DE3408263C1

DE3408263C1 - Verfahren zur Herstellung von Hochenergielaserspiegeln

Info

Publication number: DE3408263C1
Application number: DE19843408263
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dipl.-Phys. Dr. 8019 Glonn Protz
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: LFK Lenkflugkoerpersysteme GmbH
Priority date: 1984-03-07
Filing date: 1984-03-07
Publication date: 1985-12-05

Description

Die F i g. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel dieses Kühlsystems in einem schematischen Teilquerschnitt. Aufgrund der unterschiedlichen Kristallorientierung im Silizium ist ein anisotropes Ätzen möglich, d. h., es können sehr schmale und gleichzeitig sehr tiefe Kanäle hergestellt werden, was sich natürlich sehr günstig auf die Kühlwirkung bzw. das Kühlverhalten auswirkt. Ein sehr günstiges Maß für die Ausgestaltung des Kühlsystems 14 ist eine Breite der Kanäle von jeweils 50 llm und einer Breite der Stege 14a von ebenfalls 50 um. Die Höhe der Kanäle 14 bzw. deren Tiefe in die Spiegelträgerplatte 14 hinein soll 300 um betragen, so daß noch eine durchgehende Plattenstärke 14b von 50 um verbleibt. An den Breitseiten der Kühlkanäle 14 schließt sich quer zu ihnen auf der einen Seite ein Zuführungskanal 12 und auf der anderen Seite ein Sammelkanal 13 an.
Die F i g. 1 verdeutlicht diese Anordnung.
Dieser Spiegelplatte 11 ist nun eine Spiegelträgerplatte 15 zugeordnet, die aus einem Glas besteht, dessen - wie bereits erwähnt - Ausdehnungskoeffizient demjenigen des Siliziums entspricht. Als Stärke bzw. Dicke der Spiegelträgerplatte 15 wird etwa ein Sechstel ihrer Querdimension vorgeschlagen. In dieser Platte werden nun passend zu dem Zuführungskanal 12 und dem Sammelkanal 13 Bohrungen 16 und 17 angebracht, die den Zu- und Abfluß des Kühlmittels gewährleisten. Die Anschlüsse für das Kühlmittel sind in der Zeichnung mit 18 bezeichnet.
Die Verbindung der Spiegelplatte 11 und der Spiegelträgerplatte 15 erfolgt vorzugsweise durch sogenanntes anodisches Bonden, wobei die geschliffene Unterseite 11a der Spiegelplatte 11 mit der Oberseite 15a der Spiegelträgerplatte 15, die ebenfalls geschliffen ist - miteinander in Kontakt gebracht und das Glas mit einer negativen Hochspannung gegenüber dem Silizium beaufschlagt. Dann wird das Ganze auf eine Temperatur von etwa 400"C erhitzt. An der Übergangsfläche von Glas und Silizium erfolgt nun eine Schmelzverbindung, welche sehr fest haftet. Zur Fertigstellung des Hochleistungslaserspiegels wird nun die Siliziumoberfläche 11a in der gewünschten Weise optisch bearbeitet, zum Beispiel durch Politur oder Diamantdrehen und anschließend mit einer für die gewünschte Laserwellenlänge hochreflektierenden Dünnschicht durch Aufdampfen versehen.
Dieses vorgeschlagene Herstellungsverfahren erbringt bei der Herstellung von Laserspiegeln der eingangs genannten Art eine Reihe von Vorteilen. Aufgrund der Gefügestruktur der vorgeschlagenen Materialien wird der Spiegel frei von inneren Spannungen gehalten und dadurch Deformationen vermieden. Weiterhin ist der thermische Ausdehnungskoeffizient um eine Größenordnung geringer als bei den bisher bekannten Metall-Hochleistungslaserspiegeln. Das Wärmeleitvermögen ist im selben Umfang wie bisher gewährleistet.
Natürlich ist auch die optische Bearbeitbarkeit der Spiegelfläche wesentlich günstiger als bei Metallen, wobei zu berücksichtigen ist, daß hier zusätzlich auch noch eine wesentlich bessere Bearbeitungsgenauigkeit gegeben ist. Das vorgeschlagene Kühlkanalsystem kann geometrisch optimal den Erfordernissen angepaßt werden, so daß eine homogene Temperaturverteilung auf der Spiegeloberfläche entsteht.
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Claims

Patentansprüche: 1. Verfahren zur Herstellung von Hochenergielaserspiegeln mit einem Kühlsystem, bei welchem die Kühlkanäle sich in der Unterseite der Spiegelplatte befinden, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserspiegel (10) in Verbundbauweise aus monokristallinem Silizium und Glas gefertigt wird, wobei die geschliffene Unterseite (via) der Spiegelplatte (11) mit der geschliffenen Oberseite (15a) der Spiegelträgerplatte (15) - die aus einem Glas mit dem gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, wie Silizium, gefertigt ist - in Kontakt gebracht und das Glas mit einer negativen Hochspannung gegenüber dem Silizium beaufschlagt und anschließend auf eine Temperatur von rund 400"C erhitzt wird und mittels elektrochemischer Ätzung ein feinstrukturiertes System von Kühlkanälen (14) in die Unterseite (via) der Spiegelplatte (11) eingeätzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelplatte (11) aus monokristallinem Silizium eine Dicke von etwa 0,5 mm aufweist.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das eingeätzte Kühlkanalsystem aus einem Zuführungskanal (12), einer großen Anzahl paralleler Kühlkanäle (14) und einem Sammelkanal (13) gebildet wird.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die parallelen Kühlkanäle (14) in einer Breite von etwa 50 lam ausgebildet werden.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Steges (14a) zwischen zwei Kanälen (14) mit etwa 50 llm ausgeführt wird.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelträgerplatte (15) in einer Dicke ausgeführt wird, die t/6 der Querdimension beträgt.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelplatte (11) und die Spiegelträgerplatte (15) miteinander durch anodisches Bonden verbunden werden.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Hochenergielaserspiegeln mit einem Kühlsystem, bei welchem die Kühlkanäle sich in der Unterseite der Spiegelplatte befinden.

Aufgrund vorhandener Absorption des Lichtes an Spiegelflächen in optischen Strahlengängen erfolgt insbesondere bei hohen Strahlleistungsdichten, wie sie z. B.

in Hochleistungslasersystemen auftreten, eine Erwärmung der Spiegel. Diese führt aufgrund der Wärmeausdehnung zu einer Deformation der Spiegelfläche, welche in der Regel eine nicht mehr tolerierbare Störung der Wellenfront des Lichtes verursacht. Hochleistungslaserspiegel müssen deshalb in der Regel flüssigkeitsgekühlt werden, um durch das Kühlmittel die sogenannte Verlustwärme abzuführen.

Zum Stand der Technik zählen hier Spiegel, wie sie beispielsweise aus der US-PS 3731 992 bekannt sind, die ganz aus Metall gefertigt sind, wobei die Kühlkanäle durch mechanische Bearbeitung des Spiegelkörpers -beispielsweise durch Fräsen - erzeugt werden, dann mit einer Metallplatte verlötet werden, und anschließend wird die Oberfläche dieser Platte durch Schleifen und Polieren zu einer Spiegelfläche ausgebildet Typische Materialien hierfür sind beispielsweise Kupfer und Molybdän.

Die so gefertigten Hochenergielaserspiegel sind jedoch mit einer Reihe von Nachteilen behaftet. Aufgrund der relativen Weichheit des Metalls gestaltet sich die optische Bearbeitung, also das Polieren, aufgrund der extremen Genauigkeitsanforderungen sehr schwierig und aufwendig. Weiterhin besitzen die Metalle einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten, so daß trotz Kühlung Störungen des Strahlenganges auftreten. Ferner treten durch die mechanische Bearbeitung im Metall Gefügespannungen auf, die später im Einsatz zu Deformationen und damit zur Verminderung der Qualität des Spiegels führen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Laserherstellungsverfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das es ermöglicht, Spiegel zu schaffen, die die vorgenannten Nachteile und Fehler nicht mehr aufweisen und eine homogene Flüssigkeitskühlung bei geringstem Raumbedarf ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 niedergelegten Maßnahmen in zuverlässiger Weise gelöst. In der nachfolgenden Beschreibung ist ein Ausführungsbeispiel beschrieben und schematisch in den Figuren der Zeichnung dargestellt. Die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Verfahrensmerkmale auf. In der Zeichnung zeigt Fig. 1 einen Spiegel in einer schematischen Explosionsdarstellung, wobei zur besseren Verständlichkeit die Spiegelplatte um 1800 verdreht gezeichnet ist; Fig.2 einen Teilquerschnitt durch das Kühlkanalsystem in schematischer Darstellung.

Der Grundgedanke des vorliegenden Herstellungsverfahrens ist darin zu sehen, daß ein Hochenergielaserspiegel 10 in einer Verbundweise aus monokristallinem Silizium und Glas gefertigt wird, so daß die materialbedingten Vorzüge hinsichtlich spezieller Bearbeitungsmöglichkeiten sowie thermischer und struktureller Eigenschaften dieser Materialien zum Tragen kommen.

Die F i g. 1 der Zeichnung gibt hierfür ein Ausführungsbeispiel.

Der Hochleistungslaserspiegel 10 besteht im wesentlichen aus zwei Gefügeteilen, nämlich der Spiegelplatte 11 aus monokristallinem Silizium und der Spiegelträgerplatte 15 aus einem Glas, welches den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizient besitzt wie Silizium, beispielsweise »Corning 7740«. Für die Spiegelplatte 11 wird eine Stärke bzw. Dicke von etwa 0,5 mm vorgeschlagen. Aufgrund der Kristallstruktur des Siliziums ist es nun möglich, mittels eines elektrochemischen Ätzverfahrens ein sehr feinstrukturiertes Kühlkanalsystem in die Unterseite 11 a dieser Spiegelplatte 11 einzuätzen.