DE3809921C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Spiegel gemäß dem Oberbegriff des An
spruches 1 und ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Spiegels
gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 6.
Es ist bekannt (vgl. GB-OS 21 70 323, Anspruch 9), großflächige
Spiegel für die Ablenkung von Hochenergie-Laserstrahlen dadurch
herzustellen, daß ein Metall mit guten Laser-Reflexionseigenschaften
wie Kupfer oder Aluminium bzw. eine Metallegierung mit entsprechenden
Reflexionseigenschaften zu einer möglichst dünnen Folie ausgewalzt
wird, die dann auf eine Trägerkonstruktion mit - für den Fall eines
ebenen Spiegels: ebener - Tragfläche aufgerollt und dabei verklebt
wird. Abschließend erfolgt ein Polieren zur Sicherstellung der erforder
lichen Oberflächenqualität der wirksamen Spiegelfläche.
Als sehr günstig hinsichtlich hoher Reflexion, also geringer Restab
sorption, bei extrem günstigen Eigenschaften hinsichtlich mechanischer
Stabilität haben sich dünne Platten aus Beryllium und insbesondere
aus Silizium erwiesen. Von besonderem wirtschaftlichen Vorteil ist,
daß dünne Siliziumplatten außerordentlich guter optischer und mechanischer
Eigenschaften in einem sehr breiten Dickenspektrum als die sogenannten
Wafer für die Halbleiterherstellung in großindustriellem Maßstab
und damit preisgünstig verfügbar sind. Allerdings
ist der Durchmesser dieser Wafer beschränkt, da es sich um Quer
schnitte aus Einkristallzüchtungen handelt.
Wenn für Zwecke der Hochenergie-Lasertechnik Spiegelflächen erforderlich
sind, deren Durchmesser größer (in der Praxis sogar um Größenordnungen
größer) als die der größten verfügbaren (Silizium-) Wafer sind,
kann das oben erwähnte Verfahren der Spiegelherstellung aus dünn
gewalzten Folien nicht realisiert werden, weil diese für die Hoch
energie-Lasertechnik optimalen Halbleiter-Materialien sich nicht
zu Folien auswalzen lassen. Die Herstellung von Spiegeln für Hoch
energie-Laseranwendungen ist deshalb auf den Einsatz von zu Folien
auswalzbaren Metallen beschränkt, oder aber auf den vergleichsweise
geringen Durchmesser industriell verfügbarer Halbleiterplatten (Silizium-
Wafer).
In Erkenntnis dieser Gegebenheiten liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, den Aufbau eines Hochenergie-Laserspiegels bzw. ein Verfahren
zu dessen Herstellung anzugeben, die hinsichtlich der Abmessungen
bzw. hinsichtlich der Materialien die vorgegebenen Grenzen überwinden,
es also insbesondere auch ermöglichen, extrem großflächige Halbleiter-
Laserspiegel herzustellen.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gelöst,
daß der Spiegel gemäß dem Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 aufge
baut ist bzw. gemäß dem Kennzeichnungsteil des Anspruches 6 herge
stellt wird.
Diese erfindungsgemäße Lösung beruht auf der Erkenntnis, daß es
mit modernen Schweißverfahren, wie sie als Laserstrahl- oder als
Elektronenstrahl-Schweißverfahren bekannt sind, durchaus möglich
ist, auch Halbleiter-Bauteile, wie etwa aus Beryllium oder Silizium,
im stumpfen Stoß miteinander zu einer Platte hinreichend durchgehend
homogener Material- und damit auch Reflexionseigenschaften zu ver
schweißen, indem nur die unmittelbare Nachbarschaft beiderseits
der sehr schmalen Stoßfuge zwischen den beiden aneinandergrenzenden
Platten-Segmenten vom Schweißvorgang erfaßt wird. Dadurch werden
die aneinandergrenzenden Segment-Paare in ihre gesamten schweiß
technisch relevanten Tiefe (also Materialstärke) miteinander ver
bunden, so daß sich physikalisch gesehen für den auf die Spiegelfläche
einfallenden und von ihr reflektierten Hochenergie-Laserstrahl das
Mosaik aus den lückenfrei zusammengefügten Segmenten als eine konti
nuierliche Spiegelplatte darstellt.
Damit ist es möglich, aus den preisgünstig verfügbaren, da in der
Halbleiterindustrie in großen Mengen anfallenden Halbleiter-Wafern,
die für die Reflexion von Hochenergie-Laserstrahlung besonders günstige
Eigenschaften aufweisen, Laser-Spiegel praktisch beliebiger Abmessungen
zu erstellen, wie sie bisher nur mit aus zu Folien ausgewalzten
Metallen bzw. Metallegierungen realisierbar waren.
Zwar ist es grundsätzlich bereits bekannt, Hochenergie-Laserspiegel
aus einzelnen lückenlos einander benachbarten Segmenten zu gruppieren;
vgl. Laser-Focus Vol. 17 (1981 No. 9 Seite 56 Fig. 5. Bei den einzelnen
Segmenten handelt es sich dabei jedoch um nicht miteinander verbundene
Spiegel-Teilflächen, die gegeneinander quer zur Oberfläche verlagerbar
sind, um eine resultierenden nicht-ebene Spiegelfläche zu erzielen;
wie es erforderlich ist, um über die Spiegelgeometrie bestimmte
atmosphärische Ausbreitungsstörungen des Hochenergie-Laserstrahles
zu kompensieren. Die Erstellung eines großflächigen Hochenergie-
Laserspiegels aus einer solchen Gruppierung einzelner kleinerer,
mosaikartig angeordneter Spiegelkörper oder Teil-Spiegelflächen
ist nicht möglich, da von einem großflächigen Laserspiegel eine
kontinuierliche, insbesondere kontinuierlich-ebene Spiegelfläche
verlangt wird. Diese Forderung bedingt eine ununterbrochene polierte
Oberfläche als Spiegelfläche, aber eine Gruppierung einzelner Spiegel-
Teilflächen auf Stoß nebeneinander ist aus bearbeitungstechnischen
Gründen nicht polierfähig und damit nicht zum Aufbau einer geschlossenen,
kontinuierliche Oberflächen- Eigenschaften aufweisenden Spiegelfläche
geeignet.
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 maßstabs
gerecht skizzierten bevorzugten Realisierungsbeispiels zur erfindungs
gemäßen Lösung. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt in abgebrochener
Querschnittsdarstellung einen aus mehreren Wafer-Segmenten zusammen
geschweißten und auf der Spiegelfläche mechanisch überarbeiteten
Spiegel für Hochenergie-Laserstrahlung.
Der dargestellte Laserspiegel 11 besteht aus einer möglichst leichten
aber mechanisch stabilen Trägerkonstruktion 12 für die eigentliche
Spiegelplatte 13. Im dargestellten Realisierungsfalle weist die
Trägerkonstruktion 12 eine durch Rippen 14 mechanisch versteifte
Tragplatte 15 aus Leichtmetall oder faserverstärktem Verbund-Kunst
stoff auf.
Auf der Tragplatte 15 sind die einzelnen Segmente 16 angeordnet,
beispielsweise festgeklebt, nämlich stirnseitig im stumpfen Stoß
möglichst lückenlos gegeneinander gelegt. Die einzelnen Segmente
16 können quadratische dreieckige oder bevorzugt wabenförmig-sechs
eckige Grundrisse aufweisen, um beispielsweise aus den runden Platten
der handelsüblichen Silizium-Wafer bei möglichst geringem Verschnitt
so gruppiert werden zu können, daß die Segmente 16 sich mosaikartig
zur lückenlosen Spiegelplatte 13 gruppieren lassen.
Die einander benachbarten Segmente 16 werden längs ihrer Stoßfugen
17 über möglichst die gesamte Segment-Materialstärke 18 zur ununter
brochenen Spiegelplatte 13 zusammengeschweißt, wie in der Darstellung
der Querschnittsskizze symbolisch durch die V-förmigen Schweißnähte
19 veranschaulicht.
Die Ausführung dieser Schweißverbindungen kann durch Hochenergie-Laser
schweißanlagen erfolgen. Die Querschnittsgeometrie der Schweißnaht
19 läßt sich dann durch das eingesetzte Schutzgas beeinflussen;
so führt Argon zu einer breiten flachen, Helium zu einer schmalen
tiefen Naht 19. Physikalisch vorteilhafter, wenn auch apparativ
aufwendiger, kann die Anwendnung eines Hochenergie-Elektronenstrahl
schweißverfahren sein, weil dieses im Vakuum durchgeführt wird und
dadurch keine Dämpfe in der Umgebung der Schweißnähte 19 auftreten,
die zu chemischen Reaktionen mit den benachbarten Materialien der
Spiegelplatten-Segmente 16 und/oder der Trägerkonstruktion 12 führen
könnten.
Der beim Verschweißen der Stoßfugen 17 unter Umständen auftretende,
über die spätere Spiegelfläche 20 vorragende Schweißnaht-Wulst 21
wird durch spanende Überarbeitung der Spiegelplatte 13 entfernt,
woraufhin die Spiegelfläche 20 ihre endgültige mechanische Qualität
durch Läppen und Polieren erhält.
In der Zeichnung ist berücksichtigt, daß es zweckmäßig sein kann,
in der Tragfläche 22 der Tragplatte 15 nut- oder kanalförmige Ver
tiefungen 23 dort vorzusehen, wo nach der Bestückung mit den Spiegel-
Segmenten 16 die Stoßfugen 17 und demzufolge später die Schweißnähte
19 verlaufen. Dadurch kann ein etwaiger rückwärtiger Schweißnaht-
Wulst nicht zu Verwerfungen der Spiegelplatte 13 gegenüber der Trag
fläche 22 führen, und auch chemische Reaktionen zwischen dem Material
der Tragplatte 15 und der jeweiligen Schweißnaht 19 sind sicher
vermieden, weil diese nun nach unten nicht unmittelbar auf dem Material
der Trägerkonstruktion 12 endet. Diese Vertiefungen 23 (und gegebenen
falls entsprechende weitere Kanäle in der Tragfläche 22 unmittelbar
unter der Spiegelplatte 13) können dann auch als Strömungskanäle
für eine Kühl-Fluid dienen, das die beim Bestrahlen des Spiegels
11 mit Hochenergie-Laserstrahlung auftretende, auf der unvermeidlichen
Strahlungsabsorption beruhende Verlustwärme abführt, um Betriebs
störungen aufgrund thermischer Verformungen des Laserspiegels 11
zu vermeiden.
Grundsätzlich kann auch vorgesehen sein, den aus den einzelnen Wafer-
Segmenten 16 zusammengeschweißten Laserspiegel 11 erst anschließend,
beispielsweise erst für die abschließende Polier-Endbearbeitung
der Spiegelfläche 20 auf die Trägerkonstruktion 12 aufzubringen.
Claims (10)
1. Großflächiger Hochenergie-Laserspiegel (11), insbesondere polierter
Halbleiterspiegel, gekennzeichnet durch eine lückenlos-mosaik
artige Gruppierung von auf stumpfen Stoß miteinander verschweißten
Wafer-Segmenten (16) auf einer Trägerkonstruktion (12).
2. Laserspiegel nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Segmente (16) zugeschnittene, in der Halbleiter-Technologie
handelsübliche Silizium-Wafer sind.
3. Laserspiegel nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Segmente (16) dünne Beryllium-Platten sind.
4. Laserspiegel nach einem der vorangehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch eine Trägerkonstruktion (12) aus faserver
stärktem Verbundkunststoff mit einer Tragplatte (15) und Ver
steifungs-Rippen (14) auf ihrer der Spiegelplatte (13) abgewandten
Tragplatten-Seite.
5. Laserspiegel nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die miteinander verschweißten Stoßfugen (17) der Spiegel-
Segmente (16) über kanalförmigen Vertiefungen (23) in der Trag
fläche (22) einer Tragplatte (15) verlaufen.
6. Verfahren zum Herstellen eines großflächigen Hochenergie-Laser
spiegels, insbesondere eines polierten Halbleiter-Spiegels,
dadurch gekennzeichnet,
daß lückenlos-mosaikartig zugeschnittene Halbleiter-Segmente
längs ihrer Stoßfugen im stumpfen Stoß miteinander verschweißt
werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Segmente über ihre Materialstärke im Wege des Laser-
Schweißens miteinander verbunden werden.
8. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Segmente über ihre Materialstärke im Wege des Elektronen
strahl-Schweißens miteinander verbunden werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Segmente längs ihrer Stoßfugen über Vertiefungen in
einer Tragplatte für die Segmente miteinander verschweißt werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Spiegelfläche des aus miteinander verschweißten Segmenten
erstellten Spiegels zunächst zumindest im Bereiche eines vor
stehenden Schweißnaht-Wulstes mechanisch-abtragend überarbeitet
wird, woraufhin die Spiegelfläche poliert wird.
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