt werden können, die zu Zwecken verwendbar sind, für die man heute die sehr teueren Laserstrahlenerzeuger benutzt. Außerdem soll das erfindungsgemäße System überall dort eingesetzt werden, wo die Verwendung paralleler Strahlenbündel - hoher oder weniger hoher Energiedichte - angezeigt ist. In diesem Zusammenhang soll das System auch dazu geeignet sein, energiereiche parallele Strahlenbündel, wie sie Laser abgeben, in weniger energiereiche parallele Strahlenbündel umzuwandeln.
Gemäß der Erfindung ist dies dadurch erreicht, daß zwei Parabolreflektoren mit unterschiedlichen Parametern derart einander zugewandt angeordnet sind, daß die Symmetrieachsen der Reflektoren und ihre inneren Brennpunkte zusammenfallen, und daß der Refle=-tor mit dem größeren Parameter eine zentrale Öffnung für den Durchtritt des Strahlenbündels hoher Energiedichte aufweist.
Bei dieser Konstruktion kann also ein paralleles Strahlenbündel geringer Energiedichte, das auf den Reflektor mit dem größeren Parameter gerichtet ist, in ein Strahlenbündel hoher Energiedichte umgewandelt werden. Umgekehrt wird ein durch die zentrale Öffnung auf den Reflektor mit dem kleineren Parameter gerichtetes energiereiches Strahlenbündel verbreitert und dadurch seine Energiedichte unter Wahrung der Parallelität der Strahlung verringert.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Figur, die ein Ausführungsbeispiel zeigt, erläutert.
Mit 1 ist ein rotationssymmetrischer Parabolreflektor mit großem Parameter p1 und mit 2 ein eben solcher Reflektor mit kleinem Parameter p2 bezeichnet. Die beiden Reflektoren sind derart einander zugewandt angeordnet, daß ihre Symmetrieachsen 3 und 4 sowie ihre Brennpunkte 5 zusammenfallen. Der Reflektor 1 besitzt eine zentrale Durchgangsöffnung 6 geringen Durchmessers, wobei die Öffnung der Größe des gewünschten Lichtbündels angepaßt ist (in der Zeichnung vergrößert dargestellt). Die Parameter P1 und p2 unterscheiden sich voneinander um den Faktor 10. In Richtung ihrer Symmetrieachsen erstrecken sich die Reflektoren nur bis in den Bereich ihrer Brennpunkte (damit am Reflektor 1 reflektierte Strahlung in den Reflektor 2 fallen kann).
Das so ausgebildete spiegeloptische System ist dazu bestimmt, in den Reflektor 1 einfallende parallele Strahlung - dargestelll durch die Randstrahlen 7 und 8 - so zu bündeln, daß ein energiereiches dünnes paralleles Strahlenbündel entsteht. Dies geschieht dadurch, daß die einfallende Strahlung umgelenkt wird (Strahl 7') und durch den Brennpunkt 5 auf den Reflektor 2 fällt, wodurch sie in ein entsprechend schmaleres paralleles Strahlenbündel umgeformt wird, weil aus dem Brennpunkt kommende Strahlen eben so reflektiert werden. Der Randstrahl 7 nimmt daher den mit 9 bezeichneten Weg in Richtung Reflektor 1, von wo aus er wiederum zum Brennpunktstrahl - mit 10 bezeichnet - wird und nun schon nahe der Symmetrieachse auf den Reflektor 2 fällt.
Aus dem bisherigen Strahlengang wird klar, daß sich die Strahlung immer weiter bündelt und dadurch das gewünschte energiereiche dünne parallele Strahlenbündel entsteht, das durch die Öffnung 6 auf der Rückseite des Reflektors 1 austritt.
Bei der Umkehrung der Strahlungsrichtung kann ebenso aus einem energiereichen dünnen Parallelstrahlenbündel ein beliebig verbreitertes weniger energiereiches Strahlenbündel gewonnen werden; es brauchen lediglich die Abmessungen der Reflektoren entsprechend bemessen zu werden.
Insbesondere im Bereich der Symmetrieachse entsteht Verlustwärme, die im Rahmen der Erfindung dadurch unschädlich gemacht wird, daß die Reflektoren auf ihren den Brennpunkten 5 abgewandten Seiten mit je einer als Behälter 11 und 12 ausgebildeten Kühlvorrichtung versehen sind. Die Behälter sind mit Zu-und Abläufen 13, 14 bzw. 15, 16 für Kühlmittel ausgestattet.
Außerdem ist durch die Formgebung der Behälter dafür gesorgt, daß die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels im Bereich des Reflektorzentrums am größten ist. Die Kühlvorrichtung fiir den Reflektor 2 besteht aus einer koaxialen Leitung, wobei die Kühlflüssigkeit im inneren Rohr 15 zu- und durch das äußere Rohr 16 abgeleitet wird. Der Behälter 12 ist durch den vor der Austrittsöffnung des inneren Rohres liegenden Raum gegeben.
Der Reflektor ist aus gut wärmeleitfähigem Material, vorzugsweise mittels programmgesteuerter Drück- oder Drehvorrichtungen gefertigt und mit einem Reflektorbelag überzogen, der der zu reflektierenden Strahlung am besten gerecht wird. Bei akustischen Strahlungen ist der Reflektor vorzugsweise mit Dämpfungsmitteln hinterlegt.
Werden extrem hohe Energien auf kleinstem Raum benötigt, dann empfiehlt es sich im Rahmen der Erfindung nicht nur die primär einfallende Strahlung schon energie reich zu wählen (gegebenenfalls mit einem entsprechend vorgeschalteten erfindungsgemäßen System zur Vorbündelung) sondern mehrere Systeme derart konzentrisch zueinander anzuordnen, daß sich die Symmetrielinien dieser Systeme in einem Fleck treffen, wobei die Reflektoren mit den jeweils größeren Parametern dem#Fleck benachbart angeordnet sind.
Zur Verbilligung des vorgeschlagenen Systems wird - bei geringeren Anforderungen - der Ersatz der Parabolreflektoren durch sphärische Hohlspiegel vorgeschlagen. Wegen der erforderlichen Genauigkeit bei der Zuordnung der Reflektoren zueinander ist es zweckmäßig, stabile justierbare Trägergestelle zu benutzen, die vorteilhafterweise so ausgelegt werden, daß sie auch Mittel zur Erzeugung eines parallelen Strahlenbündels (relativ geringer Energiedichte) tragen; diese handelsüblichen Mittel -wenn man nicht Sonnenlicht verwenden kann - sind mit dem spiegeloptischen System dann derart zusammengebaut, daß das Bündel koaxial zur Symmetrieachse des Systems auf die reflektierende Innenseite des größeren Reflektors fällt.
Im Rahmen der Erfindung liegt eine Ausgestaltung, bei der zur Vermeidung des durch den kleineren Reflektor verursachten Kernschattens dieser Reflektor auf seiner Innenseite mit einem Reflexionsbelag versehen ist, der nur einseitig zum inneren Brennpunkt hin reflektiert, für auf den ersten Reflektor gerichtete Strahlung jedoch durchlässig ist. In diesem Fall ist davon ausgegangen, daß kei#ne Kühlbehälter vorhanden oder diese samt der Kühlflüssigkeit für die verwendete Strahlung gut transparent sind.
Wie eingangs schon erwähnt wurde, ist das spiegeloptische System nach der Erfindung äußerst vielseitig verwendbar. Eine Anwendungsmöglichkeit besteht in der Augenheilkunde, z.B. zum Zwecke der Netzhautkoagulation. Dort kann durch die Erfindung ein wesentlich billigerer und einfacherer Netzhautkoagulator geschafden werden, als er bis heute bekannt ist. Das erfindungsgemäße System ist aber auch für militärische Zwecke einsetzbar. Beispielsweise kann bei Verwendung sehr energie armer Primärstrahlung (Betreiben z.B. einer Lichtquelle mit Unterspannung) das System zum Orten benutzt und beim Hochschalten der Spannung für die Lichtquelle der so geortete Gegenstand zerstört werden. Auch bei Verwendung von Schallwellen, z.B. das ungedämpfte Motorengeräusch eines Panzers, kann die Bündelung mit dem erfindungsgemäßen System so weit getrieben werden, daß zerstörende Energie - jedenfalls auf kürzere Entfernungen - erreicht wird.
In der Medizin kann die mit der Erfindung erreichte Energiebündelung eine Ergänzung für die heute übliche Hochfrequenz-Chirurgie darstellen.

Claims

Patentansprüche

Spiegeloptisches System zur Umwandlung eines parallelen Strahlenbündels, vorzugsweise geringer Energiedichte, in ein Strahlenbündel, vorzugsweise hoher Energiedichte, d a d u r ch g e k e n n z e i c h n e t , daß zwei Parabol-Reflektoren (1, 2) mit unterschiedlichen Parametern (p1, p2) derart einander zugewandt angeordnet sind, daß die Symmetrieachsen (3, 4) der Reflektoren und ihre inneren Brennpunkte (5) zusammenfallen, und daß der Reflektor (1) mit dem größeren Parameter eine zentrale Öffnung (6) für den Durchtritt des Strahlenbündels hoher Energiedichte aufweist.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Parameter der beiden Reflektoren wesentlich, vorzugsweise um einen Faktor in der Größenordnung 10, voneinander unterscheiden.
3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektoren in Richtung ihrer Symmetrieachsen sich nur etwa bis in den Bereich ihrer zusammenfallenden Brennpunkte erstrecken.
4. System nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor mit dem kleineren Parameter einen Reflexionsbelag besitzt, der nur einseitig zum inneren Brennpunkt hin reflektiert, für auf den ersten Reflektor gerichtete Strahlung jedoch durchlässig ist.
5. System nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daa die Reflektoren auf ihren den Brennpunkten zugewandten Seiten mit einer Kühlvorrichtung (11 bis 16) versehen sind.
6. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung aus einem von Kühlmitteln durchströmbaren Behälter (11, 12) gebildet ist.
7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung derart ausgebildet ist, daß die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels im Bereich des Reflektorzentrums am größten ist.
8. System nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor aus gut wärmeleitendem Material besteht.
9. System nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß es mehrfach vorhanden ist und die Einzel systeme derart zueinander angeordnet sind, daß sich die Symmetrie linien dieser Systeme in einem Fleck treffen, wobei die Reflektoren mit den jeweils größeren Parametern dem Fleck benachbart angeordnet sind.
10. System nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Erzeugung eines parallelen Strahlenbündels relativ geringer Energiedichte mit dem System derart zusammengebaut sind, daß das Bündel koaxial zur Symmetrieachse des Systems auf die reflektierende Innenseite des Parabolreflektors mit dem größeren Parameter einfällt.
11. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Parabolre flektor en durch sphärische Hohlspiegel ersetzt sind.

L e e r s e i t e