DE2333179A1

DE2333179A1 - Spiegelsystem zur sammlung optischer strahlungsenergie einer mehrzahl von strahlungsquellen

Info

Publication number: DE2333179A1
Application number: DE19732333179
Authority: DE
Inventors: Philip Joseph Mcfarland; Werner Robert Rambauske
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1972-07-03
Filing date: 1973-06-29
Publication date: 1974-01-24
Also published as: FR2237213A1; NL7307567A; IT985124B; IL42173A0; FR2237213B1; JPS5336785B2; CA985078A; CH567732A5; IL42173A; GB1425608A; JPS4958844A

Description

PATENTANWÄLTE DR.-PHIL. G. NICKEL· DR.-ING. J. DORNER

6 MÖNCHEN 15 LANDWEHRSTR. 35 · POSTFACH 1O<

TEL. (0811) 55 57 19

München, den 29. Juni 1973 Anwaltsaktenz.: 27 - Pat.

Raytheon Company, 141 Spring Street, Lexington, Massachusetts, Vereinigte Staaten von Amerika

Spiegelsystem zur Sammlung optischer Strahlungsenergie einer Mehrzahl von Strahlungsquellen.

' Die Erfindung bezieht sich aui ein Spiegelsystem zur Sammlung optischer Strahlungsenergie von einer Mehrzahl von Strahlungs-

' quellen und insbesondere auf Spiegelsysteme dieser Art, bei welchen die Spiegel mit ihren Brennpunkten bestimmten Abstand

^J von der Spiegelsystemachse besitzen.

Es ist bekannt, daß sogenannte konfokale Spiegelsysteme, d.h. Spi«gelsysteme, bei welchen die Reflexionsflächen der Oberfläche von Körpern entsprechen, deren Erzeugende ein um die Spiegelsystemaohse rotierender quadratischer Kegelschnittabschnitt ist, viele vorteilhafte Eigenschaften aufweisen, lieflexionsflachen, die so erzeugt worden sind, besitzen Bildpunkte, die auf einem Kreis oder Kreisbogen liegen, der konzentrisch zu der Systemachse gelegen ist und nicht einen einzigen Bildpunkt oder Brennpunkt, wie dies üblicherweise der Fall ist. Durch genaue Auswahl des zu verwendenden Kegelschnittes als Erzeugende für die Reflexions-

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flächen der Spiegelelemente eines Spiegelsystems kann man also erreichen, daß ein beugungsbegrenztes Spiegelsystem extrem weiter Öffnung erhalten wird. Es ergibt sich dann, daß die Brennweite [solcher Spiegelsysteme weit unter Eins sein kann. Diese Eigen-,sohaft bedeutet wiederum, daß von einer punktförmigen Strahlungsiquelle ausgehende Strahlung gegebenenfalls innerhalb eines sehr !kleinen Streukreises fokussiert werden kann. Praktisoh ist es 'möglich, die Fokussierung innerhalb eines Streukreises mit einem !Durchmesser in der Größenordnung der Wellenlänge der Strahlungsenergie zu erreichen. Andererseits kann man, falls dies erforderlich ist, ein fast vollständig genau parallel gerichtetes Strahlenbündel unter Verwendung einer punktförmigen Strahlungsquelle [erzielen, da die Beugungsersoheinungen, die bei einer derartigen !Spiegelanordnung auftreten, sehr klein sind.

Man erkennt, daß konfokale Spiegelsysteme insbesondere dann be- ! sonders vorteilhaft sind, wenn herkömmliche Breohungslinsensätze jaus dem einen oder anderen Grunde nicht zufriedenstellend arbei- ;ten. Ist beispielsweise die zu fokussierende oder parallel zu 'richtende Strahlungsenergie auf ein sehr intensives Strahlenbündel konzentriert, beispielsweise in Form eines Strahles eines Lai .

jsers hoher Energie, so wird ein größerer Anteil dieser Energie, jwelohe auf die Brechungslinsenanordnung fällt., von dem Werkstoff !absorbiert, aus welchem die Linsen gefertigt sind (beispielsweise Glas, Glimmer oder ein anderer Feststoff, der normalerweise für vollständig durchsichtig gehalten wird), so daß eine unzulässige !Erwärmung dieser .Teile auftritt, welohe sich dadurch verziehen oder sogar zerstört werden.

Zwar treten bei Spiegelanordnungen keine Beschädigungen aufgrund Überhitzung auf, da die ein solches Spiegelsystem durchlaufende Energie fast vollständig von den Spiegeloberflächen der Spiegelelemente reflektiert wird, doch wird trotzdem von jedem Spiegelelement ein geringer Energiebetrag absorbiert, der zu einer Er wärmung führt. Aus diesem Grunde kann sich auch eine Spiegelan ordnung, insbesondere dann, wenn die Ausgangestrahlen von mehr als

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einem einzigen Laser hoher Energie miteinander kombiniert werden sollen, unzulässig erwärmen. Bisher ist keine Möglichkeit bekannt, die reflektierenden Oberflächen der Spiegelelemente einer Spiegelanordnung so auszubilden, daß sie zuverlässig der außerordentlich hohen Energiekonzentration gewachsen sind, die bei der Verwendung mehrerer Laser hoher Energie auftritt. Außerdem muß bei allen Spiegelsysteraen, bei denen nicht von dem Prinzip der Konfokalität Gebrauch gemacht wird, eine beträohtliohe Verlegung der Öffnung in Kauf genommen werden, um die Spiegelelemente in die richtige Lage mit Bezug aufeinander zu bringen.

Es wird versucht, eine thermische Kernfusion dadurch herbeizuführen, daß die Strahlen einer Anzahl von Lasern hoher Energie so vereinigt wurden, daß die Energie jedes Laserstrahls auf ein kleines Zielobjekt fokussiert wird. In einem solchen System ist es möglioh, eine solche Dichte des Energiestroms an Orte des Zielobjektes zu erzeugen, daß diese Energie zur Einleitung der Kernfusionsreaktion ausreicht. Man kann also eine Leistungsdichte in der Größenordnung von 10 bis 10 Watt je Quadratzentiraeter erreichen. Wird eine Leistungsdichte dieser Intensität erzielt, so wird gleichzeitig ein Lichtstrahlungsdruck erzeugt, der in der Größenordnung des Druckes liegt, welcher erforderlich ist, um das sich aufgrund der Kernreaktion ausgehende Plasma zusammenzuhalten. Offenbar ist es aber für ein erfolgreiches Zusammenhalten des sich ausdehnenden Plasmas von einem eine Fusionsreaktion erleidenden Probekörper notwendig, daß der Lichtstrahlungsdruok auf einer kontinuierlichen, begrenzten Fläche zur Wirkung kommt. Das bedeutet, daß eine Linsen- oder Spiegelanordnung, die für den vorstehend genannten Zweck geeignet sein soll, die Fähigkeit haben muß, gleichsam als optischer Verdichter zu arbeiten.

Schließlich ist es beim Bau optischer Radaranlagen außerordentilieh wünschenswert, die Strahlen verschiedener Laser zu einem j zusammengesetzten Strahl zu kombinieren, um auf diese Weise die Reichweite des Systems zu erhöhen. Auch in diesem Anwendungsfall

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eignen eich die üblichen Linsensysteme nicht, da es last unmöglich ist, die Energie von mehr als einer Strahlungsquelle dieser Art in einem einzigen Strahlenbündel parallel zu richten oder zu sammeln. Bei der Verwendung herkömmlicher Linsen, deren Brennpunkte auf der optischen Achse liegen, kann mittels bisher bekannten Linsenanordnungen nur de,r Strahl eines einzigen Lasers parallelgerichtet werden.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, bei Spiegelsystemen zur Kombination oder Sammlung optischer Strahlungsenergie von einer Mehrzahl von Strahlungsquellen in einem zusaimneu-.gesetzten Strahlungsbündel eine Verlegung der Öffnung des Spiegelsystems zu vermeiden.

Der grundsätzliche Gedanke der Erfindung besteht darin, daß die optische Energie einer Anzahl von Strahlungsquellen unter Verwendung einer bestimmten Zahl von Spiegelsätzen vereinigt wird, die jeweils eine verhältnismäßig kleine Öffnung aufweisen.

Im einzelnen wird die zuvor genannte Aufgabe bei einem Spiegelsystem zur Sammlung optischer Strahlungsenergie von einer Mehrzahl von Strahlungsquellen in einem gemeinsamen System-Brennpunkt oder System-Brennbereich gelöst durch mehrere Spiegelanordnungen aus je mindestens einem konvexen und einem konkaven Spiegel, die jeweils längs einer Spiegelanordnungsachse ausgerichtet sind und optische Strahlung auf einen jeweils zugehörigen Brennpunkt auf dieser Spiegelanordnungsachse zu fokussieren vermögen, ferner durch den Spiegelanordnungen gemeinsame Halterungsmittel, die sich vollständig außerhalb des Weges der opti-I sehen Energie bezüglich sämtlicher Spiegelanordnungen befinden ■und an den konkaven und den konvexen Spiegel jeder Anordnung so angeschlossen sind, daß der konkave und der konvexe Spiegel jeiweils mit Bezug auf die eigene, zugehörige Spiegelanordnungs- ;achse in ihrer Lage gehalten sind und daß die auf der Spiegel- ^:anordnungsachse gelegenen Brennpunkte der Spiegelanordnungen in idem gemeinsamen Spiegelsystera-Brennpunkt zusammenfallen oder auf I einem zur Spiegelsystemachse konzentrischen Brennkreis liegen.

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ι Bei einer vorteilhaften Ausführungsiorm sind demgemäß mehrere ■ Sätze konfokaler Spiegel vorgesehen, die jeweils einen Primär- ; spiegel oder Eingangsspiegel mit einer konvexen lief lexionsf lache mit insgesamt spitzbogenförmiger Querschnittsgestalt sowie einen sekundären oder ausgangsseitigen Spiegel enthalten, der eine kon- :kave Reflexionsfläche besitzt, die einen Teil einer im wesentlichen ellipsoidisohen Oberfläche entspricht und konfokai zu der Reflexionsfläche des Eingangsspiegels ist, wobei die optisohe 'Energie von allen Spiegelsätzen auf einen einzigen, gemeinsamen System-Brennpunkt hin fokussiert wird. Die Spiegel jedes Satzes oder jeder Spiegelanordnung sind, wie bereite ausgeführt, an gemeinsamen Haltemitteln befestigt, so daß sich im Strahlengang der optischen Energie, die durch jede Spiegelanordnung geführt wird, keine anderen Konstruktionsteile als nur die Reflexionsfläohen der Spiegel befinden.

Bei einer anderen Ausführungsform ist die Anordnung der Spiegelsätze so getroffen, daß in Zusammenwirkung mit einem einzigen, konvexen, hyperboloidischen Spiegel ein zusammengesetztes Strahlenbündel erhalten wird, das einen einzigen, virtuellen Ursprungspunkt aufweist.

; Im übrigen bilden zweckmäßige Ausgestaltungen des hier angegebe-I nen Spiegelsystems Gegenstand der anliegenden Patentansprüche. Im j folgenden werden Einzelheiten von Ausführungsbeispielen unter Be- !zugnahme auf die anliegende Zeiohnung erläutert. Es stellen dar:

Figur 1 einen vereinfachten Axialschnitt durch zwei

Spiegelanordnungen zur Vereinigung der Strahlenbündel einer Anzahl von Lasern in einem

j gemeinsamen System-Brennpunkt,

j Figur 2 einen vereinfachten Axialsohnitt durch ein

ι anderes Ausführungsbeispiel und

Figuren zusammen zu betrachtende, vereinfachte Skizzen

α %n zur Erläuterung der Art und Weise, in welcher uno Ju

Spiegelanordnungen gehaltert werden können,

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um ein einziges, zusammengesetztes Ausgangsstrahlenbündel aus einer Anzahl von Strahlenbiindeln einer Mehrzahl verschiedener Strahlungs-' quellen zu erhalten.

Betrachtet man Figur 1 der Zeichnungen, so erkennt man, daß ein ¹ Spiegelsystem nach der hier vorgeschlagenen Art aus einem Paar !einander entsprechender, konfokaler Spiegelanordnungen Ii und 11a !bestehen kann. Jede der Spiegelanordnungen ist beim vorliegenden IAüsführungsbeispiel um einen Winkel A gegenüber der Spiegelsystem-ίachse schräggestellt, so daß die beiden Spiegelanordnungeii einen ; auf der Spiegelsystemachse liegenden Brennpunkt F, gemeinsam Iin-

iben. Jede der beiden Spiegelanordnungen 11 und lla enthält einen j Eingangsspiegel 13 bzw. 13a und einen Ausgangsspiegel 15 bzw. I 15a. Die Erzeugende der nicht näher bezeichneten lief lexionsf lä-'ehe des Eingangsspiegels 13 kann als Teil einer Ellipse E ange- ;sehen werden, wobei die Brennpunkte dieser Ellipse mit F und F 'bezeichnet sind und die Hauptachse mit E bezeichnet ist. Die !Ellipse führt eine Nutation um eine Spiegelanordriungsachse 17 jaus. Man erkennt daher, daß bei einer vollständigen Nutation j oder Drehung der Hauptachse E der Ellipse E um die Achse 17 herum der Brennpunkt F₀ der Ellipse einen Kreis in einer Ebene senkrecht zu der Achse 17 beschreibt. Ebenso erkennt man, daß !bei einer Teildrehung der Hauptachse E der Ellipse E um die Achse 17 herum der Brennpunkt F₂ nur einen entsprechenden Bogen dieses Kreises beschreibt. Weiterhin ist aus Figur 1 ζμ erkennen, daß ein Teil der Ellipse E, welcher in stark ausgezogenen j Linien dargestellt ist, die Oberfläche eines im Querschnitt spitzbogenförmigen Körpers aufspannt, dessen Längsachse mit der Achse 17 zusammenfällt. Wird also die Hauptachse E der Ellipse E um einen Winkel von 180° um die Achse 17 herumgeführt, wobei der genannte Ellipsenteil die lief lexionsf lache des Eingangsepiegels 13 erzeugt, so hat diese lief lexionsf lache die Form einer halben Spitze und der Brennpunkt F₂ bewegt sich auf einem Halbkreis, der in der Schnittdarstellung nach Figur i als die ausgezogene, senkrecht auf der Achse 17 stehende Linie erscheint.

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Es ergibt sich, daß die Reflexionsfläche des Eingangsspiegels 13 konvex und parellipsoidisch (gemeint ist, einem Ellipsoid gleichend) ist, wobei der eine Brennpunkt F„ des die Erzeugende bildenden Ellipsenteiles einen Halbkreis beschreibt.

Die Erzeugende der nicht näher bezeichneten Reflexionsfläche des Ausgangsspiegels 15 kann eine Ellipse E„ sein, deren einer Brennpunkt mit dem Brennpunkt F der Ellipse E zusammenfällt und deren zweiter Brennpunkt F auf der Spiegelanordnungsachse gelegen ist. Die Hauptachse E der Ellipse E wird um die Spiegelanordnungsachse 17 herumgeführt, wobei der Brennpunkt F, auf der Spiegelanordnungsachse verbleibt, während der Brennpunkt F_g einen Dogen beschreibt, der mit dem zuvor schon erwähnten Bogen des Brennpunktes F„ der Ellipse E zusammenfällt. Die konkave, parellipsoidische Reflexionsfläche des Ausgangsspiegels 15 iet also mit der konvexen Reflexionsfläche des Eingangsspiegels 13 konfokal, was bedeutet, daß die Breiinkreise der Brennpunkte F₂ zusammenfallen.

Die Linie oder- Achse 17 liegt in einer optisch flachen Oberfläche eines keilförmigen Körpers 19. Die abgeflachten Teile des Eingangsspiegels 13 und des Ausgangsspiegels 15 sind an dieser Fläche befestigt und sq mit der genannten Fläche verbunden, daß die gewünschte Konfokalität der Spiegelteile eingehalten wird.

Man -sieht nun, daß dann, wenn optische Energie auf den Brennpunkt F, gerichtet wird, wobei ein bestimmter Bereich der Rellexions- ^ fläche des Eingangsspiegels 13 bestrahlt wir"d, diese Energie durch die Spiegelanordnung 11 auf den Brennpunkt F, fokussiert wird, So kann beispielsweise optische Energie von einem Laser 21 aus, welche durch den Strahl 21a angedeutet ist, von einer belie- :bigen Stelle der Anordnung des Lasers zu dem Brennpunkt F₁ hin gerichtet werden, wobei ein Teil der Reflexionsfläche des Eingangsspiegels 13 beleuchtet wird. Nebenbei sei bemerkt, daß beliebige Fokussierungseinrichtungen zur Sammlung des normalerweise leicht divergierenden Strahlenbündels des Lasers 21 zum ¹ Brennpunkt F^ hin verwendet werden können. Hierfür geeignete

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Spiegelsysteme sind bereits an anderer Stelle vorgeschlagen worden. Nach Reflexion an der Spiegeloberfläche des Spiegels 13 ist der virtuelle Ausgangspunkt der optischen Energie des Lasers 21' ein Punkt auf dem Brennkreisbogen F₂. Das bedeutet, daß solche optische Energie nach Reflexion an der Spiegeloberflache des Eingangsspiegels 13 von einem Punkt auf dem Breimkreisbogen F„ der Reflexionsfläche des Ausgangsspiegels 15 auszugehen scheint. Nach Reflexion an der Spiegeloberflache des Ausgangsspiegels 15 wird dann die optische Energie des Lasers 21 selbstverständlicii in dem Brennpunkt F_ fokussiert. Gleiche Überlegungen gelten bezüglich der optischen Energie eines Lasers 23, dessen Laserstrahl 23a ebenfalls auf den Brennpunkt F. hin gerichtet ist oder auch ι für beliebige Strahlenbündel von beliebigen Strahlungsquellen, wenn diese Strahlenbündel nur auf den Brennpunkt F. hin fokussiert sind und die Spiegelfläche des Eingangsspiegels 13 treffen. Das bedeutet mit anderen Worten, daß optische Energie von einer Anzahl von Strahlungsquellen durch die Spiegelanordnung 11 auf den ,Brennpunkt F hin fokussiert werden kann. Nach Durchgang durch 'den Brennpunkt F- kann die optische Energie aus der genannten Anzahl von Strahlungsquellen entweder parallelgerichtet oder durch gebräuchliche, in Figur 1 nicht gezeigte Spiegel- oder Linsenau-

Ordnungen an einem anderen Punkt fokussiert werden.

;üie Spiegelanordnung 11a ist an einer optisch ebenen Fläche des keilförmigen Körpers 19 befestigt, welche die Linie oder Achse I17a enthält. Der Eingangsspiegel 13a und der Ausgangsspiegel 15a I sind vorzugsweise genauso ausgebildet wie die entsprechenden 'Spiegel der Spiegelanordnung 11, jedoch ist die Erzeugende des Eingangsspiegels 13a bzw, des Ausgangsspiegels 15a nun die !Ellipse E¹ bzw. E ', Die Spiegelanordnung 11a ist daher in der

I Lage, optische Energie von einer zweiten Gruppe von Lasern 25 Iund 27 auf den Brennpunkt F, hin zu fokussieren.

I ->

'Man erkennt nun, daß die einzelnen Spiegel der Spiegelanordnungen 11 und 11a mit Bezug aufeinander so gehaltert und abgestützt sind, daß keine Halterungs-Konstruktionsteile im Weg der schließ-

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j 3

lieh auf den Brennpunkt F_ fokussierten optischen Energie gelegen sind. Außerdem erkennt man, daß es nicht notwendig ist, daß. die Achsen oder Linien 17 und 17a zueinander und zu der Spiegelsystemaohse in einer Ebene liegend orientiert sind. Das bedeutet, daß optische Energie aus einer Anzahl von Strahlungsquelle!! kombiniert werden kann, solange nur die einzelnen Spiegelanordmingen einen gemeinsamen Brennpunkt F nach der Art des Brennpunktes , F_ besitzen. Tatsächlich kann der keilförmige Körper 19 auch als King oder als Teil eines Ringes ausgebildet sein, wobei der Brennpunkt F- im Zentrum liegt. Viele zusätzliche Spiegelanordnuiigen können dann ebenfalls den Brennpunkt F, gemeinsam haben. Außer- : dem können auf ein und derselben Fläche des keilförmigen Körpers ! viele der dargestellten Spiegelanordnungen befestigt werden.

' Betrachtet man nun Figur 2 der Zeichnungen, so sieht man, daß die Spiegelanordnungen 11 und 11a auch an den optisch ebenen

, Oberflächen eines Blockes 19h befestigt werden können, wobei diese Oberflächen parallel zur Spiegelsystemachse und nicht, wie in

i _t

Figur 1 gezeigt, im Winkel zur Spiegelsystemachse orientiert ', sind. Bei einem Ausführungsbeispiel dieser Art wird die die Aus- ! gangsspiegel 15 und 15a verlassende optische Energie an Brennj punkten F₀ bzw. F_n ¹ fokussiert, welche gleichen Abstand von der ' Spiegelsystemachse besitzen. Naoh Durchgang durch die Brennpunkte ; F₂ und F₂' liegt die Energie in zwei divergierenden Strahlenbün- ! dein vor, wie in Figur 2 gezeigt ist. Um die Energie schließlich j an einem einzigen Brennpunkt F- fokussieren zu können, ist es !notwendig, die divergierenden Strahlenbündel, welche von den ■ ι Brennpunkten F₀ und F₀ ¹ ausgehen, zu vereinigen. Dieses Sammeln

ι der Strahlenbündel geschieht hier durch einen hyperboloidischen

j Spiegel 31, welcher an dem Block 19b befestigt ist in Verbindung mit einem ellipsoidischen Spiegel 33. Die reflektierende Oberfläche des hyperboloidischen Spiegels 31 hat als Erzeugende einen

I nioht bezeichneten, jedoch in stark ausgezogener Linie darge-

I γ-

Ι stellten Teil eines Astes einer Hyperbel H, welcher sich um die _:

' Spiegelsystemaolise dreht. Ein Brennpunkt der Hyperbel II liegt in j dem Brennpunkt F₂ und der zweite Hyperbelbrennpunkt, der mit F_c

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bezeichnet ist, liegt auf der Spiegelsystemachse, Die lieflexionsfläche des ellipsoidischen Spiegels 53 hat als Erzeugende einen nicht bezeichneten, jedoch in stark ausgezogener Linie dargestellten Teil einer Ellipse E„, welcher ebenfalls um die Spiegelsystemachse rotiert. Ein Brennpunkt der Ellipse E„ fällt mib dem ;schon erwähnten Brennpunkt F der Hyperbel II zusammen, während der zweite Brennpunkt der Ellipse E_p an dem Brennpunkt F, gele-,gen ist. Das divergierende Strahlenbündel, welches von dem Brennpunkt F ausgeht, scheint nach Reflexion an der Spiegelflache

1 dt

;des hyperboloidischen Spiegels 31 von dessen Brennpunkt F_c aus- ;zugehen. In entsprechender Weise wird das divergierende Strah-•lenbündel, das von dem Brennpunkt F ' ausgeht, in ein Strahlenbündel umgewandelt, dessen virtueller Ausgangspunkt ebenfalls ider Brennpunkt F ist. Es ergibt sich daraus, daß sämtliche op- \ tische Energie in dem Brennpunkt F_ fokussiert werden kann. Es ι sei an dieser Stelle bemerkt, daß die vorstehenden Überlegungen bezüglich einer Fokussierung der die Spiege!anordnungen It und

!11a verlassenden und divergierend von den Brennpunkten F₉ und

¹F₀' ausgehenden Strahlen nur bezüglich einer Divergenz in einer

i den Spiegelanordnungsachsen und der Spiegelsystemachse gemeinsa-I men Ebene gelten. Insofern liegen andere Verhältnisse vor als bei ι der Ausführungsform nach Figur 1, bei welchen die Spiegelanord-

!nungen unmittelbar eine Fokussierung auf einen gemeinsamen Brenn- !punkt F_ vornehmen. Jedenfalls aber ermöglicht die Ausführungsform nach Figur 2 die Vereinigung einer Vielzahl von Laserstrahlen einer der Spiegelanordnung 11 zugeordneten Lasergruppe und !einer der Spiegelanordnung 11a zugeordneten Lasergruppe, wenn die !jeweiligen Laserstrahlen nur bereits entsprechend scharf gebündelt in einer der betreffenden Spiegelanordnungsachse und der Spiegelsystemachse gemeinsamen Ebene verlaufen.

Wie bereits im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 erläutert, kann auch der Block 19b der Ausführungsform nach Figur 2 zu einem Hing ausgestaltet werden, um mehr als zwei Spiegelanordnungen nach der Art der Spiegelanordnungen 11 und 11a zur Fokussierung optischer Energie an dem Brennpunkt F^ verwenden zu können.

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Während die Spiegelanordnungen nach den Figuren 1 und 2 die optische Energie von vielen Strahlungsquelle!! auf einen gewünschten Brennpunkt hin fokussieren, ändert sich die Leistungsdichte dieser Energie in einer zu der Spiegelsysteinac-b.se senkrechten Ebene nahe dem Brennpunkt hei einem Umgang um die Achse von Null Ms auf einen Maximalwert. Das bedeutet bei Betrachtung von Figur 3Λ, daß die optische Energie aus jeder Spiegelanordnung in einem jeweils gesonderten Strahlenbündel gesammelt ist, wie beispielsweise in Figur 3A durch die schraffierten Bereiche angedeutet ist. Soll aber erreicht werden, daß die optische Energie so im Bereich des Brennpunktes F_ eintrifft, daß diese Energie vollständig rund um die Spiegelsystemachse verteilt ist, so kann ein System verwendet werden, wie es in den Figuren 3B und 3C dargestellt ist. So kann beispielsweise, wie man deutlich, aus Figur 3B erkennt, ein erster Satz von Spiegelanordnungen Ii, 11a, üb und lic, von denen jede ähnlich ausgebildet ist wie die Spiegelanordnungen nach Figur 2, an einem Block 19c befestigt sein, .so daß die Brennpunkte F , F ', F '' und F '·' der Eingangsspiegel. 13, 13a, 13b und 13c jeweils in Bogenabständen von 90 längs des Umfanges eines Kreises um die Spiegelsystemachse gelegen sind. Eine zweite Gruppe von vier Spiegelanordnungen 12, 12a, 12b und 12c sind an dlem Block 19c so befestigt, daß die Brennpunkte F_y. , Fn^¹, ^F2i'' ^{und F}2i''' ^d*^eser Spiegelanordnungen auf einem kleineren, nicht bezeichneten Kreis um die Spiegelsystemachse und bezüglich der Winkelstellung jeweils zwischen den Brennpunkten F₀, F ', F₂ ¹¹ und F₂'¹' gelegen sind. Handelt es sich bei dem insoweit beschriebenen Spiegelsystem nach Figur 3B unter Außerach tlassung der vorstehenden Ausführungen zur Lage der Brennpunkte

■um ein nach dem Prinzip gemäß Figur 1 arbeitendes Spiegelsystem, wobei die Spiegelanordnungen die durch sie geleitete Strahlungsenergie unmittelbar auf einen gemeinsamen Brennpunkt F_ hin fokussieren, so ergibt sich, daß die Öffnungen der Spiegelanord-

, nungen in jeder Gruppe so gewählt werden können, daß die Sekundärspiegel sich zu einem bestimmten Grade überlappen. Die zu

j fokussierende optische Energie kann dann in "die eine oder andere Spiegelanordnung aus beliebiger Richtung geleitet werden. Mit

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■ anderen Worten, der zweite Satz von Linsenanordnungen 12, 12a, 12b und 12c dient gleichsam als Lückenfüller.

;Betrachtet man Figur JB, so erkennt man, daß die durch die erste Gruppe von Spiegelanordnungen 11, lla, 11b und lic geleitete Op-' tische Energie an den Brennpunkten F₀, F ', F " und F₇.¹¹' fokussiert wird, die auf einem ersten Kreis liegen, dessen Mittelpunkt bei F auf der Linsenachse gelegen ist und daß die optische Energie, welche durch die zweite Gruppe von Spiegelanordnungen 12, 12a, 12b und 12c geführt wird, eine Fokussierung an den Brennpunkten F₀., F₀.', F₀.'' und F₀.' " erfahrt, die auf einem zweiten Kreis um die Linsenachse gelegen sind. Der-Mittelpunkt des zuletzt genannten Kreises kann, muß aber nicht mit dem Punkt F zusammenfallen.

Die durch die Brennpunkte F„, F₂ ¹, F₂" und P„'" gehende optische Energie liegt in vier divergierenden Strahlenbüudeln vor, welche mindestens Bündelanteile aufweisen, die sich in zwei aufeinander senkrecht stehenden Ebenen durch die Spiegelsystem-.achse durchsetzen. Bevor aber die genannten Strahlenbündelanteile die Linsenachse erreichen, fallen sie auf eine hyperboloidische Reflexionsfläche eines Spiegels 31a. Diese Reflexionsflache ist durch Rotation eines Teiles eines nicht dargestellten Ilyperbel-'astes um die Linsenachse erzeugt. Die Brennpunkte der Hyperbel sind mit F_n und F bezeichnet. Es ist daher verständlich, daß

; 2 c

die divergierenden, von den Brennpunkten F₀, F ', F₉'' und F ''' ausgehenden, in Axialebenen durch die Spiegelsystemachse gelegenen Strahlenbündelanteile in divergierende Strahlenbündel uinge- !formt werden, die von F auszugehen scheinen.

;Die divergierenden, in Axialebenen durch die Spiegelsysteiiiaehse !gelegenen Strahlenbündelanteile, welche von den Brennpunkten F₀., ^F2i'' ^F2i'' ^{und F}2i''' ^aus6^ehen> fallen auf die hyperboloidisclie lief lexionsf lache eines Spiegels 31b, welche durch Rotation eines Teiles eines nicht dargestellten Ilyperbelastes um die Linsenachse erzeugt ist, wobei die Brennpunkte dieser Hyperbel mit F₀.

und F bezeichnet sind. Es ergibt sich damit, daß die erwähnten, i

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von den Brennpunkten P₂i» ^1?2i*' ^2i' ' ^und ^i' ' ' ^ausSehenden Strahlenbiindelanteile in-tlivergierende Strahlenbündel umgeformt werden, welche ebenfalls von dem Punkt F auszugehen scheinen. Man erhält daher im Ergebnis ein einziges, zusammengesetztes Strahlenbündel, dessen Querschnitt rein schematisch zur Anbringung der jeweiligen Bezeichnungen in Figur 3A gezeigt ist» Dieses Strahlenbündel hat einen virtuellen Ursprungspunkt an dem Brennpunkt F und kann dann durch einen Parabolspiegel in üblicher Weise parallelgerichtet oder durch einen ellipsoidischen Spiegel ähnlich dem Spiegel 33 nach Figur 2 fokussiert werden.

Sämtliche Teile der Spiegelanordnungen können, wie in Figur 3ß dargestellt ist, an einer gemeinsamen Halterung 3^ befestigt sein. Es ergibt sich dann, daß genauso wie bei den AusfUhrungsbeispielen nach den Figuren 1 und 2 keine Öffnungsverlegung bei ;dem System nach den Figuren 3B und 3C auftritt. Außerdem sei bemerkt, daß zur„Kombination einer bestimmten Anzahl von Laserstrahlen die Größe der Öffnung der einzelnen Spiegelanordnungen kleiner sein kann als die Öffnung sein muß, wenn eine einzige Spiegelanordnung verwendet wird.

Man erkennt außerdem, daß es nicht notwendig ist, den inneren !Satz und den äußeren Satz von Spiegelanordnurigen in axialer Richtung längs der Spiegelsystemachse an demselben Punkt anzulordnen. Die einzige Forderung ist es, daß die hyperboloidisohen

,lief lexionsf lachen der Spiegel 31a und 31b den Brennpunkt F gej me ins am haben müssen. Vielter ist es nicht notwendig, daß die !inneren und/oder die äußeren Spiegelanordnungen zur Spiegelsyjstemachse parallele Rotationsachsen oder Spiegelanordnungsachsen [besitzen, solange nur dafür Sorge getragen ist, daß die beiden 'Gruppen von Spiegelanordnungen so ausgerichtet sind, daß die hyjperboloidischen lief lexionsf läohen der Spiegel 31a und 31b den obigen Überlegungen zur Lage ihrer Brennpunkte genügen und den ₍ Brennpunkt F gemeinsam haben. Es ist ferner erkennbar, daß die ¹ lief lexionsf lachen der Eingangsspiegel nicht notwen-

digerweise parellipsoidisch zu sein brauchen, sondern auch durch

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Rotation von Teilen gerader Linien, Parabeln oder Hyperbeln gebildet sein können, je nachdem, welche Art und welche Form die Eingangsstrahlenbündel der optischen Energie besitzen, die durch das Spiegelsystem geleitet werden. Weiter erkennt man, daß die Spiegelteile der verschiedenen Spiegelanordnungen nicht unbedingt, an optisch flachen Oberflächen befestigt zu sein brauchen, sondern an einstellbare Halterungen angeschlossen werden können, so daß die gewünschte bauliche Zuordnung zwischen den Teilen einge-

jstellt und eingehalten werden kann. Außerdem erkennt man, daß der hyperboloidische Spiegel 31 nach Figur 2 durch ein keilförmiges Spiegelelement ersetzt werden kann, wobei die Neigung der Heflexionsflache dieses Spiegels gegenüber der Spiegelsysteniaclise so gewählt ist, daß der virtuelle Ursprungspunkt der von den Brennpunkten F₀ und F' ausgehenden, in einer Axialebene durch

! ύ ti

die Spiegelsystemachse gelegenen Strahlenbündelanteile bei F liegt. In entsprechender Weise kann der in Zonen aufgeteilte hyperboloidische Spiegel aus den Spiegelteilen 31a und 31b nach Figur 3C durch eine faoetierte Planspiegelanordnung mit demselben Zw&ck ersetzt werden. Schließlich sei noch bemerkt, daß, wie j in den Figuren 3A und 3B gezeigt, die Spiegel der einzelnen konfokalen Spiegelanordnungen 11 und 12 nicht Hälften von vollständig runden Spiegeln zu sein brauchen, sondern vielmehr beliebige J Teile solcher Spiegel sein können, wenn nur dafür Sorge getragen J ist, daß genügend Befestigungsfläche an jedem Spiegel zur Ver- :fUgung steht, um den Spiegel mit Konstruktionsmitteln haltern zu 'können, die außerhalb des Weges der optischen Energie gelegen j sind. .

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Claims

Patentansprüche

Spiegelsystem zur Sammlung optischer Strahlungsenergie von einer Mehrzahl von Strahlungsquellen in einem gerne ins ameii Spiegelsystem-Brennpunkt oder -Brennbereich, gekennzeichnet durch mehrere Spiegelanordnungen (11, lla) aus je mindestens einem konvexen (13, 13a) und einem konkaven Spiegel (15, 15a) die jeweils längs einer Spiegelanordnungsachse (17, 17a) ausgerichtet sind und optische Strahlung auf einen jeweils zugehörigen Brennpunkt (F_) auf dieser optischen Achse zu fokussieren vermögen, ferner durch den Spiegelanordnungen gemeinsame Halterungsmittel (19) die sich längs vollständig außerhalb des Weges der optischen Energie bezüglich sämtlicher Spiegelanordnungen befinden und nii den konkaven und konvexen Spiegeln jeder Anordnung so angeschlossen sind, daß der konkave und der konvexe Spiegel jeweils mit ]ie— zug auf die eigene, zugehörige Spiegelanordnungsachse in ihrer Lage gehalten sind und daß die auf der Spiegelanordnungsachse gelegenen Brennpunkte der Spiegelanordnungen auf einem zur Spiegelsystemachse konzentrischen Brennkreis liegen oder, insbesondere, in dem gemeinsamen Spiegelsysteiii-Brennpunkt zusammenfallen.

2, Spiegelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelanordnungen (ll, lla) jeweils verschiedenen Spiegelanordnungsachsen (17, 17a) zugeordnet sind und je einen Eingangsspiegel (l3> 13a) und einen Ausgangsspiegel (l5f 15a) enthalten, deren lieflexionsflachen jeweils durch Rotation eines Teiles einer .quadratischen Kegelschnittkurye um die Spiegelanordnungsachse um weniger als 36Ο⁰ gebildet sind und die in einer zur Spiegelanordnungsachse im wesentlichen parallelen Ebene BeiestigungsfIa- \ chen zum Anschluß an die Halterungsmittel (19) aufweisen,

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3. Spiegelsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeiohneί, daß die den Spiegelanordnungen gemeinsamen Halterungsmittel (.19) die Gestalt eines keilförmigen Körpers (19) haben, dessen Scheitel oder Spitze auf der Spiegelsystemachse gelegen ist, während die schrägen Seitenflächen des keilförmigen'Körpers zur Befestigung der Spiegelanordnungen (ll, lla) dienen.

^li, Spiegelsystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangsspiegel (13, 13a) eine konvexe Oberflächenkrüinmung besitzt, während der Ausgangsspiegel (15, 15a) eine konkave Oberf Iac henkriiramung der Reflexionsfläche besitzt.

'5. Spiegelsystem nach einem der Ansprüche 1 bis h, bei welchem
die Brennpunkte der Spiegelanordnungen auf einem zur Spiegeisystemachse konzentrischen Brennkreis (F₀, P₀ ¹) liegen, gekennzeichnet durch einen an den gemeinsamen Ilalteruiigsmi tteün (l9b)
befestigten,·für die Spiegelanordnungen gemeinsamen, im Weg der optischen Energie aus den einzelnen Spiegelanordnungen gelegenen Spiegel (3l) solcher Gestalt der Reflexionsfläche, daß die Richtung der an ihm reflektierten optischen Energie so verändert
wird, daß der virtuelle Ursprungspunkt diese'r Energie ein Punkt (F ) auf der Spiegelsystemachse ist (z.B. Figur 2).

6. Spiegelsystem nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen Fokussierungsspiegel (33), welcher auf die Spiegelisystemachse ausgerichtet ist und die von dem genannten, für alle

: Spiegelanordnungen gemeinsamen Spiegel (31) ausgehende Energie

'auf einen gemeinsamen Brennpunkt (F^) fokussiert (Figur 2).

i j

•7. Spiegelsystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsfläche des für alle Spiegelanordnungen gemeinsamen Spiegels (3l) durch einen Teil eines um die Spiegelsystemachse rotierenden Ilyperbelastes erzeugt ist, wobei ein Uyperlielbrennpunkt auf der Spiegelsystemachse liegt und der andere Hyperbelbrennpunkt auf dem den Spiegelanordnungsbrennpunkten gemeinsamen Brennkreis (Fq, F₂') liegt.

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8. Spiegelsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Gruppen von Spiegelanordnungen (ll, lla, lib, lic und 12, 12a, 12b, 12c) vorgesehen sind, welche von den gemeinsamen Halterungsmittel (l9c) derart gehaltert sind, daß jede Spiegelanordnungsgruppe unterschiedlichen Iladialabstand von der Spiegelsystemachse besitzt (Figur 3

9. Spiegelsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,' daß die Spiegelanordnungsbrennpunkte der ersten und der zweiten Spiegelanordnung sgruppe sämtlich in einem einzigen, gemeinsamen Brennpunkt des Spiegelsystems zusammenfallen.

10. Spiegelsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelanordnungsbrennpunkte der ersten Spiegelanordnungsgruppe auf einem ersten und die Spiegelanordnungsbrennpunkte der zweiten Spiegelanordnungsgruppe auf einem zweiten, zur Spiegelsystemaohse konzentrischen Kreis gelegen sind.

11. Spiegelsystem nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch einen " die optische Energie von den Spiegelanordnungsbrennpunkten re-, flektierenden Kombinationsspiegel (31a, 31b) dessen Oberflacliengestalt so gewählt ist, daß die reflektierte Energie von einem Ursprungspunkt (F₀) auf der Spiegelsystemachse auszugehen scheint.

12. Spiegelsystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß

. der Kombinationsspiegel in zwei Zonen (31a, 31b) aufgeteilt ist, ;deren Heflexionsflache jeweils durch Rotation eines Teiles eines ;Hyperbelastes um die Spiegelsystemachse gebildet ist, wobei ein Hyperbelbrennpunkt mit dem genannten scheinbaren* Ursprungspunkt'. (F ) der Strahlung zusammenfällt, während der jeweils andere Ilyperbelbrennpunkt auf den zugehörigen Brennkreis (F₀, F ' bzw.

i ti F₂-, Fg.¹) der betreffenden Spiegelanordnungsgruppe gelegen ist.

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