DE4236355A1 - Adaptiver Membranspiegel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen adaptiven Membranspiegel mit einem Aktuator und mit einer kreisrunden Scheibe als Membran.

Aus M. Bea et al., DE-Z. Laser und Optoelektronik 21 (1989), S. 60-66 (Bild 8-10, Kap. 4.2) ist ein gattungsgemäßer Membranspiegel bekannt, ausgeführt als ringsum fest eingespannte Kreisplatte aus Kupfer, die einseitig unter hydraulischem Druck steht, welcher durch ein Ventil gesteuert werden kann. Die Verwendung zur Kompensation der in Laseraufbauten auftretenden thermischen Linse wird beschrieben. In einem inneren Bereich entspricht die Form der Membran in guter Näherung einer Sphäre, die Krümmung ist jedoch zum Rand hin durch die feste Einspannung zwangsläufig nicht konstant.

In der DE 40 29 075 C1 ist ein Membranspiegel ebenfalls ringsum fest eingespannt. Mittig ist ein Zugstab angebracht, der über ein Einstellgewinde oder durch parallele Aktion dreier Piezoelemente axial ausgelenkt werden kann. Durch unterschiedliche Ansteuerung der drei Piezoelemente kann auch eine Verkippung des Spiegels erzeugt werden. Sphärische Form des Spiegels wird nicht mit hoher Genauigkeit und auf einem großen Teil des Querschnitts erreicht, da die zentrale Kraft, die Befestigung des Zugstabs an der Membran und das feste Einspannen Störungen bewirken.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen gattungsgemäßen Membranspiegel bereitzustellen, der für einen großen Einstellbereich der Radien auf einem möglichst großen zentralen Bereich minimale Abweichung von der sphärischen Form zeigt, bei einfachem Aufbau und ohne die Notwendigkeit der Verwendung von Fluiden.

Weiter ist es eine Aufgabe, einen Laser anzugeben mit effektiven Mitteln zur Kompensation der thermischen Linse.

Die Lösung gelingt dadurch, daß die Membran konzentrisch zwischen zwei konzentrische Ringschneiden eingespannt ist und ein Aktuator zur axialen Relativverschiebung der beiden Ringschneiden vorgesehen ist.

Vorteilhafte Ausführungen der Membran sind planparallel oder für kleinere Spiegelradien auch konzentrisch konkavkonvex sphärisch ausgebildet.

Als Material eignet sich besonders monokristallines Silizium und die einfache Verfügbarkeit derartiger Membranen ergibt sich in Form der Wafer aus der Halbleiterfertigung.

Als Aktuator eignet sich besonders ein piezoelektrisches Stellelement.

Ein erfindungsgemäßer Membranspiegel zeichnet sich insbesondere dadurch aus, daß auf mehr als zwanzig Prozent des Durchmessers der kleineren Ringschneide die Membranoberfläche mit einstellbaren Radien von unendlich bis herab zu rund einem Meter mit einer relativen Radiusabweichung unter einmal zehn hoch minus neun sphärisch gekrümmt ist.

Die Kompensation der thermischen Linse bei einem Laser gelingt nach Anspruch 6 in vorteilhafter Weise durch den Einbau eines erfindungsgemäßen Membranspiegels.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt.

Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Membranspiegel in einem Laser;

Fig. 2 zeigt die Rest-Abweichung des Membranspiegels von einer idealen Sphäre an einem Beispiel.

Die kreisförmige Membran (1) mit einer Verspiegelung (11) ist eingespannt zwischen gegenüberliegenden, konzentrischen Ringschneiden (2) und (3).

Die innere Ringschneide (3) ist mit dem Gehäuse (5) vereinigt, welches eine zentrale Bohrung (51) für den Lichtweg zur Verspiegelung (11) aufweist und ein piezoelektrisches Stellelement (6) als Aktuator umfaßt, welches abhängig von angelegten Spannungen das Teil mit der äußeren Ringschneide (2) axial verschiebt.

Vorteilhaft ist ein zwischen Aktuator (6) und dem Teil mit der Ringschneide (2) angeordnetes Gelenk (4), welches eine gleichmäßige rein axiale Belastung der Membran (1) sichert. Je nach Stellung der Ringschneiden (2) und (3) bildet der durch die Bohrung (51) zugängliche Teil der Membran (1) einen sphärischen Konkavspiegel mit Krümmungsradien von unendlich bis zu etwa 1 Meter.

Die Membran (1) ist normalerweise im entlasteten Zustand eine planparallele Platte. Insbesondere für relativ geringe Radien auch unter einem Meter ist es jedoch vorteilhaft, die Membran (1) konzentrisch konkavkonvex sphärisch auszubilden.

Die Membran (1) mit der Verspiegelung (11) bildet einen Endspiegel eines Lasers mit Laserstab (7), Pumplichtquelle (8) und Auskoppelspiegel (9).

Ein Strahlteiler (10), Fotodetektor (12) und Regelelektronik (13) ermöglichen es, an den piezoelektrischen Aktuator (6) eine geregelte Spannung derart anzulegen, daß die Laserleistung stabil geregelt wird. Effekte der thermischen Linse durch Veränderung des Laserstabs durch die Erwärmung im Betrieb werden so kompensiert. Diese Elemente des Lasers und des Regelkreises sind bekannt und brauchen hier nicht näher beschrieben zu werden.

Der adaptive Membranspiegel ist jedoch auch außerhalb eines Lasers und eines Regelkreises für die thermische Linse brauchbar.

Wird die Position der großen und der kleinen Ringschneide (2, 3) gerade vertauscht, so ergibt sich ein Konvexspiegel.

Vorteilhaft läßt sich als Membran (1) ein 3-Zoll Wafer aus kristallinem Silizium im 111-Schnitt mit 320 µm Dicke verwenden, der einseitig poliert ist und somit in Verbindung mit einer hochreflektierenden Schicht als Spiegel wirkt. Die innere Ringschneide (3) hat 40 mm Durchmesser, die äußere Ringschneide (2) hat 50 mm Durchmesser.

Auf 20 mm Durchmesser, konzentrisch zur Achse des Wafers ergibt sich eine sphärische Form mit Radien von 1000 mm bis 3500 mm und größer.

Fig. 2 zeigt, dargestellt in Zylinderkoordinaten zur in einem Koordinatensystem mit der z-Achse auf der optischen Achse der Fig. 1, die Auslenkung z der Membran (1) als Funktion des Radius r in der Tangentialebene, und die Abweichung Δ z von der idealen sphärischen Form, als Ergebnis der Finite-Elemente-Rechnung für einen Sphärenradius von 1377 mm. Bis zu einem Radius von 23 mm bleibt die Abweichung von der Sphäre bei 2,3 nm rms. Für einen Spiegelradius von 10 mm liegt der rms- Fehler sogar unter 0,05 nm. Die Übereinstimmung mit der Idealform ist also für lichtoptische Zwecke vollständig.

Für die Membran (1) eignen sich nicht nur kristalline Werkstoffe, sondern z. B. auch Glas.

Claims (8)

1. Adaptiver Membranspiegel mit einem Aktuator (6) und mit einer kreisrunden Scheibe als Membran (1), dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (1) konzentrisch zwischen zwei konzentrischen Ringschneiden (2, 3) eingespannt ist und der Aktuator (6) zur axialen Relativverschiebung der beiden Ringschneiden (2, 3) vorgesehen ist.

2. Membranspiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (1) eine planparallele zylindrische Scheibe ist.

3. Membranspiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (1) konzentrisch konkavkonvex sphärisch ausgebildet ist.

4. Membranspiegel nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (1) aus monokristallinem Silizium gefertigt ist.

5. Membranspiegel nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (1) ein aus der Halbleiterherstellung verfügbarer Wafer ist.

6. Membranspiegel nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktuator (6) ein piezoelektrisches Stellelement ist.

7. Membranspiegel nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranoberfläche auf mehr als 20% des Durchmessers der kleineren Ringschneide (2) mit einer relativen Radiusabweichung unter 1 × 10^-9 sphärisch gekrümmt ist mit einstellbaren Radien von unendlich bis herab zu rund 1 Meter.

8. Laser mit Resonatorspiegeln (1, 9), dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Resonatorspiegel (1) die Merkmale mindestens eines der Ansprüche 1 bis 7 aufweist.