DE4138557A1 - Deformable mirror for high energy laser machining device - has hermetic seal between mirror surface and mirror housing containing pre-assembled translators at rear of mirror - Google Patents

Deformable mirror for high energy laser machining device - has hermetic seal between mirror surface and mirror housing containing pre-assembled translators at rear of mirror

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Abstract

The deformable mirror allows the beam geometry and/or the cross-sectional wavefront of the high energy laser beam to be adjusted. It comprises a deformable mirror plate (13) across the front of a housing (12) containing a number of pre-assembled translators (19) coupled to respective pins (18) provided at the rear of the mirror plate (13). Pref. the mirror plate (13) is provided by the base of a pot (14) with a peripheral wall (16) which axially abuts the mirror housing (12) and which is clamped against the latter via an outer ring (38) with a radial lip (39) engaging the outer edge (15) of the mirror plate (13). ADVANTAGE - Simple assembly and dismounting with effective hermetic seal between mirror surface and mirror housing.

Description

Die Erfindung betrifft einen deformierbaren Spiegel gemäß dem Oberbe­ griff des Anspruches 1.The invention relates to a deformable mirror according to the Oberbe handle of claim 1.

Ein gattungsgemäßer Spiegel ist aus der US-PS 46 79 915 bekannt. Er dient der gezielten Beeinflussung der Fokussierung eines Hochener­ gie-Laserstrahles, wie in der GB 21 62 713 A zur Fernwirkung in einem verfolgten Zielobjekt oder in der DE-OS 39 16 264 zur Materialbearbei­ tung näher beschrieben. Dabei kann es sich um einen sogenannten einka­ naligen deformierbaren Spiegel handeln, bei dem lediglich das Zentrum der Spiegelfläche infolge Längensteuerung des dahinter eingespannten Translators zur Fokusbeeinflussung durch Strahlaufweitung mehr oder weniger stark ausgewölbt wird; oder unterschiedliche Bereiche der Spiegelfläche werden unterschiedlich deformiert, um über dem Quer­ schnitt des Laserstrahls infolge Überlagerung unterschiedlicher Lauf­ zeiteffekte im Wirkungsorte bestimmte Energieverteilungen hervorzu­ rufen. In letztgenanntem Falle können die unterschiedlichen Deforma­ tionsorte eine Kennung durch eine der Auslenk-Information überlagerte Dither-Frequenz erfahren, indem im Translator ein Modulator mit dem Aktuator in Serie geschaltet ist (wie in der US-PS 46 79 915 gezeigt), oder indem im Strahlengang zusätzlich ein Modulierspiegel vorgesehen ist (wie in der DE 38 08 150 A1 dargestellt). A generic mirror is known from US-PS 46 79 915. He serves the targeted influencing of the focus of a Hochener gie laser beams, as in GB 21 62 713 A for long-distance effect in one pursued target object or in DE-OS 39 16 264 for material processing tion described in more detail. It can be a so-called einka act deformable mirror, in which only the center the mirror surface due to length control of the clamped behind Translators to influence the focus by beam expansion more or bulges less; or different areas of Mirror surface are deformed differently to cross over cut the laser beam due to the superposition of different runs time effects in the place of action to identify certain energy distributions call. In the latter case, the different deformities an identification by one of the deflection information superimposed Experience the dither frequency by using a modulator in the translator Actuator is connected in series (as shown in US Pat. No. 4,679,915), or by additionally providing a modulating mirror in the beam path is (as shown in DE 38 08 150 A1).  

Zur Abschirmung von Umwelteinflüssen, aber auch in Hinblick auf leck­ freie Kühlfluid-Beaufschlagung hinter der Spiegelplatte, ist eine her­ metische Abdichtung zwischen der Spiegelplatte und dem Spiegelgehäuse anzustreben. Andererseits soll der Spiegel leicht montierbar und auch, insbesondere zur Nachbearbeitung einer von der Laserenergie beeinfluß­ ten Spiegelfläche, leicht demontierbar sein. Eine Lippendichtungs-Ein­ fassung, wie aus der US-PS 46 79 915 bekannt, ist aber nicht nur schwierig zu montieren, sondern sie weist auch angesichts der Schwin­ gungsbeanspruchung durch die Translatoren und der Druckbeanspruchung durch das Kühlmedium keine ausreichende Dauerstandfestigkeit auf.For shielding from environmental influences, but also with regard to leakage free application of cooling fluid behind the mirror plate is one metallic seal between the mirror plate and the mirror housing to strive for. On the other hand, the mirror should be easy to assemble and also especially for post-processing influenced by laser energy th mirror surface, can be easily dismantled. A lip seal on Version, as known from US-PS 46 79 915, is not only difficult to assemble, but it also points in the face of the Schwin stress caused by the translators and the pressure load insufficient cooling fatigue strength due to the cooling medium.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Spiegel gat­ tungsgemäßer Art derart auszugestalten, daß er leicht zu einer univer­ sell einsetzbaren funktionstüchtigen Einheit komplettierbar aber eben­ so leicht auch wieder zur Nachbearbeitung demontierbar ist.The invention is therefore based on the object, a mirror gat to design in such a way that it easily becomes a univer usable functional unit can be completed but just as easy to dismantle for post-processing.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der gattungsge­ mäße Spiegel gemäß dem Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 ausgelegt ist.This object is achieved in that the genus moderate mirror designed according to the characterizing part of claim 1 is.

Nach dieser Lösung können der Translator einerseits und das Gehäuse mit aufgespannter Spielfläche andererseits getrennt vormontiert, auf Funktionsfähigkeit geprüft und zunächst magaziniert, sowie bedarfswei­ se zusammengebaut werden, wobei vormontierte Spiegeleinheiten für unterschiedliche Anzahlen von einzubauenden Translatoren ausgelegt sein können. Das Spiegelgehäuse wird durch die, mittels einer Über­ wurfmutter längs ihres topfförmigen Randes axial verspannbare Spiegel­ platte, ohne Gefahr einer Deformation der Spiegelfläche komplettiert, woraufhin der komplette Translator rückwärts in das Gehäuse eingesetzt und mit einem Anschlußzapfen hinter der Spiegelplatte verschraubt wird. Die Demontage erfolgt in umgekehrter Reihenfolge, ohne dafür den Translator mit seinem Piezo-Aktuator selbst auseinander nehmen zu müssen. Bei dieser Demontage bleibt auch die Spiegelplatte selbst un­ zerstört, da sie nachgearbeitet und wieder eingebaut werden kann, ohne dadurch die Konstruktionswerte des Spiegels im übrigen zu beeinflussen.According to this solution, the translator on the one hand and the housing with a spanned playing surface, on the other hand, pre-assembled separately Functionality checked and initially magazine, and if necessary se assembled, with pre-assembled mirror units for different numbers of translators to be installed could be. The mirror housing is by means of an over Litter nut has axially clampable mirrors along its pot-shaped edge plate, completed without risk of deformation of the mirror surface, whereupon the complete translator is inserted backwards into the housing and screwed with a connecting pin behind the mirror plate becomes. Disassembly is carried out in the reverse order, without the  Translator with its piezo actuator itself take apart have to. With this disassembly, the mirror plate itself remains un destroyed because it can be reworked and reinstalled without thereby increasing the design values of the mirror influence.

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 Zusammenfas­ sung, aus nachstehender Beschreibung eines in der Zeichnung unter Be­ schränkung auf das Wesentliche stark abstrahiert aber angenähert maß­ stabsgerecht vergrößert dargestellten bevorzugten Realisierungsbei­ spiels zur erfindungsgemäßen Lösung. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt einen erfindungsgemäß aufgebauten deformierbaren Spiegel im Längsschnitt durch einen Translator.Additional alternatives and further training as well as further features and advantages of the invention result from the further claims and, also taking into account the explanations in the summary solution, from the description below of one in the drawing under Be limitation to the essentials, highly abstracted but approximated preferred implementation shown enlarged in terms of staff game to the solution according to the invention. The only figure in the drawing shows a deformable mirror constructed according to the invention in Longitudinal section through a translator.

Der stark vergrößert skizzierte deformierbare Spiegel 11 weist stirn­ seitig vor seinem Gehäuse 12 eine verformbare Spiegelplatte 13 auf, die als Boden eines flachen Topfes 14 ausgebildet ist, also längs ihres Randes 15 in eine axial kurze hohlzylindrische Wand 16 übergeht. Die nach außerhalb des Topfes 14 orientierte Bodenfläche des Topfes 14 ist durch Bearbeitung oder Beschichtung als Spiegelfläche 17 ausgebil­ det. Ihr gegenüber, also an der Innenseite des Topfbodens, sind an der Spiegelplatte 13 Zapfen 18 vorgesehen, vorzugsweise einstückig ange­ formt, die dem koaxialen Anschluß jeweils eines Translators 19 für Druckbeaufschlagung zur örtlichen Ausbeulung der Spiegelfläche 17 die­ nen. Jeder Translator 19 besteht aus einem gegenüber der axialen Höhe des Spiegel-Gehäuses 12 langen Rohr 20, das spiegelseitig durch einen elastisch gelagerten, axial verschiebbaren Kolben 21 und gegenüber, also am von der Spiegelplatte 13 abgewandten Ende des Rohres 20, von einem Widerlager 22 verschlossen ist. Zwischen diesem Widerlager 22 und dem Kolben 21 ist ein elektromechanischer Aktuator 23 koaxial eingespannt, bei dem es sich bevorzugt um eine Piezo-Säule handelt. Diese wird über eine durch das Widerlager 22 hindurchführende Steck­ verbindung über ein Kabel 24 angesteuert.The greatly enlarged sketched deformable mirror 11 has in front of its housing 12 a deformable mirror plate 13 , which is designed as the bottom of a flat pot 14 , that is to say along its edge 15 into an axially short hollow cylindrical wall 16 . The oriented to the outside of the pot 14 of the pot bottom surface 14 is det ausgebil by machining or coating as a mirror surface 17th Her opposite, that is, on the inside of the pot base, 13 pins 18 are provided on the mirror plate, preferably integrally formed, the coaxial connection of a translator 19 for pressurization for local bulge of the mirror surface 17 the NEN. Each translator 19 consists of a tube 20 which is long in relation to the axial height of the mirror housing 12 and which is closed on the mirror side by an elastically mounted, axially displaceable piston 21 and opposite, ie at the end of the tube 20 facing away from the mirror plate 13 , by an abutment 22 is. An electromechanical actuator 23 , which is preferably a piezo column, is coaxially clamped between this abutment 22 and the piston 21 . This is controlled by a through the abutment 22 through connection via a cable 24 .

Der Translator 19 wird im Bereiche seines frontseitigen Kolbens 21 mit einer einteiligen oder mehrteiligen Kupplung 25 verschraubt, die einerseits als den Zapfen 18 übergreifende Hülse 26 ausgebildet ist und andererseits, entgegengesetzt orientiert, einen Gewindestift 27 aufweist. Im so eingebauten, also indirekt mit dem Zapfen 18 ver­ schraubten Zustand ragt der Translator 19 durch eine Bohrung 28 im Spiegel-Gehäuse 12 hindurch. Diese Bohrung 28 ist rückwärtig über einem Sattel 29 aufgeweitet, gegen den ein am Translator-Rohr 20 flanschförmig umlaufender, radial vorstehender Kragen 30 axial an­ liegt. Zur Anlage-Abstützung ist dieser rückwärtig durch eine Hohl­ schraube 31 verspannt, die in die aufgeweitete und mit einem Innenge­ winde ausgestattete Bohrung 28′ eingeschraubt ist.The translator 19 is screwed in the area of its front-side piston 21 with a one-part or multi-part coupling 25 , which is designed on the one hand as a sleeve 26 which overlaps the pin 18 and, on the other hand, has a threaded pin 27 oriented in the opposite direction. In the installed state, that is to say indirectly bolted to the pin 18 , the translator 19 projects through a bore 28 in the mirror housing 12 . This bore 28 is flared rearwardly over a saddle 29, axially against the one on Translator pipe 20 flange-shaped circumferential, radially projecting collar 30 at lies. To support the system, this is braced at the rear by a hollow screw 31 , which is screwed into the flared bore 28 'equipped with an inner thread.

Der Hohlraum des Topfes 14 in der Umgebung der Koppel-Hülsen 26 zwi­ schen Translator 19 und Spiegelplatten-Zapfen 18 kann mittels eines kühlenden Fluidstromes durchspült werden, der über das Spiegel-Gehäuse 12 achsparallel durchziehende Kanäle 32 zu- und wieder abgeführt wird.The cavity of the pot 14 in the area of the coupling sleeves 26 between the translator 19 and mirror plate pin 18 can be flushed by means of a cooling fluid flow which is fed through the mirror housing 12 axially parallel channels 32 and removed.

Die insgesamt topfförmige Spiegelplatte übergreift mit ihrer umlaufen­ den Wand 16 stirnseitig das Gehäuse 12 unter Zwischenlage einer O-Ringdichtung 33 zur verformungsfreien Radialzentrierung. Der von der Spiegelfläche 17 abgewandte, freie Rand 34 der Topf-Wand 16 liegt axial gegen einen radial umlaufenden Vorsprung 35 des Spiegel-Gehäuses 12 so an, daß zwischen der Gehäuse-Stirn 36 und der Innenseite der Spiegelplatte 13 stets ein lichter Abstand gewährleistet bleibt, um einbaubedingte Verformungen der Spiegelplatte 13 zu vermeiden. Eine mit einem Außengewinde 37 des Gehäuses 12 verschraubte Überwurfmutter 38 dient einerseits der radialen Abstützung der Spiegelplatte 13 über ihre Topf-Wand 16 und andererseits der axialen Einspannung dieser Wand 16 gegen das Gehäuse 12, wofür die Überwurfmutter 38 mit ihrem radial einwärts orientierten Bund 39 eine umlaufende Rand-Eindrehung 40 um etwa den Betrag radial übergreift, der der Dicke der Topf-Wand 16 entspricht.The overall cup-shaped mirror plate engages with its circumferential wall 16 on the front side of the housing 12 with the interposition of an O-ring seal 33 for deformation-free radial centering. The free edge 34 of the pot wall 16 facing away from the mirror surface 17 lies axially against a radially circumferential projection 35 of the mirror housing 12 in such a way that a clear distance is always ensured between the housing end 36 and the inside of the mirror plate 13 in order to avoid installation-related deformations of the mirror plate 13 . A union nut 38 screwed to an external thread 37 of the housing 12 serves, on the one hand, to radially support the mirror plate 13 via its cup wall 16 and, on the other hand, to axially clamp this wall 16 against the housing 12 , for which purpose the union nut 38 with its collar 39 oriented radially inwards circumferential edge recess 40 radially overlaps by about the amount that corresponds to the thickness of the pot wall 16 .

Seitens der Fertigungs-Logistik können standartisiert vormontierte Translatoren 19 nach ihrer Funktionsprüfung auf Vorrat gehalten und nach Bedarf in Spiegel 11 mit einem oder mehreren Zapfen 18 einge­ setzt, nämlich mit der Kupplung 25 verschraubt und dann mit der Hohl­ schraube 31 fixiert werden. Die Spiegel 11 andererseits können in unterschiedlichen Abmessungen (hinsichtlich der Anzahl und Verteilung der Zapfen 18 hinter der Spiegelfläche 13) durch Aufspannen des Topfes 14 vormontiert sowie auf Dichtigkeit abgedrückt und dann magaziniert werden, bis ein (hinsichtlich der Zapfen-Anzahl bestimmtes) Exemplar benötigt und durch Einschrauben der Translatoren 19 komplettiert wird. Für eine gelegentliche spätere Überarbeitung der Spiegelfläche, etwa aufgrund von Oberflächen-Beschädigungen durch Hochenergie-Laserstrah­ len, brauchen nur die Translatoren 19 komplett (ohne Zerlegung ihrer Piezo-Aktuatoren 23) von den Zapfen-Kupplungen 25 abgeschraubt und nach Abnehmen der Überwurfmutter 38 der Spiegel-Topf 14 koaxial abge­ zogen zu werden, um nach Überarbeiten der Spiegelfläche 17 unter Ein­ legen einer neuen Dichtung 33 mit wenigen Handgriffen in umgekehrter Abfolge den Spiegel 11 wieder zu komplettieren.On the part of the production logistics, pre-assembled translators 19 can be kept in stock after their functional test and, if necessary, inserted in mirror 11 with one or more pins 18 , namely screwed to the coupling 25 and then fixed with the hollow screw 31 . The mirrors 11, on the other hand, can be preassembled in different dimensions (in terms of the number and distribution of the pins 18 behind the mirror surface 13 ) by clamping the pot 14 and pressed for tightness and then stored until a specimen (in terms of the number of pins) is required and is completed by screwing in the translators 19 . For an occasional later revision of the mirror surface, for example due to surface damage by high-energy laser beams, only the translators 19 need to be completely unscrewed (without disassembling their piezo actuators 23 ) from the pin couplings 25 and after removing the union nut 38 the mirror Pot 14 to be pulled coaxially to complete the mirror 11 again in a few steps in a reverse sequence after reworking the mirror surface 17 under a new seal 33 .

Claims (10)

1. Deformierbarer Spiegel (11) mit hinter seiner Spiegelfläche (17) an die Spiegelplatte (13) angeordneten Zapfen (18) für den Anschluß von Translatoren (19), dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelplatte (13) als Boden eines Topfes (14) ausgebildet ist, dessen umlaufende Wand (16) stirnseitig axial gegen das Spie­ gelgehäuse (12) abgestützt ist.1. Deformable mirror ( 11 ) with behind its mirror surface ( 17 ) on the mirror plate ( 13 ) arranged pin ( 18 ) for the connection of translators ( 19 ), characterized in that the mirror plate ( 13 ) as the bottom of a pot ( 14 ) is formed, the circumferential wall ( 16 ) is axially supported on the end axially against the mirror housing ( 12 ). 2. Spiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Topf-Wand (16) radial über eine elastische Dichtung (33) gegen das Gehäuse (12) abgestützt ist.2. Mirror according to claim 1, characterized in that the pot wall ( 16 ) is supported radially via an elastic seal ( 33 ) against the housing ( 12 ). 3. Spiegel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Topf-Wand (16) unter radialer Einfassung axial mittels einer Überwurfmutter (38) gegen das Gehäuse (12) verspannt ist.3. Mirror according to claim 1 or 2, characterized in that the pot-wall ( 16 ) is clamped axially under radial edging by means of a union nut ( 38 ) against the housing ( 12 ). 4. Spiegel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwurfmutter (38) mit einem radial nach innen vorstehen­ den Bund (39) die Spiegelplatte (13) längs ihres Randes (15) im Be­ reiche der Dicke der Wand (16) übergreift. 4. Mirror according to claim 3, characterized in that the union nut ( 38 ) with a radially inwardly projecting the collar ( 39 ), the mirror plate ( 13 ) along its edge ( 15 ) in Be the thickness of the wall ( 16 ) overlaps. 5. Spiegel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Translator (19) mit dem Zapfen (18) verschraubt ist.5. Mirror according to one of the preceding claims, characterized in that the translator ( 19 ) is screwed to the pin ( 18 ). 6. Spiegel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Translator (19) mit dem zugeordneten Zapfen (18) über eine Kupplung (25) verschraubt ist.6. Mirror according to one of the preceding claims, characterized in that the translator ( 19 ) is screwed to the associated pin ( 18 ) via a coupling ( 25 ). 7. Spiegel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Translator (19) mit einem radial vorstehenden Kragen (30) gegen einen Sattel (29) im Gehäuse (12) axial abgestützt ist.7. Mirror according to one of the preceding claims, characterized in that the translator ( 19 ) is axially supported with a radially projecting collar ( 30 ) against a saddle ( 29 ) in the housing ( 12 ). 8. Spiegel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Translator (19) mittels eines radial vorstehenden Kragens (30) durch eine Hohlschraube (31) gegen einen Sattel (29) im Ge­ häuse (12) dem Zapfen (18) gegenüber axial verspannt ist.8. Mirror according to one of the preceding claims, characterized in that the translator ( 19 ) by means of a radially projecting collar ( 30 ) through a hollow screw ( 31 ) against a saddle ( 29 ) in the Ge housing ( 12 ) opposite the pin ( 18 ) is axially clamped. 9. Spiegel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Translator (19) mit einem koaxialen Aktuator (23) ausge­ stattet ist, der zwischen einem rückwärtigen Widerlager (22) und einem spiegelseitig mit dem Zapfen (18) direkt oder indirekt ver­ schraubbaren Kolben (21) eingespannt ist.9. Mirror according to one of the preceding claims, characterized in that the translator ( 19 ) with a coaxial actuator ( 23 ) is equipped, the ver between a rear abutment ( 22 ) and a mirror side with the pin ( 18 ) directly or indirectly screwable piston ( 21 ) is clamped. 10. Spiegel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sein Gehäuse (12) parallel zur Achse der Zapfen (18) mit Kühl­ fluid-Kanälen (32) durchzogen ist, die in einen Hohlraum in der Um­ gebung der Zapfen (18) hinter der Spiegelplatte (13) münden.10. Mirror according to one of the preceding claims, characterized in that its housing ( 12 ) parallel to the axis of the pin ( 18 ) with cooling fluid channels ( 32 ) which is in a cavity in the order surrounding the pin ( 18 ) open behind the mirror plate ( 13 ).
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