DE2714495C2 - Optische Anordnung - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In derartigen optischen Anordnungen, Zr B, bei einer optischen Bank oder in Anordnungen wr Erzeugung oder zur Verstärkung kohärenter Strahlung (L,aser)₍ werden oft zueinander parallele Spiegel verwendet, die auch bei mechanischen und/oder thermischen Umwelteinflüssen ihre planparallele Lage beibehalten müssen. Diese Forderung tritt insbesondere bei Lasern mit einem optischen Resonator auf, dessen stimulierbares Medium zwischen zwei einander gegenüberstehenden, parallelen Reflektoren in einer Aufnahmeeiu richtung angeordnet ist Bei einer solchen optischen Anordnung ist es zur Erzielung eines optimalen Wirkungsgrades des Lasers erforderlich, daß die einjustierten optischen Elemente des Laserresonators ihre zueinander planparallele Lage nicht verändern. Da bei Lasern die auftretende hohe Verlustwärme mittels Kühlung abgeführt werden muß, sind Temperaturschwankungen innerhalb des Laseraufbaus meistens unvermeidlich. Derartige Temperaturschwankungen können jedoch Veränderungen an dem Resonator hervorrufen.

Aus der DE-AS 1173986, welche auf die US-PS 32 77 396 zurückgeht ist ein optischer Verstärker bekannt, dessen äußerer Rahmen durch ein Gestell aus zwei mittels Abstandsstäben miteinander verbundenen ringförmigen Halteplatten gebildet ist. Innerhalb der Kreisöffnung einer jeden Ringplatte ist ein Balg angeordnet, wobei die voneinander abgelegenen Enden der Bälge vakuumdicht mit Endscheiben zur Halterung von Fenstern verbunden sind. An jede Endscheibe ist ein sich jeweils ins Innere des betreffenden Balges hinein erstreckender Rohrabschnitt angesetzt, welcher jeweils durch eine Spiegeiplatte abgeschlossen ist Die einander zugekehrten Enden der Bälge sind jeweils vakuumdicht an Ringscheiben angeschlossen, die in Rohrstücke übergehen, zwischen denen ein durchsichtiges Entladungsrohr gehalten ist Bei dem bekannten optischen Verstärker kann eine Endscheibe und damit die entsprechende Spiegelplatte durch einen oder mehrere Einstellknöpfe verschwenkt werden. Der Einstellknopf sitzt auf einer in der einen Ringplatte drehbar gelagerten Schraubspindel, welche mit einem Innengewinde der Endscheibe zusammenwirkt Je nach Verstellung des Einstellknopfes wird der zugehörige Balg der Endscheibe zusammengedrückt oder auseinandergezogen, wodurch gleichzeitig die Winkeleinstellung der betreffenden Spiegelplatte verstellt wird. Es können auch beide Spiegelplatten schwenkbar ausgebildet werden, wozu dann eine weitere Einstellvorrichtung für die zweite Spiegelplatte erforderlich ist Diese Einstellvorrichtungen dienen somit lediglich dazu, die Winkeleinstellung jeweils einer Spiegelplatte zu verändern. Eine Beibehaltung einer planparallelen Einstellung von zwei Spiegelplatten auch im Betriebszustand des optischen Verstärkers ist mit derartigen Einstellvorrichtungen nicht erreichbar.

Durch die US-PS 39 87 373 ist ein Laser bekannt, dessen Gestell aus einer Bastsplatte und zwei darauf senkrecht angeordneten Stützen besteht Als Träger der Reflektoren des Laserresonators sind zwei Platten vorgesehen, weiche jeweils über eigene, aus Schraubbolzen und Federgliedern bestehende Einrichtungen mit jeweils einer Refefenzplätte Verbunden sind. Diese Referenzplatten sind mittels in den senkrechten Stützen gehaltener Stäbe aus einem Material mit einem geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten starr miteinander verbunden. Mit den aus Schraubbolzen und Federgliedern bestehenden Einrichtungen kann bei dem bekannten Laser jeder Reflektor für sich in seiner

Winkellage verändert werden, FQr die Erhaltung der planparallelen Lage der beiden Reflektoren sind derartige Verstelleinrichtungen aber weder vorgesehen noch geeignet.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einer optischen Anordnung der eingangs genannten Art eine temperatorunabhängige Halterung der Spiegel zu schaffen, so daß eine planparallele Einstellung der Spiegel zueinander auch im Betriebszustand der optischen Anordnung bei Temperaturschwankuagen innerhalb der Anordnung erhalten bleibt

Diese Aufgabe wird bei einer optischen Anordnung der eingangs genannten Art entsprechend den kennzeichnenden Bestimmungendes Anspruches 1 gelöst

Bei einer derartigen Anordnung ergibt sich bei den zu erwartenden, insbesondere thermisch bedingten Veränderungen der Aufnahmeeinrichtung infolge der vorteilhaften geometrischen Anordnung die Funktion eines Parallelogramms, da der eine Spiegelträger starr mit der Aufnahmeeinrichtung und der zweite Spiegelträger mittelbar über in einem Gleitlager geführte Abstandsstäbe derart mit dem ersten Träger verbunden ist daß der zweite Träger infolge dieser mechanischen Xopplung mit dem ersten Träger und des Gleitlagers für die Abstandsstäbe imstande ist Positionsänderungen des ersten Trägers zwangsläufig mitzuvollziehen. Auf diese Weise bleibt bei Veränderungen der Aufnahmeeinrichtung stets die planparallele Einstellung der beiden Spiegel zueinander erhalten.

Zweckmäßigerweise besteht bei einer Anordnung nach der Erfindung die Aufnahmeeinrichtung aus einem Gehäuse mit mindestens zwei miteinander verbundenen parallelen Gehäuseseitenwänden. Ein besonders einfacher Aufbau läßt sich hierbei verwirklichen, wenn die Aufnahmeeinrichtung als Träger für alle Funktionselemente ausgebildet ist Als Funktionselemente sind hierbei z. B. bei einem Laser der optische Resonator sowie die zur Halterung der Reflektoren verwendeten Mittel zu verstehen. Dabei ist es vorteilhaft wenn der Träger des ersten Spiegels von einer Gehäuseseitenwand gebildet fct

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Abstandsstäbe aus einem Material bestehen, das einen gegenüber der Aufnahmeeinrichtung wesentlich geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten und eine schlechtere Wärmeleitfähigkeit aufweist Darüber hinaus ist es von weiterem VofSeil, wenn die Abstandssiäbe mit einem wärmeisolierenden Überzug versehen sind, so daß der Wärmeübergang von der Aufnahmeeinrichtung auf die Funktionselemente über Wärmeleitung, -strahlung und 'konvektion auf ein Minimum reduziert ist Dadurch wird erreicht daß die auftretenden Wärmedehnungen an allen Abstandsstäben mit größter Gleichmäßigkeit und in geringstem Maße erfolgen.

Eine einfache Justiermöglichkeit für den zweiten Spiegel läßt sich dadurch gewährleisten, daß der Träger des zweiten Spiegels mittels Federklammern an dem axial bewegbar gelagerten Ende der Abstandsstäbe gehalten ist. Hierbei ist zweckmäßigerweise der Träger des zweiten Spiegels mit Justierschrauben versehen, in deren den Abstandsstäben zugewandtem Ende jeweils eine Kugel eingesetzt ist. Auf diese Weise läßt sich einerseits eine einfache mechanische Verbindung zwischen dem Träger des zweiten Spiegels und den Abstandsstäben und damit mit dem Träger des ersten Spiegels herstellen und andererseits eine sichere und einfach zu handhabende Justierung der Position des zweiten Spiegels in bezug ->uf die Position des ersten Spiegels vornehmen.

Ein vorteilhaftes Ausföhrungsbeispiel einer optischen Anordnung nach der Erfindung wird im folgenden anhand von Zeichnungen näher beschrieben,
Die F i g, 1 und 2 zeigen in einem Schnitt bzw. in einer Draufsicht ein rechteckiges, kastenförmiges Gehäuse 1, welches als Aufnahmeeinrichtung für das nicht näher dargestellte stimulierbare Medium eines Lasers und dessen Anregungslichtquelle sowie als Träger für alle im

folgenden erwähnten Funktionselemente ausgebildet ist Infolge seiner Form weist das Gehäuse I zwei miteinander über die Längswände 2,3 und den Boden 4 verbundene zueinander parallele Seitenwände 5 und 6 auf. Dabei bildet die eine Gehäuseseitenwand 5 eine mit

'⁵ der Aufnahmeeinrichtung fest verbundene Basis zur Aufnahme eines Resonanzreflektors 7, welcher in der optischen Achse des Resonators in der Gehäuseseitenwand 5 gehalten ist Zugleich bildet dieie Gehäuseseitenwand eine Referenzfläche 8 für den zweiten Resonanzreflektor 9, welcher in einem zu der Aufnahmeeinrichtung relativ bewegbar··! Element in der optischen Achse des Resonators gehaiien ist Dieses den zweiten ReRektor tragende Element ist als z. B. im wesentlichen dreieckförmige Trägerplatte 10 ausgebildet die mittelbar mit der den ersten Reflektor 7 tragenden Basis 5 verbunden ist Als Verbindungsmittel sind drei Abstandsstäbe 11,12 und 13 vorgesehen und so angeordnet daß — von der Seite der Aufnahmeeinrichtung her gesehen — eine gedachte Verbindung der Stäbe miteinander ein auf einer Ecke stehendes Dreieck ergeben würde. Die Trägerplatte 10 ist mit Justierschrauben 14 versehen, in deren den Abstandsstäben 11, 12 und 13 zugewandten Ende jeweils eine Kugel 15 eingesetzt ist Die mechanische Verbindung der Trägerplatte mit den Abstandsstäben erfolgt über Federklammern 16, die in Fig.2 um 90° gedreht eingezeichnet sind und einerseits gegen die freien Enden der Justierschrauben drücken und andererseits die Abstandsstäbe umgreifend drehbar an diesen gelagert sind und außerdem um den Außenrand der Trägerplatte herumgeführt sind. Die Abstandsstäbe bestehen aus einem Material mit einem gegenüber der Aufnahmeeinrichiung wesentlich geringeren linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten, um bei Temperaturschwankungen die notwendige hohe Planparallelität der beiden Resonanzreflektoren zueinander nicht zu beeinträchtigen. Das verwendete Material für die Abstandsstäbe besitzt darüber hinaus gegenüber dem Material der Aufnahmeeinrichtung eine geringere Wärmeleitfähigkeit und ist zusätzlich mit einem wärmeisolierenden, durch dickausgezogene Linien kenntlich gemachten Überzug 17 versehen. Damit werden Temperaturverän* derungen weitgehend von den Abstandsstäben ferngehalten. Als Material für die Abstandsstäbe eignet sich Invar besonders gut Da die Abstandsstäbe einen wesentlich geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen als das sie umschließende Gehäuse 1, können sie nur an der Referenzfläche 8 fest mit der Gehäuseseitenwand 5 verbunden werden, z. B. mittels Schrauben. Mit dem anderen Ende dagegen sind die Abstandsstäbe 11, 12 und 13 axial verschiebbar in der gegenüberliegenden, mit einer Durchtrittsöffnung 18 versehenen Gehäuseseitenwand 6 gelagert. Als Lagerstelle wird in einfacher Weise ein Gummiring 19 verwendet.

Anhand der Fig.3 ui.rf 4 wird das dort schemalisch dargestellte Funktionsprinzip zur Erhaltung der planparallelen Lage der Resonanzreflektoren bei Veränderun-

-^amsi-astx

gen der Gehäuseform, insbesondere infolge thermischer Einflüsse, erläutert. Dabei zeigt die Fig.3 die Ausgangsform des Gehäuses 1 und die Grundposition der Resonanzreflektoren 7 und 9, während in der F i g. 4 eine sich insbesondere bei thermischen Veränderungen beispielsweise ergebende Form des Gehäuses angedeutet ist. Hierbei können sich Verbiegungen der den ersten Resonanzreflektor 7 tragenden Gehäuseseitenwand 5, des diese Gehäuseseitenwand und die gegenüberliegende Gehäuseseitenwand 6 miteinander verbindenden Gehäusebodens 4 und damit der anderen Gehäuseseitenwand 6 in der gezeigten Weise ergeben. Aufgrund der in den F i g. 1 und 2 dargestellten, oben näher beschriebenen mechanischen Entkopplung des zweiten Resonanzreflektors 9 vom Gehäuse 1 über die fest an der Basis 5 und axial verschiebbar in der gebogenen Gehäuseseitenwand 6 geführten Abstandsstäbe II, 12 und 13 ergibt sich bei der gezeigten Veränderung des Gehäuses eine parallelogrammseitige Verbindung der die Resonanzreflektoren tragenden Elemente und der sie verbindenden Mittel, da der Träger 10 des zweiten Resonanzreflektors 9 infolge dieser Verbindung der Veränderung der den ersten Resonanzreflektor 7 tragenden Basis 5 folgen muß. Hierbei haben zwangsläufig in der einen Lagerstelle der Abstandsstäbe vorhandene Toleranzen in Radialrichtung sowie eine Verwindung oder Verbiegung des Gehäuses keinen

in Einfluß auf die Funktion des Laserresonators, da die beiden Resonanzreflektoren 7 und 9 ihre planparallele Lage nicht verändern. Die an der anderen Lagerstelle, nämlich an der Basis vorhandene feste Verbindung zwischen der Gehäuseseitenwand 5 bzw. den Schrauben und den Abstandsstäben bildet keine Behinderung, da die infolge der Veränderung auftretenden Bewegungen von dem Material der Abstandsstäbe selbst gleichermaßen aufgefangen werden.

Hierzu 1 BIaIt 7Rirhniinoe.n

Claims (10)

1. 2744

   Patentansprüche;

   U Optische Anordnung mit zwei parallelen Spiegeln, deren Träger mittels Abstandsstangen aus einem Material geringer Wänneausdehnung miteinander verbunden sind, und mit einer diese Anordnung tragenden Aufnabmeeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger(5) des ersten Spiegels (7) starr mit der Aufnahmeeinrichtung (1) verbunden ist und daß die Abstandsstäbe (11,12,13) ι ο an einem Ende fest an dem ersten Träger (5) gelagert und im Bereich des anderen, mit dem Träger (10) des zweiten Spiegels (9) verbundenen Endes in axialer Richtung bewegbar in einem Gegenlager an der Aufnahmeeinrichtung geführt wird.
2. 2. Optische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmeemrichtung aus einem Gehäuse (1) mit mindestens zwei miteinander verbundenen parallelen Gehäuseseitenwänden (5,6) besteht
3. 3. Optische Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß die Aufnahmeeinrichtung (l)~als Träger für alle Funktionselemente ausgebildet ist
4. 4. Optische Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger des ersten Spiegels (7) von einer Gehäuseseitenwand (5) gebildet ist
5. 5. Optische Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gegenlager von der zur Gehäuseseitenwand (5) gegenüberliegenden anderen Gehäuseseitenwand (6) gebildet und als Lager für das axial· verschiebbare Ende der Abstandsstäbe (11,12,13) jeweils ein in der Gehäuseseiten wand (6) angeordneter Gummiring (19) vorgesehen ist
6. 6. Optische Anordnung nacJ einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandsstäbe (11, 12, 13) aus einem Material bestehen, das einen gegenüber der Aufnahmeeinrichtung (1) wesentlich geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten und eine schlechtere Wärmeleitfähigkeit aufweist
7. 7. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandsstäbe (11, 12, 13) mit einem wärmeisolierenden Überzug (17) versehen sind.
8. 8. Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (10) des zweiten Spiegels (9) als Platte ausgebildet ist so
9. 9. Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (10/ des zweiten Spiegels (9) mittels Federklammern (16) an dem axial bewegbar gelagerten Ende der Abstandsstäbe (11, 12, 13) gehalten ist.
10. 10. Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (10) des zweiten Spiegels (9) mit Justierschrauben (14) versehen ist, in deren den Abstandsstäben (11, 12, 13) zugewandtem Ende jeweils eine Kugel (15) eingesetzt ist.