DE3729410C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein laseroptisches Abschlußelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ein derartiges Abschlußelement ist aus der EP-OS 1 67 672 bekannt. Für die ringförmige Metallfassung ist ein im Querschnitt mäandrisch profilierter Flansch vorgesehen; mit Glaslot-Befestigung des Resonator­ gehäuse-Abschlußelementes, also insbesondere eines Fenster- oder Spiegelkörpers, derartiger axialer Abmessungen, daß er die Flansch­ höhe auf beiden Oberflächen überragt und dadurch nach dem Einlöten noch eine mechanische Oberflächenbearbeitung erfahren kann.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein laser­ optisches Abschlußelement gattungsgemäßer Art anzugeben, das die erforderliche vakuumdichte Verbindung mit weniger Fertigungsaufwand und unter Einsatz leichter verfügbarer und verarbeitbarer Materialien für die Metallfassung, als bei der gattungsgemäßen Lösung, erlaubt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gelöst, daß das gattungsgemäße Abschlußelement gemäß dem Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 ausgelegt ist.

Diese Lösung beruht auf der überraschenden Erkenntnis, daß ein hauben­ förmig gewölbtes Abschlußelement in der Lage ist, beträchtliche Temperaturgangspannungen, wie sie beim Abkühlen der Lötverbindung, auch nach Temperung noch, auftreten, aufzunehmen, ohne daß im Ergebnis eine störende Beeinträchtigung der strahlenoptischen Verhältnisse an dem vor dem Einlöten bereits abschließend profilierten Abschluß­ element auftritt. Das wiederum ermöglicht es, ein mit gängigem Material für das Resonatorgehäuse relativ leicht verschweißbares Material für die Metallfassung, wie insbesondere eine Eisen-Nickel-Legierung, trotz relativ erheblicher Unterschiede des Ausdehnungs-Temperatur­ koeffizienten im Vergleich zum Halbleitermaterial des Abschlußelementes einzusetzen.

Wenn das Abschlußelement strahlengeometrische Linsenwirkung aufweisen soll, kann das gleich durch unterschiedliche Krümmung der inneren und der äußeren Oberfläche des haubenförmigen Abschlußelementes realisiert werden, also vor dem Einbau in die Metallfassung und damit in einem Fertigungsstadium einfacher Handhabbarkeit und Bearbeit­ barkeit des Abschlußelementes. Wenn dagegen das Abschlußelement strahlenoptisch neutral, also als ebenes Fenster oder ebener (halbdurch­ lässiger) Spiegel ausgebildet sein soll, dann ist der Mittenbereich des im übrigen haubenförmig gewölbten Abschlußelementes mit parallelen inneren und äußeren Oberflächen zu gießen bzw. zu bearbeiten.

Zusätzliche Alternativen und Weiterbildungen sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen und, auch unter Berücksichtigung der Darlegungen in der Zusammen­ fassung, aus nachstehender Beschreibung eines in der Zeichnung unter Beschränkung auf das Wesentliche stark abstrahiert und nicht ganz maßstabsgerecht skizzierten bevorzugten Realisierungsbeispiels zur erfindungsgemäßen Lösung. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt im Axial-Längsschnitt bei gebrochener Darstellung ein erfindungsgemäß gestaltetes und eingebautes laseroptisches Abschlußelement in unmaß­ stäblicher Prinzipdarstellung.

Das Gehäuse 11 eines Laser-Resonators 12 weist wenigstens eine Öffnung 13 zum Austritt eines Laser-Strahles 14 auf, die durch ein laser­ optisches Abschlußelement 15 hermetisch, vakuumdicht verschlossen sein muß. Beim Abschlußelement 15 handelt es sich im Falle eines stabil betriebenen Laser-Resonators 12 um einen teildurchlässigen Spiegel, im Falle eines instabilen konfokalen Laser-Resonators 12 um ein planparalleles Fenster im Strahlengang hinter einem konvexen Auskoppel-Spiegel. Im Interesse einer allgemein gültigen Darstellung ist das Abschlußelement 15 in der Zeichnung als haubenförmig gewölbte Sammel-Linse skizziert; für den Fall der Realisierung als optisch- geometrisch neutrales Fenster würde dieses haubenförmige Abschluß­ element 15 zueinander im wesentlichen parallel verlaufende innere und äußere Oberflächen aufweisen, deren Krümmungen im Mittenbereich 16 in eine planparallele Zone (in der Zeichnung nicht berücksichtigt) übergehen. Das Abschlußelement 15 besteht aus einem Material, das für Laserstrahlung des interessierenden Frequenzbereiches besonders gut leitfähig - erforderlichenfalls zur halbdurchlässigen Spiegel­ wirkung entsprechend beschichtet - ist, wie etwa kristallines Germanium im infrarotnahen Spektralbereich des Laserstrahles 14.

Der hermetische Abschluß des gasgefüllten Resonator-Innenraumes 17 durch das laseroptische Auskoppelelement 15 erfolgt mittels einer ringförmigen Metallfassung 18, die ihrerseits hermetisch mit dem Resonator-Gehäuse 11 verbunden, beispielsweise längs einer Naht 19 verschweißt ist. Zwischen der Peripherie 20 des haubenförmig gewölbten Abschlußelementes 15 und der benachten Innenwandungsfläche der Metallfassung 18 verbleibt zunächst ein freier radialer Ringspalt 21, wenn das Abschlußelement 15 auf seinem kegelstumpfförmigen Sitz 22 in der Metallfassung 18 konisch zentriert ist. In den Ringspalt 21 wird ein Sinter-Ring 23 aus Glaslot-Pulver (wie es etwa als Borosilikat von der Firma Schott Glaswerke handelsüblich ist) eingelegt und dann aufgeschmolzen, so daß der Glaslotring 23 sich hermetisch mit einerseits der Peripherie 20 des Anschlußelementes 15 und andererseits der benachbarten Innenmantelfläche der Metallfassung 18 verbindet. Da der Sinter-Lotring 23 sich problemlos mit konstanter Wandstärke und auf Passung hinsichtlich der Abmessungen des Ringspaltes 21 pressen läßt, ist bei dieser Verbindung zwischen Metallfassung 28 und Abschlußelement 15 eine gleichmäßige Lotschichtdicke auch bei der Massefabrikation ohne weiteres gewährleistbar.

Um den hermetischen Abschluß des Resonatorgehäuses 11 über einen breiten Arbeitstemperaturbereich sicherzustellen, sollte das kristalline Halbleitermaterial des Abschlußelementes 15 einen guten Gleichlauf des Temperaturausdehnungskoeffizienten mit dem Material der Metall­ fassung 18 über die erforderliche breite Temperaturspanne aufweisen. Metall wie Wolfram oder Molybdän stellen in Hinblick auf diese An­ forderungen an sich ein besonders geeignetes Material für die Metall­ fassung 18 dar. Diese Materialien sind allerdings für die Massen­ fabrikation nicht besonders gut geeignet, da sie schwierig handhabbar, insbesondere schlecht mit anderen Bauteilen (Gehäuse 11) verschweißbar sind. Als besonders guter Kompromiß zwischen den Temperaturgang-An­ forderungen und den Fertigungs-Anforderungen hat sich für die Material­ wahl der Metallfassung 18 stattdessen eine allgemein verfügbare Eisen-Nickel-Legierung erwiesen, wie sie etwa unter der Bezeichnung "Vacon 10" von der Firma Vakuumschmelze auf den Markt gebracht wird. Dieses Material läßt sich problemlos mit gängigem Maschinenstahl für die Resonatorgehäuse-Fertigung verschweißen, wie durch die um­ laufende Schweißnaht 19 in der Zeichnung skizziert. Zwar weist das Nickeleisen nicht unbedingt einen besonders guten Gleichlauf des Temperaturkoeffizienten mit dem Halbleitermaterial des Abschluß­ elementes 15 auf; weshalb es sich beispielsweise nicht als möglich erweist, unter Einlage des Lotringes 23 eine ebene Abschluß-Kristall­ platte mit der Metallfassung 18 zu verbinden, weil eine solche Ver­ bindung beim Herabkühlen von der Lottemperatur auf die Umgebungs­ temperatur undicht wird und sogar die Kristallplatte reißen kann.

Die durch den an sich noch unzureichenden Temperaturkoeffizienten- Gleichlauf auftretenden Spannungen werden aber, wie sich gezeigt hat, überraschend problemlos vom haubenförmigen Abschlußelement 15 selbst aufgenommen, und zwar unter Beibehaltung der vor dem Ein­ löten ausgearbeiteten geometrisch-optischen Eigenschaften des Abschluß­ elementes 15. Die Erklärung könnte darin liegen, daß die haubenförmige Krümmung jedenfalls des Zwischenbereiches zwischen der Abschluß- Element-Peripherie 20 und seinem Mittenbereich 16 auf der einen Oberfläche Deformationen erfährt, die durch Deformationen auf der gegenüberliegenden Oberfläche strahlenoptisch weitestgehend kompen­ siert werden, so daß nach dem Abkühlen praktisch keine optischen Fehler mehr vorhanden sind.

So ist mit einer sauberen, nicht auslaufenden Lötbindung in für die Massenproduktion geeigneter Weise und mit unkritisch verarbeit­ baren Materialien ein vakuumdichter Verschluß zwischen dem laser­ optischen Abschlußelement 15 und der in das Resonator-Gehäuse 11 einschweißbaren Metallfassung 18 erzielt.

Um keine axial zu lange Metallfassung 18 herstellen zu müssen, anderer­ seits aber den gewölbt-vorstehenden Teil des Abschlußelementes 15 auch mechanisch zu schützen, kann gemäß Darstellung in der Zeichnung vorgesehen sein, in die Metallfassung 18 nach eingelötetem Abschluß­ element 15 dessem Sitz 22 gegenüber einen rohrförmig vorstehenden Stützring 24 einzuschrauben, der die axiale Anlage der Abschluß­ element-Peripherie 20 gegen den konischen Sitz 22 zusätzlich sichert.

Claims (6)

1. Laseroptisches Abschlußelement (15) mit einer ringförmigen, in ein Resonator-Gehäuse (11) einbaubaren Metallfassung (18) aus thermisch an das Verhalten des Abschlußelementes (15) ange­ paßtem Material, mit Ausbildung einer Sinterglaslotverbindung zwischen dem Abschlußelement (15) und der Metallfassung (18), dadurch gekennzeichnet, daß das Abschlußelement (15) im Querschnitt im wesentlichen haubenförmig gewölbt ausgebildet und unter Zwischenlage eines Glaslot-Sinterringes (23) mit der ringförmigen Öffnung der Metall­ fassung (18) verbunden ist.

2. Abschlußelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sein Mittenbereich (16) planparallele Oberflächen aufweist.

3. Abschlußelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sein Mittenbereich (16) zu einem Linsenkörper gewölbte Ober­ flächen aufweist.

4. Abschlußelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es stirnseitig axial gegen einen kegelstumpfförmigen Sitz (22) an der Innenmantelfläche der Metallfassung (18) anliegt.

5. Abschlußelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es in der Metallfassung (18) axial zwischen einem Sitz (22) und einem in die Metallfassung (18) eingesetzten Stützring (24) eingespannt ist.

6. Abschlußelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß seine nach außerhalb des Resonatorgehäuses (11) gerichtete Vorwölbung innerhalb der axialen Länge des Stützringes (24) liegt.