EP2948266A1 - Reflektierendes optisches element für eine dynamische auslenkung eines laserstrahls sowie ein verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Reflektierendes optisches element für eine dynamische auslenkung eines laserstrahls sowie ein verfahren zu seiner herstellung

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EP2948266A1
EP2948266A1 EP14700920.3A EP14700920A EP2948266A1 EP 2948266 A1 EP2948266 A1 EP 2948266A1 EP 14700920 A EP14700920 A EP 14700920A EP 2948266 A1 EP2948266 A1 EP 2948266A1
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EP
European Patent Office
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plate
reflective element
solder
base body
layer
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP14700920.3A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jan Hannweber
Steffen Bonss
Stefan Braun
Georg Dietrich
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP2948266A1 publication Critical patent/EP2948266A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/10—Scanning systems
    • G02B26/105—Scanning systems with one or more pivoting mirrors or galvano-mirrors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K1/00—Soldering, e.g. brazing, or unsoldering
    • B23K1/0004—Resistance soldering
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K1/0008—Soldering, e.g. brazing, or unsoldering specially adapted for particular articles or work
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    • B23K1/20—Preliminary treatment of work or areas to be soldered, e.g. in respect of a galvanic coating
    • B23K1/206—Cleaning
    • G—PHYSICS
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    • G—PHYSICS
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    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
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    • G02B5/0808—Mirrors having a single reflecting layer
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    • G02B7/00—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements
    • G02B7/18—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for prisms; for mirrors
    • G02B7/182—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for prisms; for mirrors for mirrors
    • G02B7/1821—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for prisms; for mirrors for mirrors for rotating or oscillating mirrors

Definitions

  • Reflective optical element for a dynamic deflection of a laser beam and a method for its production
  • the invention relates to reflective optical elements for a dynamic deflection of a laser beam and to a manufacturing method for these reflective elements.
  • reflective elements are also referred to as scanner mirrors, which can be pivoted by means of a drive about at least one axis.
  • Reflecting surface incident laser beam is reflected depending on the angle of incidence and can be deflected by pivoting accordingly and, for example, the focal spot of the laser beam for processing one or two-dimensional deflected. It is obvious that act on a scanner mirror large accelerations during pivoting, since high deflection speeds of the laser beam are desired. Therefore, a reduced net mass of the moving parts of such a reflective element with a correspondingly small
  • Mass moment of inertia is an important parameter to be observed. Further requirements for this laser radiation reflecting elements are high reflectivity (relative) for the radiation, a good one
  • Scanner levels are currently made with aluminum, beryllium, silicon or silicon carbide.
  • the quantities to be produced are limited and large batch sizes do not occur. They are usually metallic
  • Basic body used which have a laser radiation reflecting surface.
  • the main body show because of the above
  • cooling fins are provided to allow cooling to a tolerable temperature. Usually that prepares
  • Such a two-part design can not be designed geometrically in optimized form, as there are limits in terms of design and joining technology. It is therefore an object of the invention to provide reflective optical elements for a dynamic deflection of laser beams available, which are less expensive to produce and flexible in their geometric design, so that they achieve improved properties in dynamic operation.
  • a surface of a base body and a plate-shaped reflective element are bonded in a materially bonded and planar manner by means of a solder connection.
  • the plate-shaped reflective element can be formed from silicon, an optical glass, sapphire, Zerodur or a glass ceramic with a very low coefficient of thermal expansion (ULE).
  • the plate-shaped reflective element may be a separate part of a silicon wafer, whose size corresponds to the desired reflective surface. Silicon has a good thermal conductivity, so that an effective cooling can be achieved.
  • the base body can be made of a variety of materials or materials. This can be a metal or a ceramic. There is also the possibility of using composite materials or
  • the preparation can be carried out using various known production methods. It can also be performed with a rapid prototyping method. Sophisticated geometric shapes can be formed, which can be optimized for the particular application, in particular with regard to the mechanical, dynamic and thermal requirements.
  • Brackets for the drive is already integrated / are. It can also be done on the main body Cooling elements, such as cooling fins, or be formed in the main body cooling channels.
  • the laser-beam-reflecting surface of the plate-shaped reflective element may be provided with a layer or coating reflecting the laser radiation.
  • This may be, for example, an interference layer system adapted to a specific wavelength of the laser radiation to be reflected or a reflective layer
  • Surface to be joined surface of the plate-shaped reflective element may be conveniently provided with a wetting layer with which an improved wetting behavior of the solder used can be achieved.
  • a wetting layer with which an improved wetting behavior of the solder used can be achieved.
  • Reflective element made of silicon - gold, copper, tin, silver or nickel or an alloy thereof can be used for a wetting layer.
  • solder This is also the case if, as will be described in more detail below, a solder layer with reactive nanometer multilayers formed over it is to be applied to a surface to be joined.
  • Purification may be by ion bombardment or plasma treatment under vacuum conditions.
  • Wetting layers can preferably be formed by a PVD method known per se, preferably by magnetron sputtering.
  • a PVD method known per se, preferably by magnetron sputtering.
  • predetermined layer thicknesses and very high surface finishes can be achieved.
  • the latter has a meaning, in particular for the optical properties, in the reflection.
  • An insertable in the invention plate-shaped reflective element should have a thickness of less than 1 mm, preferably less than 500 ⁇ , more preferably less than 100 ⁇ . This has the particular advantage that it has a low intrinsic mass and is elastically deformable within limits, so that surface defects during joining and later mechanical stresses can be reduced by different thermal expansion coefficients between the base body and the plate-shaped reflecting element. Very thin plate-shaped elements can be adapted during joining also to a curved surface with a larger radius, whereby the production of concave or convex curved reflecting surfaces on a correspondingly arched surface of a base body is possible.
  • the procedure is such that reactive nanometer multilayers and at least one solder layer are formed or arranged there between the respective surface of the base body and the surface of the plate-shaped reflective element.
  • the base body and the plate-shaped element are then pressed together with the reactive nanometer multilayers arranged therebetween or there and the at least one solder layer with a pressure force application.
  • a pressure in the range of 0.5 MPa to 15 MPa is maintained.
  • solder layer and a reactive nanometer multilayer system may be formed directly on the respective surface to be joined of the base body and / or of the plate-shaped reflective element.
  • a reactive nanometer multilayer system and optionally also a solder layer can be produced by a PVD method, preferably by magnetron sputtering.
  • a reactive nanometer multilayer system can be formed in a manner known per se from alternately arranged layers of two metals, which react exothermically with one another during interdiffusion. In this case, for example, Ni / Al, Ti / Al, Ti / Si, Zr / Al or Zr / Si layers with individual layer thicknesses in the range between 5 nm and 50 nm can form a reactive nanometer multilayer system.
  • the number and / or the respectively selected layer thickness of the individual layers can influence the energy released and the temperature which can be used to melt the solder as well as the rate at which the exothermic reaction propagates over the surface of the reactive nanometer multilayer system.
  • the respective layer thickness of the layers formed from the individual metals also determines the proportion of the respective metal, which can react exothermically during the interdiffusion.
  • the total thickness of a reactive nanometer multilayer system can be in the range between 5 ⁇ to 15 ⁇ .
  • the reactive nanometer multilayer system used should be selected so that the melting temperature of the solder used in the exothermic reaction is exceeded, or at least achieved.
  • a solder layer can also by another coating method on at least one of the two surfaces to be joined of the base body or the plate-shaped reflective element can be applied. This can be achieved, for example, galvanically.
  • a wetting layer may preferably be formed from Au, Cu or Ni.
  • a reactive nanometer multilayer system should be used whose surface area exceeds the surface area of the
  • Nanometer multilayers is present. As already mentioned, a laser beam can be directed onto this exposed surface area with which sufficient energy input for igniting the exothermic reaction can be achieved. But this can also be done by applying an electrical
  • a solder may be used which is selected from pure tin, pure indium, a silver-tin, a gold-tin, a silver-copper-tin, an indium-copper-silver alloy and an aluminum-silicon compound ,
  • the layer thickness of a layer of solder should be in the range 5 ⁇ to 15 ⁇ .
  • the permanently permissible temperature occurring during operation can be taken into account, which should be below the melting temperature of the solder.
  • This temperature is determined by the laser power, the incident beam cross section and the operation of the laser.
  • the temperature of a cw-mode laser is greater than that of pulsed operation.
  • laser powers of several kW and a continuously operated laser are manageable without any problems.
  • a usable in the invention base body can be advantageously prepared by a rapid prototyping method, in which a free three-dimensional shape can be formed and particularly advantageous undercuts and cavities can be formed. Under the lightweight aspect, therefore, filigree structures and very small
  • Wall thicknesses can be formed in the range of 0.5 mm.
  • Suitable methods are selective laser sintering, in which
  • powdered material of the main body forming material is applied in layers and each layer is subjected to a two-dimensionally movable or deflectable laser beam. At the irradiated positions, the material can be sintered together. From the non-irradiated areas of the powdery material can be removed later, so that a three-dimensional body, in which cavities may be present, can be prepared by this method.
  • Printing processes can also be used for the production of base bodies, in which a suspension containing the respective base material in powder form is applied in layers in such a way that the desired geometric shape can be produced three-dimensionally. After the application of each individual layer, drying should take place. A finished green body can then be finished sintered during a thermal treatment.
  • the printing can be done by screen printing or with a two- or three-dimensionally movable print head, which can be constructed similar to the inkjet printing.
  • the main body consists of aluminum and has been brought either by a direct molding process, eg casting or machining in the desired geometric shape.
  • a direct molding process eg casting or machining in the desired geometric shape.
  • all required elements for cooling and mounting formed directly on the body are all required elements for cooling and mounting formed directly on the body.
  • the plate-shaped reflective element a section of a silicon wafer having a thickness of 520 ⁇ m was selected. It had a surface area of 10 * 10 mm 2 . But it can also be a circular plate-shaped reflective element are used, which has an approximately equal area.
  • the surface of the plate-shaped reflecting element to be joined to the base body was provided with a wetting layer of nickel with a layer thickness of 500 nm. On this wetting layer, a solder layer of Sn / Ag alloy having a melting temperature of 220 ° C was applied.
  • Lot Mrs was coated from the same solder, inserted.
  • the two solder layers had a layer thickness of 7 pm.
  • Nanometer layer system was formed with alternately arranged metal layers of nickel and aluminum and had a total thickness of 55 ⁇ .
  • the individual layers had thicknesses of 20 nm to 30 nm.
  • the main body and the plate-shaped reflective element were pressed together with the interposed reactive nanometer multilayer system with a pressure of 10 MPa.

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Abstract

Die Erfindung betrifft reflektierende optische Elemente für eine dynamische Auslenkung eines Laserstrahls sowie ein Herstellungsverfahren für diese reflektierenden Elemente. Aufgabe der Erfindung ist es, reflektierende optische Elemente für eine dynamische Auslenkung von Laserstrahlen zur Verfügung zu stellen, die kostengünstiger herstellbar und in ihrer geometrischen Gestaltung flexibel sind, so dass sie im dynamischen Betrieb verbesserte Eigenschaften erreichen. Bei dem erfindungsgemäßen reflektierenden optischen Element sind eine Oberfläche eines Grundkörpers und ein plattenförmiges reflektierendes Element stoffschlüssig und flächig mittels einer Lotverbindung verbunden.

Description

Reflektierendes optisches Element für eine dynamische Auslenkung eines Laserstrahls sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung
Die Erfindung betrifft reflektierende optische Elemente für eine dynamische Auslenkung eines Laserstrahls sowie ein Herstellungsverfahren für diese reflektierenden Elemente. Üblicherweise werden solche reflektierenden Elemente auch als Scannerspiegel bezeichnet, die mittels eines Antriebs um mindestens eine Achse verschwenkt werden können. Ein auf die
reflektierende Oberfläche auftreffender Laserstrahl wird je nach Einfallswinkel reflektiert und kann durch das Verschwenken entsprechend ausgelenkt und beispielsweise dabei der Brennfleck des Laserstrahls für eine Bearbeitung ein- oder zweidimensional ausgelenkt werden. Dabei liegt es auf der Hand, dass auf einen Scannerspiegel große Beschleunigungen beim Verschwenken wirken, da hohe Auslenkgeschwindigkeiten des Laserstrahls gewünscht werden. Daher ist eine reduzierte Eigenmasse der bewegten Teile eines solchen reflektierenden Elements mit entsprechend kleinem
Massenträgheitsmoment ein wichtiger einzuhaltender Parameter. Weitere Anforderungen an diese Laserstrahlung reflektierenden Elemente sind hohe Reflektionsgrade (Relektivität) für die Strahlung, eine gute
Wärmeleitung sowie eine ausreichende thermische Beständigkeit,
mechanische Festigkeit und Steifigkeit, die möglichst dauerhaft eingehalten werden sollen.
Scannerspiegel werden bisher mit Aluminium, Beryllium, Silicium oder Siliciumcarbid hergestellt. Die herzustellenden Stückzahlen sind begrenzt und große Losgrößen treten dabei nicht auf. Es werden üblicherweise metallische
Grundkörper eingesetzt, die eine die Laserstrahlung reflektierende Oberfläche aufweisen. Die Grundkörper weisen wegen der oben genannten
erforderlichen Eigenschaften unterschiedliche geometrische Gestaltungen auf. So sind beispielsweise Kühlrippen vorhanden, um eine Kühlung auf eine erträgliche Temperatur zu ermöglichen. Normalerweise bereitet die
Herstellung solcher Grundkörper keine größeren Probleme. Da aber ein hoher Reflektionsgrad an der reflektierenden Fläche erforderlich ist, ist eine äußerst aufwändige Oberflächenbearbeitung an der reflektierenden Oberfläche durchzuführen, die bisher nur durch eine spanende Bearbeitung erreichbar ist. Ein Beispiel für eine solche Bearbeitung ist das Glanzfräsen. Diese mechanische Bearbeitung bestimmt aber wesentlich die Höhe der
Herstellungskosten. Außerdem tritt durch diese Bearbeitung ein weiterer Nachteil auf. Es ist nämlich nicht möglich, ein solches einteiliges reflektierende Element mit den bekannten technischen Mitteln zu fertigen. Daher müssen zumindest immer zwei Teile, nämlich ein reflektierendes Teil, das bereits gut poliert ist oder sich gut polieren lässt, und eine Halterung zur Aufnahme einer Antriebswelle, miteinander verbunden werden. Üblicherweise wird dafür eine Klebeverbindung gewählt, deren thermische Beständigkeit und Lebensdauer aber problematisch sind. Außerdem ist bei diesem Fügeschritt, die Einhaltung einer hohen Präzision erforderlich, da die beiden Teile sehr genau zueinander justiert werden müssen.
Eine solche zweiteilige Ausführung kann auch nicht in optimierter Form geometrisch gestaltet werden, da konstruktiv und fügetechnisch Grenzen gesetzt sind. Es ist daher Aufgabe der Erfindung reflektierende optische Elemente für eine dynamische Auslenkung von Laserstrahlen zur Verfügung zu stellen, die kostengünstiger herstellbar und in ihrer geometrischen Gestaltung flexibel sind, so dass sie im dynamischen Betrieb verbesserte Eigenschaften erreichen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Der Anspruch 7 betrifft mit seinen Merkmalen die Herstellung solcher reflektierenden optischen Elemente. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Bei dem erfindungsgemäßen reflektierenden optischen Element sind eine Oberfläche eines Grundkörpers und ein plattenförmiges reflektierendes Element stoffschlüssig und flächig mittels einer Lotverbindung verbunden.
Das plattenförmige reflektierende Element kann dabei aus Silicium, einem optischen Glas, Saphir, Zerodur oder einer Glaskeramik mit sehr kleinem thermischen Ausdehnungskoeffizienten (ULE) gebildet sein. Bevorzugt kann das plattenförmige reflektierende Element ein aus einem Siliciumwafer heraus getrenntes Teil sein, dessen Größe der gewünschten reflektierenden Fläche entspricht. Silicium weist eine gute thermische Leitfähigkeit auf, so dass eine wirksame Kühlung erreichbar ist.
Der Grundkörper kann aus den verschiedensten Werkstoffen oder Materialien hergestellt werden. Dies kann ein Metall oder eine Keramik sein. Es besteht auch die Möglichkeit des Einsatzes von Verbundwerkstoffen oder
faserverstärkten Werkstoffen. Die Herstellung kann mit verschiedenen bekannten Herstellungsverfahren erfolgen. Sie kann auch mit einem Rapid Prototypingverfahren durchgeführt werden. Es können anspruchsvolle geometrische Gestaltungsformen ausgebildet werden, die an den jeweiligen Einsatz insbesondere bezüglich der mechanischen, dynamischen und thermischen Anforderungen optimiert werden können.
Besonders vorteilhaft ist dabei die Möglichkeit der einteiligen Ausbildung eines Grundkörpers, bei dem beispielsweise eine oder mehrere Halterungen für den Antrieb bereits integriert ist/sind. Es können am Grundkörper auch Kühlelemente, wie z.B. Kühlrippen, oder im Grundkörper Kühlkanäle ausgebildet sein.
Die einen Laserstrahl reflektierende Oberfläche des plattenförmigen reflektierenden Elements kann mit einer die Laserstrahlung reflektierenden Schicht oder Beschichtung versehen sein. Dabei kann es sich beispielsweise um ein auf eine bestimmte Wellenlänge der zu reflektierenden Laserstrahlung angepasstes Interferenzschichtsystem oder um eine reflektierende
Metallschicht handeln. Es besteht aber auch die Möglichkeit allein oder zusätzlich dazu diese Oberfläche mit einer Oxidationsschutzschicht und/oder einer Kratzschutzschicht zu versehen. Hierfür können beispielsweise diamantähnlicher Kohlenstoff (DLC diamond like carbon), Siliziumoxid, Aluminiumoxid oder andere dielektrische Schichten als Werkstoff eingesetzt werden.
Die jeweilige Oberfläche des Grundkörpers und/oder die mit dieser
Oberfläche zu fügende Oberfläche des plattenförmigen reflektierenden Elements können günstigerweise mit einer Benetzungsschicht versehen sein, mit der ein verbessertes Benetzungsverhalten des eingesetzten Lotes erreichbar ist. So kann beispielsweise bei einem plattenförmigen
reflektierenden Element aus Silicium - Gold, Kupfer, Zinn, Silber oder Nickel oder eine Legierung davon für eine Benetzungsschicht eingesetzt werden.
Für eine gute Schicht- oder Lothaftung kann auch eine Reinigung der
Oberfläche vor der Ausbildung einer Benetzungsschicht oder dem
eigentlichen stoffschlüssigen Fügen mittels Lot durchgeführt werden. Dies ist auch der Fall, wenn, wie nachfolgend noch genauer zu beschreiben sein wird, auf eine zu fügende Oberfläche eine Lotschicht mit darüber ausgebildetem reaktiven Nanometer-Multischichten aufgebracht werden sollen. Die
Reinigung kann durch lonenbeschuss oder eine Plasmabehandlung unter Vakuumbedingungen erfolgen.
Benetzungsschichten aber auch andere Schichten können bevorzugt mit einem an sich bekannten PVD-Verfahren, bevorzugt durch Magnetron- Sputtern ausgebildet werden. Damit können bei akzeptabler Abscheiderate vorgegebene Schichtdicken und sehr hohe Oberflächengüten erreicht werden. Letztgenanntes hat insbesondere für die optischen Eigenschaften, bei der Reflexion eine Bedeutung.
Ein bei der Erfindung einsetzbares plattenförmiges reflektierendes Element sollte eine Dicke kleiner 1 mm, bevorzugt kleiner 500 μιτι, besonders bevorzugt kleiner 100 μητι aufweisen. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass es eine geringe Eigenmasse aufweist und in Grenzen elastisch verformbar ist, so dass Oberflächenfehler beim Fügen und später mechanische Spannungen durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten zwischen Grundkörper und plattenförmigem reflektierenden Element reduziert werden können. Sehr dünne plattenförmige Elemente können beim Fügen auch an eine mit einem größeren Radius gewölbte Oberfläche angepasst werden, wodurch die Herstellung von konkav oder konvex gewölbten reflektierenden Oberflächen auf einer entsprechend gewölbt ausgebildeten Oberfläche eines Grundkörpers möglich wird.
Bei der Herstellung wird so vorgegangen, dass zwischen der jeweiligen Oberfläche des Grundkörpers und der Oberfläche des plattenförmigen reflektierenden Elements reaktive Nanometer-Multischichten und mindestens eine Lotschicht ausgebildet oder dort angeordnet werden. Der Grundkörper und das plattenförmige Element wird dann mit den dazwischen angeordneten oder dort vorhandenen reaktiven Nanometer-Multischichten und der mindestens einen Lotschicht mit einer Druckkraftbeaufschlagung zusammen gepresst. Bevorzugt wird dabei ein Druck im Bereich 0,5 MPa bis 15 MPa eingehalten.
Dann werden die reaktiven Nanometer-Multischichten durch einen
Energieeintrag, der bevorzugt durch eine elektrische Zündung oder einen Laserstrahl erreichbar ist, aktiviert, so dass mit der freigesetzten Wärme das Lot aufschmilzt und die stoffschlüssige Verbindung des Grundkörpers mit dem plattenförmigen reflektierenden Element nach dem Erstarren des Lotes hergestellt wird. Die durch die exotherme Reaktion freigesetzte Wärme wirkt sehr kurzzeitig, so dass sie lokal begrenzt zu einer Temperaturerhöhung führt, die zum Aufschmelzen des Lots ausreicht aber keine negative thermische Beeinträchtigung am Grundkörper und dem plattenförmigen reflektierenden Element hervorruft. Dabei besteht die Möglichkeit, ein reaktives Nanometer-Multischichtsystem an seinen zwei Oberflächen mit jeweils einer Lotschicht oder lediglich an einer Seite mit einer Lotschicht zu versehen und es in dieser Form zwischen die jeweilige Oberfläche des Grundkörpers und des plattenförmigen
reflektierenden Elements anzuordnen, bevor sie zusammengepresst werden.
Es kann aber auch eine Lotschicht und ein reaktives Nanometer- Multischichtsystem unmittelbar auf der jeweiligen zu fügenden Oberfläche des Grundkörpers und/oder des plattenförmigen reflektierenden Elements ausgebildet werden.
Ein reaktives Nanometer-Multischichtsystem und ggf. auch eine Lotschicht können durch ein PVD-Verfahren, bevorzugt durch Magnetron-Sputtern hergestellt werden. Ein reaktives Nanometer-Multischichtsystem kann in an sich bekannter Form aus alternierend angeordneten Schichten zweier Metalle, die bei einer Interdiffusion exotherm miteinander reagieren, gebildet sein. Dabei können beispielsweise Ni/Al, Ti/Al, Ti/Si, Zr/Al oder Zr/Si Schichten mit Einzelschichtdicken im Bereich zwischen 5 nm und 50 nm ein reaktives Nanometer-Multischichtsystem bilden. Durch die Anzahl und/oder die jeweils gewählte Schichtdicke der einzelnen Schichten können die freigesetzte Energie und die zum Aufschmelzen des Lots nutzbare Temperatur sowie die Geschwindigkeit mit der sich die exotherme Reaktion über die Fläche des reaktiven Nanometer-Multischichtsystem ausbreitet beeinflusst werden. Dabei bestimmt die jeweilige Schichtdicke der aus den einzelnen Metallen gebildeten Schichten auch den Anteil des jeweiligen Metalls, das bei der Interdiffusion exotherm reagieren kann.
Die Gesamtdicke eines reaktiven Nanometer-Multischichtsystems kann im Bereich zwischen 5 μτη bis 15 μηη liegen. Das eingesetzte reaktive Nanometer- Multischichtsystem sollte so ausgewählt werden, dass die Schmelztemperatur des eingesetzten Lots bei der exothermen Reaktion überschritten, zumindest aber erreicht wird. Eine Lotschicht kann aber auch durch ein anderes Beschichtungsverfahren auf zumindest einer der beiden zu fügenden Flächen des Grundkörpers oder des plattenförmigen reflektierenden Elements aufgebracht werden. Dies kann beispielsweise galvanisch erreicht werden.
Auf mindestens eine der miteinander zu fügenden Oberflächen des
Grundköpers und/oder des plattenförmigen reflektierenden Elements kann eine bereits erwähnte Benetzungsschicht vor dem Fügen ausgebildet werden. Eine Benetzungsschicht kann dabei bevorzugt aus Au, Cu oder Ni gebildet sein. Es sollte ein reaktives Nanometer-Multischichtsystem eingesetzt werden, dessen Flächenausdehnung größer als die Flächenausdehnung des
plattenförmigen reflektierenden Elements ist, so dass ein freiliegender Flächenbereich für den Energieeintrag zur Aktivierung der reaktiven
Nanometer-Multischichten vorhanden ist. Wie bereits angesprochen kann auf diesen freiliegenden Flächenbereich ein Laserstrahl gerichtet werden, mit dem ein ausreichender Energieeintrag zum Zünden der exothermen Reaktion erreichbar ist. Dies kann aber auch durch Anlegen einer elektrischen
Spannung und eine Funkenbildung in diesem Flächenbereich erreicht werden. Es kann ein Lot eingesetzt werden, dass ausgewählt ist aus reinem Zinn, reinem Indium, einer Silber-Zinn-, einer Gold-Zinn-, einer Silber-Kupfer-Zinn-, einer Indium-Kupfer-Silberlegierung und einer Aluminium-Silicium- Verbindung. Die Schichtdicke einer Lotschicht sollte im Bereich 5 μηι bis 15 μιη liegen.
Bei der Auswahl des Lotes kann die während des Betriebes auftretende dauerhaft zulässige Temperatur berücksichtigt werden, die unterhalb der Schmelztemperatur des Lotes liegen soll. Diese Temperatur wird durch die Laserleistung, den auftreffenden Strahlquerschnitt und den Betrieb des Lasers bestimmt. So ist die Temperatur bei einem im cw-mode betriebenen Laser größer als bei gepulstem Betrieb. Es hat sich aber heraus gestellt, dass Laserleistungen von mehreren kW und einem kontinuierlich betriebenen Laser ohne Probleme beherrschbar sind. Vor dem Fügen von Grundkörper und plattenförmigem reflektierenden
Element sollte darauf geachtet werden, dass die miteinander zu fügenden Oberflächen eine ausreichende Oberflächengüte aufweisen
Ein bei der Erfindung einsetzbarer Grundkörper kann vorteilhaft mit einem Rapid-Prototyping-Verfahren hergestellt werden, bei dem eine freie dreidimensionale Form ausgebildet werden kann und besonders vorteilhaft Hinterschneidungen und Hohlräume ausgebildet werden können. Unter dem Leichtbauaspekt sollten somit filigrane Strukturen und sehr kleine
Wandstärken im Bereich um 0,5 mm ausgebildet werden können.
Geeignete Verfahren sind dabei das selektive Lasersintern, bei dem
pulverförmiger Werkstoff des den Grundkörper bildenden Werkstoffs schichtweise aufgetragen und jede Schicht mit einem zweidimensional beweg- oder auslenkbaren Laserstrahl beaufschlagt wird. An den bestrahlten Positionen kann der Werkstoff miteinander versintert werden. Aus den nicht bestrahlten Bereichen kann der pulverförmige Werkstoff später entfernt werden, so dass ein dreidimensionaler Grundkörper, in dem auch Hohlräume vorhanden sein können, mit diesem Verfahren hergestellt werden kann.
Für die Herstellung von Grundkörpern können auch Druckverfahren eingesetzt werden, bei denen eine den jeweiligen Grundkörperwerkstoff in Pulverform enthaltene Suspension schichtweise so aufgebracht wird, dass die gewünschte geometrische Gestalt dreidimensional hergestellt werden kann. Nach dem Auftrag jeder einzelnen Schicht sollte dabei eine Trocknung erfolgen. Ein fertig hergestellter Grünkörper kann dann bei einer thermischen Behandlung fertig gesintert werden.
Das Drucken kann im Siebdruck oder mit einem zwei- oder dreidimensional bewegbaren Druckkopf, der ähnlich wie beim Tintenstrahldrucken aufgebaut sein kann, erfolgen.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels beschrieben werden.
Der Grundkörper besteht dabei aus Aluminium und ist entweder durch ein direkt formgebendes Verfahren, z.B. Gießen oder eine spanende Bearbeitung in die gewünschte geometrische Form gebracht worden. Dabei sind alle erforderlichen Elemente für eine Kühlung und Halterung unmittelbar am Grundkörper ausgebildet.
Die mit einem plattenförmigen Element zu fügende Oberfläche des
Grundkörpers mit einem organischen Lösungsmittel gereinigt.
Für das plattenförmige reflektierende Element wurde ein Ausschnitt aus einem Siliciumwafer mit einer Dicke von 520 pm gewählt. Es hatte eine Flächenausdehnung von 10 * 10 mm2. Es kann aber auch ein kreisförmig ausgebildetes plattenförmiges reflektierendes Element eingesetzt werden, das eine in etwa gleich große Fläche aufweist.
Die mit dem Grundkörper zu fügende Oberfläche des plattenförmigen reflektierenden Elements wurde mit einer Benetzungsschicht aus Nickel mit einer Schichtdicke von 500 nm versehen. Auf diese Benetzungsschicht wurde eine Lotschicht aus einer Sn/Ag-Legierung mit einer Schmelztemperatur von 220 °C aufgebracht.
Zwischen die zu fügenden Flächen von Grundkörper und plattenförmigem reflektierenden Element wurde ein reaktives Nanometer-Multischichtsystem, das an der in Richtung Grundkörper weisenden Oberfläche mit einer
Lotschicht aus demselben Lot beschichtet worden war, eingelegt. Die beiden Lotschichten hatten eine Schichtdicke von 7 pm. Das reaktive
Nanometerschichtsystem war mit alternierend angeordneten Metallschichten aus Nickel und Aluminium gebildet und hatte eine Gesamtdicke von 55 μιη. Die Einzelschichten hatten Dicken von 20 nm bis 30 nm.
Der Grundkörper und das plattenförmige reflektierende Element wurden mit dem dazwischen angeordneten reaktiven Nanometer-Multischichtsystem mit einem Druck von 10 MPa zusammengepresst.
Anschließend wurde die exotherme Reaktion in einem freiliegenden
Flächenbereich des reaktiven Nanometer-Multischichtsystems durch einen dort initiierten elektrischen Funken gezündet, woraufhin eine Erwärmung auftrat, die zum Schmelzen des Lots führte. Das Lot konnte sich gleichmäßig über die Fügefläche verteilen und es wurde eine nach dem Unterschreiten der Schmelztemperatur des Lotes feste gut haftende stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Grundkörper und dem plattenförmigen reflektierenden Element erreicht. Das plattenförmige reflektierende Element wurde an seiner zur Reflexion des
Laserstrahls genutzten Oberfläche mit einer zusätzlichen reflektierenden geschlossenen Silberschicht mit einer Schichtdicke von mindestens 500 nm beschichtet, was mit einem PVD-Verfahren erreicht worden ist.

Claims

Patentansprüche
Reflektierendes optisches Element für eine dynamische Auslenkung eines Laserstrahls, bei dem
eine Oberfläche eines Grundkörpers und ein plattenförmiges reflektierendes Element stoffschlüssig und flächig mittels einer Lotverbindung verbunden sind.
Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das plattenförmige reflektierende Element aus Silicium, einem optischen Glas, Saphir, ULE oder Zerodur gebildet ist.
Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die einen Laserstrahl reflektierende Oberfläche des plattenförmigen reflektierenden Elements mit einer die Laserstrahlung reflektierenden Schicht oder Beschichtung, einer Oxidationsschutzschicht und/oder einer Kratzschutzschicht versehen ist.
Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Oberfläche des Grundkörpers und/oder die mit dieser Oberfläche zu fügende Oberfläche des plattenförmigen reflektierenden Elements mit einer Benetzungsschicht versehen ist/sind.
Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar am Grundkörper eine Aufnahme für eine Halterung eines Antriebs zum Verschwenken des Elements und dadurch der Grundkörper einteilig ausgebildet ist.
Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das plattenförmige reflektierende Element eine Dicke kleiner 1 mm, bevorzugt kleiner 500 μιτι, besonders bevorzugt 100 μιη aufweist. Verfahren zur Herstellung eines reflektierenden optischen Elementes nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der jeweiligen Oberfläche des Grundkörpers und der Oberfläche des plattenförmigen reflektierenden Elements reaktive Nanometer-Multischichten und mindestens eine Lotschicht
ausgebildet oder dort angeordnet werden, der Grundkörper und das plattenförmige Element mit den dazwischen angeordneten oder dort vorhandenen reaktiven Nanometer- Multischichten und der mindestens einen Lotschicht mit einer
Druckkraftbeaufschlagung zusammen gepresst werden, wobei bevorzugt ein Druck im Bereich 0,5 MPa bis 15 MPa eingehalten wird und die reaktiven Nanometer-Multischichten durch einen Energieeintrag, der bevorzugt durch eine elektrische Zündung oder einen Laserstrahl erreichbar ist, aktiviert werden, so dass mit der freigesetzten Wärme das Lot aufschmilzt und die stoffschlüssige Verbindung des
Grundkörpers mit dem plattenförmigen reflektierenden Element nach dem Erstarren des Lotes hergestellt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch
gekennzeichnet, dass auf mindestens eine der miteinander zu fügenden Oberflächen des Grundköpers und/oder des plattenförmigen reflektierenden Elements eine Benetzungsschicht vor dem Fügen ausgebildet wird, die bevorzugt aus Au, Cu, Sn, Ag, Ni oder einer Legierung dieser Elemente gebildet ist.
Verfahren nach den beiden vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass reaktive Nanometer-Multischichten eingesetzt werden, deren Flächenausdehnung größer als die Flächenausdehnung des plattenförmigen reflektierenden Elements ist, so dass ein freiliegender Flächenbereich für den Energieeintrag zur Aktivierung der reaktiven Nanometer-Multischichten vorhanden ist.
10. Verfahren nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lot eingesetzt wird, dass ausgewählt ist aus reinem Zinn, reinem Indium, einer Silber-Zinn-, einer Gold-Zinn-, einer Silber-Kupfer-Zinn-, einer Indium-Kupfer-Silberlegierung und einer Aluminium-Silicium-Verbindung.
11. Verfahren nach einem der vier vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügefläche des plattenförmigen
reflektierenden Elements vor dem Fügen gereinigt wird, wobei die Reinigung bevorzugt mittels direktem lonenbeschuss oder mit einem Plasma im Vakuum durchgeführt wird.
12. Verfahren nach einem der fünf vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper mit einem Rapid-Prototyping- Verfahren, bevorzugt einem Druckverfahren mit anschließender thermischer Behandlung hergestellt wird,
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