DE3247794A1

DE3247794A1 - Abschwaecher fuer optische strahlung

Info

Publication number: DE3247794A1
Application number: DE19823247794
Authority: DE
Inventors: Fritz 7000 Stuttgart Keilmann; Karl-Wilhelm 7261 Ostelsheim Kußmaul
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1982-12-23
Filing date: 1982-12-23
Publication date: 1984-06-28
Also published as: US4561721A

Description

23. Dezember 1982 11379 Dr.v.B/Schä

Max-Planck-Gesellschaft

zur Förderung der Wissenschaften e.V.,

Bunsenstrasse 10, 3400 Göttingen

Abschwächer für optische Strahlung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abschwächer für optische Strahlung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 , insbesondere einen Abschwächer für Laserstrahlung.

Die Laserstrahlung wird in Wissenschaft und Technik zunehmend mehr verwendet, insbesondere seitdem Laser mit hoher Strahlungsausgangsleistung, wie der CO^-Laser, zur Verfügung stehen. In vielen Fällen ist es dabei erfor-. derlich, die Strahlungsleistung dem jeweiligen Verwendungszweck anzupassen.

Da die Steuerung der Ausgangsleistung eines Lasers nicht unproblematisch ist, hat man bisher äußere Absorber nach Art von Grau-Filtern zur Einstellung der Strahlungsleistung verwendet, also Quarz- oder Glasplatten, die mit einer möglichst wellenlängenunabhängig absorbierenden Einfärbung oder Beschichtung versehen sind. Solche Graufilterplatten sind jedoch nicht sehr breitbanding, d.h. die Absorption hängt von der Wellenlänge der transmittierten Strahlung ab, außerdem sind Störungen durch Interferenz von an der Vorder- bzw. Rückfläche reflektierten Strahlen sowie durch Wellenfrontverzerrung

■] (Dejustierung) infolge ungenügender Planparallelität der Vorder- und Rückfläche, insbesondere wenn die Absorber-Platte heiß wird, möglich.

Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, einen Abschwächer für optische Strahlung, insbesondere Laserstrahlung hoher Intensität anzugeben, dessen Abschwächungsvermögen weitestgehend unabhängig von der Wellenlänge der Strahlung und der TO Temperatur des Abschwächers ist.

Diese Aufgabe wird durch den im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Abschwächer gelöst.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen eines solchen Abschwächers sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Das Abschwächungsvermögen des vorliegenden Abschwächers ist in einem relativ weiten Wellenlängenbereich unabhängig von der Wellenlänge der Strahlung, außerdem ist der vorliegende Abschwächer hoch belastbar und sein Abschwächungsvermögen ist praktisch temperaturunabhängig.

Im folgenden werden bevorzugte A'Qsführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des . der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden physikalischen Prinzips.

Fig. 2 ein etwas vereinfacht dargestellter Axialschnitt einer praktischen Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 3 eine schematische, perspektivische Ansicht der Orientierung zweier benachbarter Metallnetze eines Abschwächers gemäß einer Weiterbildung der Erfindung.

Bei dem vorliegenden Abschwächer wird in erster Linie die aus der Wellenoptik bekannte Tatsache nutzbar gemacht, daß ein durchbrochenes Flächengebilde (oder eine entsprechende Phasenstruktur, wie ein Phasenbeugungsgitter)] einfallende Strahlung, deren Wellenlänge vergleichbar mit der Periode oder den Perioden der Struktur der Durchbrechungen ist, Strahlung verlustlos beugt. Beispielsweise wirkt also ein Maschen- oder Drahtnetz geeigneter Maschenweite wie zwei gekreuzte beugende Strichgitter. Der vorliegende Abschwächer enthält also nfiindestens ein durchbrochenes Flächengebilde gegeigneter ^; Struktur, vorzugsweise ein Netz aus zwei Scharen vorzugsweise gleichmäßig beabstandeter und sich vorzugsweise unter einem rechten Winkel kreuzender Drähte, die aus Gründen der thermischen Belastbarkeit vorzugsweise aus Metall bestehen. Für Strahlung hoher Leistung kann das durchbrochene Flächengebilde z.B. aus Metallen mit guter Wärmeleitfähigkeit, wie Gold, Silber oder Kupfer oder auch Metallen mit hohem Schmelzpunkt, wie Wolfram, bestehen. Das Flächengeb'ilde kann ein Drahtgewebe oder auch ein durch Verschweißen der Kreuzungsstellen hergestelltes Gitter oder ein lithographisch oder elektrolytisch hergestelltes Gebilde sein.

, ... BAD ORIGINAL

Es ist vorzugsweise selbsttragend, um Mehrfachrefexionen an der Vorder- und Rückseite eines Trägers zu vermeiden.

Die Lochstruktur des Flächengebildes wird im allgemeinen im wesentlich regelmäßig sein, also z.B. linear (Strichgitter), orthogonal (Kreuzgitter), hexagonal usw. Die * Löcher können quadratisch, rund, sechseckig, streifenförmig oder auch anderweitig geformt sein.

TO Die Dicke des Flächengebildes soll kleiner oder höchstens etwa gleich der Wellenlänge der optischen Strahlung sein, für die es verwendet werden soll. Das Verhältnis der Periode der Struktur des Flächengebildes zur Wellenlänge der Strahlung kann in der Praxis zwischen etwa 0,1 und 100 liegen und liegt vorzugsweise zwischen etwa 1 und 10, insbesondere bei etwa drei.

Wie in Fig. 1 dargestellt ist,, wird die Periode der Struktur des durchbrochenenen Flächengebildes. also insbesondere die der Maschen eines Kreuzgitters oder Netzes, bezüglich der Wellenlänge der Strahlung, für die der Abschwächer verwendet werden soll, so bemessen, daß eine Beugung stattfindet. Die Struktur wird zweckmässigerweise so ausgebildet, daß mehrere, z.B. drei, oder viele Beugungsordnungen^ entstehen. Die Reflexion "der Strahlung an der einfallsseitigen Oberfläche des Flächengebildes kann .jedoch auch einen wesentlichen Beitrag zur Abschwächungswirkung beitragen. Das Reflexionsvermögen dieser Seite ist daher vorzugsweise möglichst hoch, z. B. größer als 60 %.

In Folgenden wird die Erfindung anhand eines Flächengebildes in Form eines Drahtnetzes beschrieben, da dies die derzeit bevorzugte Ausführungsform darstellt. Die Erläuterungen gelten jedoch im wesentlichen auch für andere, eine Vielzahl von Durchbrechungen aufweisende

BAD ORIGfNAL

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Flächengebilde aus strahlungundurchlässigern, vorzugsweise reflektierende Material.

Das Maschennetz 10 (Fig. 1) ist zweckmäßigerweise so -im Strahlengang der zu absorbierenden Strahlung angeordnet, daß weder ein reflektiertes noch ein gebeugtes Strahlungsbündel auf die Strahlungsquelle, also insbesondere einen Laser hoher Strahlungsleistung, zurückfallen können. Wie Fig. 1 zeigt, ist das Maschennetz 10 daher zwar quer aber unter einem von 90 Grad etwas verschiedenen Winkel oL bezüglich der optischen Achse 12 des Strahlenganges der zu absorbierenden Strahlung angeordnet, so daß die reflektierte nullte Ordnung 0 und die reflektierten Beugungsordnungen 1, -1; 2, -2; usw. einen von 0 wesentlich verschiedenen Winkel mit der Achse 12 des Strahlenganges bilden. Der Winkel ß kann insbesondere etwa die Hälfte des Beugungswinkels der 1. Ordnung betragen. ■

Die in Reflexion gebeugten Strahlungsbündel sowie die in Transmission gebeugten Strahlungsbündel der Ordnungen 1·, -1 ' , 2-, -2' usw. werden von seitlich angebrachten Wänden 14 absorbiert, die eine stark absorbierende Oberfläche haben.

Die Abschwächungswirkung erfolgt also durch Beugung an den Drähten des Metallnetzes. Der transmittierte Strahl, dessen Achse mit 12' bezeichnet ist, erfährt keine Veränderung der Wellenfront, insbesondere auch keine Dejustierung. Er erfährt außerdem auch keine Veränderung seines (beliebigen) Polarisationszustandes.

BAD ORIGINAL

Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel konnten mit einem rechtwinkligen Netz aus 6 μπι dicken Kupferdrähten, das quadratische Maschen mit einer Periode von 24 um hatte, ein fester Abschwächungsfaktor zwischen etwa 2 und 3 erhalten werden, · der für Wellenlängen im •Bereich von 9 bis 11 μπι sowie für Leistungen im kW-Bereich konstant war.

Um höhere Abschwächungsfaktoren zu erreichen, können mehrere durchbrochene Flächengebilde, wie Metallnetze 10a, 10b, 10c usw. im Strahlengang hintereinander angeordnet werden, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Die Metallnetze können jeweils in einem ringförmigen Halter 16 angeordnet sein, der eine hohe Wärmekapazität und/ oder ein hohes Wärmeleitvermögen hat und/oder mit einer Kühlvorrichtung, versehen sein kann. Vorzugsweise erfolgt die Kühlung durch ein Gas, wie Wasserstoff, Helium oder Luft, das durch ein Gebläse durch ein die Abschwächeranordnung enthaltendes Gehäuse 20 gefördert wird, an dessen Innenwänden die gebeugte und reflektierte Strahlung absorbiert wird.

Zur stufenweisen Änderung des Abschwächungsfäktors eines Absorbers der in Fig. 2 dargestellten Art können die 25einzelnen Drahtnetze 10a, 10b, 10c an Halterungsstäben 18 befestigt sein, so daß sie nach Wunsch aus dem Strahlengang herausgezogen werden können, wie in Fig. 2 für das Drahtnetz 10n dargestellt ist.

Bei Verwendung mehrerer, im Strahlengang hintereinander angeordneter Metallnetze sind diese vorzugsweise nicht parallel zueinander angeordnet, sondern bilden mit ihren

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Ebenen einen von 0 verschiedenen Winkel (z.B. 5 bis 20 Grad). Hierdurch wird verhindert, daß ein zweifach reflektiertes Strahlungsblindel nullter Ordnung eine zur optischen Achse parallele Ausbreitungsrichtung annimmt.

Auch die Drahtscharen benachbarter Metallnetze sind nicht parallel, sondern um die Ausbreitungsrichtung der Strahlung gegeneinander verdreht, "z.B. um 30 Grad. Hierdurch wird vermieden, daß zweifach gebeugte Strahlungsbündel eine zur optischen Achse parallele Ausbreitungsrichtung erhalten. Diese Maßnahmen sind in Fig. 3 schematisch dargestellt.

Die Drahtnetze 10a, 10b, TOc, ... können auf Revolverscheiben angeordnet sein, so daß eine schnelle und reproduzierbare, stufenweise Leistungseinstellung möglich ist.

Eine kontinuierlich änderbare Einstellung der Abschwächung, beispielsweise bis zu 25 oder 30 % kann dadurch erreicht werden, daß ein Metallnetz kontinuierlich um eine zur Strahlachse senkrechte Achse gedreht wird, z.B. in einem Winkelbereich von 10° bis 40° bezüglich der Strahlachse. Durch eine solche Drehung wird jedoch der Polarisationszustand der Strahlung leicht verändert.

Falls dies nicht zulässig ist, kann die kontinuierliche Änderung der Abschwächung durch Drehen zweier, im Strahlengang hintereinander angeordneter Netze um zwei zueinander und zur Achse des Strahlenganges senkrechte Achsen um gleiche Winkel bewirkt werden, dann kompensieren sich die Einflüsse der Verdrehung der einzelnen Netze auf den Polarisationszustand.

Bei dem vorliegenden Abschwächer wird die Intensität eines Strahlungsbündels also dadurch herabgesetzt, daß ein Teil der Strahlung durch eine im Strahlengang

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angeordnete beugende und/oder reflektierende Struktur vom Bündel abgetrennt und außerhalb des Strahlenganges des Bündels absorbiert wird.

Claims

; P/CTEftiTArJJvALtE .. :

DIPL. ING. PETER SCHÜTZ DIPL. ING. WOLFGANG HEUSLER

MARIA-THERESIA-STRASSE SS POSTFACH 86 02 00

D-8QQ0 MJJENCHEN 86

ZUOELASSEN BEIM EUROPÄISCHEN PATENTAMT

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TELEFON 089/4 70 00 06 TELEX S32 638 TELEGRAMM SOMBEZ

23. Dezember 1982 11379 Dr.v.B/Schä

Max-Planck-Gesellschaft

zur Förderung der Wissenschaften e.V.,

Bunsensträsse 10, 3400 Göttingen

Abschwächer für optische Strahlung

Patentansprüche

\i . J Abschwächer für' optische "Strahlung, insbesondere Laserstrahlung, gekennzeichnet durch mindestens ein quer "&"■■ zur Äusbreiturigsrichtüng der Strahlung angeordnetes mehrfach durchbrochenes Flächengebilde (10).

2^:i Abschwächer nach'Anspruch 1, "dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Flächengebildes in der Größenordnung der Wellenlänge der optischen Strahlung oder darunter

''■''-■ '-liegt. " '' " '

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3. Abschwächer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß das Fiächengebilde eine der einfallenden Strahlung zugewandte reflektierende Seite hat.

POSTSCHECK MÖNCHEN NR. 6?! 46 - βΟΟ · BANKKONTO HYPOBANK MÖNCHEN (BtZ" 70Ρ:?0.0:<ΟΙ KTO. 60 6O267 37B SWIFT HYPO DE

BAD ORIGINAL

4. Abschwächer nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Flächengebilde eine Beugungsstruktur bildet.

5· Abschwächer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Flächengebilde eine Gitterstruktur hat.

6. Abschwächer nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, daß das Flächengebilde aus Gold, Silber, Kupfer oder einem hochschmelzenden Metall, wie Wolfram, besteht.

7. Abschwächer nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekenn- zeichnet, daß das Flächengebilde ein Netz aus Metall ist.

8. Abschwächer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebene des Flächengebildes (10) einen von 90° etwas verschiedenen Winkel mit der Ausbreitungsrichtung der Strahlung bildet.

9. Abschwächer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum Drehen des durchbrochenen Flächengebildes um eine zur Ausbreitungsrichtung der Strahlung im wesentlichen senkrechte Achse.

10. Abschwächer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch mehrere, im Strahlengang hintereinander angeordnete durchbrochene Flächengebilde.

11. Abschwächer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich net, daß benachbarte Flächengebilde gleichartige, jedoch gegeneinander um die Einfallsrichtung der Strahlung verdrehte Strukturen aufweisen.

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12. Abschwächer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich net, daß die Ebenen benachbarter Flächengebilde zueinander nicht parallel sind.

13. Abschwächer nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß er zwei drehbar gelagerte Flächengebilde enthält, deren Drehachsen aufeinander und auf der Aüsbreitungsrichtung der Strahlung im wesentlichen senkrecht stehen.
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14. Abschwächer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Gehäuseanordnung (14, 20) zur Absorption der von einem Flächengebilde reflektierten oder gebeugten Strahlung.

15. Abschwächer nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch eine Kühlvorrichtung.