WO2014147084A1 - Dampfdruck kontrollierter adaptiver spiegel - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spiegelvorrichtung und ein dazugehöriges Verfahren, bei der ein verformbarer Spiegel (1) steuerbar verformbar ist, umfassend: - ein Spiegel (1), der im Innenbereich durch einen Dampfdruck verformbar ist; - ein Druckkammerteil (4), das mit der Rückseite des Spiegels (1) dicht verbunden und ausgebildet ist, mit dem Spiegel eine Druckkammer (3) zu bilden und um den Dampfdruck an der Rückseite des Spiegels zu erzeugen; - ein steuerbares Temperiermittel (5), das mit dem Druckkammerteil (4) verbunden ist; - ein Speichermittel (2), das in der Druckkammer (3) an der Rückseite des Spiegels (1) angeordnet und ausgebildet ist, um eine Flüssigkeit aufnehmen und als Dampf entsprechend einer Temperatur-Dampfdruck-Kurve der bestimmten Flüssigkeit abgeben zu können; - wobei die Flüssigkeit in der Druckkammer (3) durch das Temperiermittel (5) einen Dampfdruck erzeugt und Spiegel (1) verformt.

Description

Dampfdruck kontrollierter adaptiver Spiegel

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren dazu, mit der ein Spiegel über einen Dampfdruck von einer Rückseite des Spiegels her beaufschlagt und dadurch verformt wird, wodurch eine bestimmte Wölbung des Spiegels erzeugt wird. Der Dampfdruck wird dabei durch eine bestimmte Flüssigkeit und ein Temperiermittel und über ein HeatPipe-Prinzip erzeugt und verteilt.

Stand der Technik

Lasersysteme mit Resonatoren für eine hohe Ausgangsleistung weisen mindestens einen Spiegel auf, an die entsprechend hohe Anforderungen hinsichtlich Reflexionsgrad, Oberflächenform bzw. Konkavität und Wärmeableitung gestellt sind.

Die Leistung mit der die Spiegel eines Hochleistungslasers beaufschlagt werden, liegt in einem Bereich von 50kW/cm2 außerhalb einer Kavität und 10MW/cm2 innerhalb der Kavität. Auch an eine Streuung werden hohe Anforderungen gestellt. In einer Laser Kavität ist die umlaufende Leistung um ein vielfaches größer als die abgegebene Leistung. Bei 2% Auskopplung bedeuten bereits 0,5% Streuung auf dem Spiegel, oder auch Umlenkspiegel genannt, eine Leistungseinbuße des ausgehenden Laserstrahls von 50%. Dabei muss die Lichtleistung, die durch die Streuung verloren geht, als anfallende Wärmeleistung abgeführt werden.

Um den Laserstrahl in einem Resonator entsprechend zu reflektieren, ist es erforderlich, dass der Spiegel darin exakt ausgerichtet ist und zudem die Oberfläche eine

entsprechend plane oder leicht gewölbte Konkavität besitzt, um den Laserstrahl exakt abgestimmt mit einem bestimmten Fokus oder einer Fokuslinie im Resonator zu reflektieren. Als Spiegel werden üblicherweise hochreflektierende Spiegel mit einer kreisrunden oder ovalen bzw. elliptischen Form verwendet. Entweder werden dabei starre Spiegel mit einer gewölbten Oberfläche verwendet oder die Spiegel werden mit einer planen oder leicht gewölbten Oberfläche hergestellt und danach mit einem Unteroder Überdruck auf der Rückseite des Spiegels beaufschlagt, wodurch sich die

Spiegeloberfläche druckgesteuert verändern bzw. wölben läßt. Für langwellige IR Laser werden meist Spiegel aus Metall wie beispielsweise aus Kupfer verwendet, über die Wärme gut abgeführt werden kann. Für eine Anwendung bei Lasern im sichtbaren oder UV Lichtbereich werden Spiegel beispielsweise aus dielektrisch beschichtetem Glas eingesetzt, die einen Reflexionsgrad von bis zu 99,995% und höher aufweisen. Jedoch leiten Glas-Spiegel Wärme wesentlich schlechter ab als Metall-Spiegel, wie

beispielsweise Kupfer-Spiegel. Die Wärmeableitung ist ein wichtiger Parameter, um eine hohe Leistungsdichte mit einem Laser erzielen zu können.

DE10052249A1 offenbart eine Spiegelvorrichtung für einen Laser mit einem

deformierbaren und insbesondere einem adaptiven Spiegel gemäß dem Oberbegriff des Anspruch 1 , die auf einer Rückseite des Spiegels eine Druckkammer aufweist, durch die der Spiegel entsprechend der Elastizität des Spiegels und dem Druck verformbar ist. Darüber hinaus ist der Spiegel aus zwei Schichten aufgebaut, die dazwischen

Kühlwasserkanäle umfassen, um die Wärme besser abführen zu können. Nachteilig ist dabei, dass der Zweischichtenverbund den Spiegel rigider macht und mehr Druck für eine Durchbiegung erfordert. Außerdem bilden sich die Kühlwasserkanäle leicht auf der Oberfläche des Spiegels ab, wodurch eine exakte Reflexion gestört ist.

DE3900467A1 offenbart eine andere Spiegelvorrichtung für einen Laser mit einem deformierbaren und insbesondere einem adaptiven Spiegel gemäß dem Oberbegriff des Anspruch 1 , wobei über einen gesamten Innenbereich der Rückseite des Spiegels eine Druckkammer, die als Hohlraum bezeichnet ist, ausgebildet ist, durch die einerseits ein Druck oder Unterdruck auf den Spiegel ausgeübt wird und diesen verformt, und durch die andererseits eine Kühlflüssigkeit geleitet wird, die den Spiegel kühlt.

JP02248913A offenbart einen Spiegel mit einer Hohlkammer auf der Rückseite, die mit einer Flüssigkeit und einem Heizelement gefüllt ist, wobei durch das Heizelement ein Teil der Flüssigkeit in Dampf übergeht und ein Innendruck erzeugt wird, der den Spiegel entsprechend nach außen wölbt. Zwar erlaubt die Flüssigkeit eine gute

Wärmeabführung, die Wärme ist aber nicht sofort an allen Stellen gleichmäßig verteilt. Wenn beispielsweise eine zusätzliche Verdunstung der Flüssigkeit am Spiegel an einer Stelledurch durch eine partielle Wärmezufuhr am Spiegel erfolgt, so erhöht sich der Druck und es stellt sich eine andere Spiegelwölbung ein.

DE60304009T2 und DE102009018365A1 offenbaren eine ähnliche Spiegelvorrichtung wie JP02248913A, mit den gleichen Vor- und Nachteilen.

Eine Durchströmung der Druckkammer auf der Rückseite des Spiegels mit der

Kühlflüssigkeit ist dabei jedoch problematisch , die möglichst ohne Druckschwankungen oder Schwingungen erzeugt werden muss, um nicht dadurch unmittelbar Schwankungen der Konkavität der Spiegeloberfläche zu erzeugen. Problematisch ist dabei auch, den Gesamtdruck für die Verformung oder die Wölbung des Spiegels exakt einzustellen und entsprechend schwingungsfrei zu regeln , wobei Wärmeschwankungen, die in die Kühlflüssigkeit eingeleitet werden, zu Ausdehnungsschwankungen und zu

Druckschwankungen führen. Andererseits ist auch eine Pumpe ohne beim Pumpen der Kühlflüssigkeit Druckschwingungen zu erzeugen problematisch.

Zusammenfassung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Spiegelvorrichtung mit einem Spiegel gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein Verfahren bereitzustellen, mit dem die

Nachteile aus dem Stand der Technik beseitigt werden und der Spiegel hinsichtlich seiner Spiegeloberfläche möglichst gleichmäßig steuerbar verformbar ist und in Betrieb gut gekühlt wird, wobei möglichst geringe Verformungsschwankungen erzeugt werden.

Die vorstehende Aufgabe sowie weitere, der Beschreibung zu entnehmende Aufgaben werden durch eine Spiegelvorrichtung und durch ein Verfahren gemäß den

kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 bzw. 12 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen

Ansprüchen angegeben.

Durch die erfindungsgemäße Spiegelvorrichtung mit dem verformbaren Spiegel gemäß Anspruch 1 und dem Verfahren gemäß Anspruch 1 3 wird ein Innenbereich des Spiegels durch dessen Rückseite durch einen Dampfdruck gemäß dem HeatPipe Prinzip sehr effektiv gekühlt, und zugleich ist dabei der Dampfdruck und die Temperatur gemäß dem HeatPipe Prinzip an der Rückseite des Spiegels gleichmäßig verteilt. Indem die

Rückseite des Spiegels bevorzugt mit einem Speichermittel wie beispielsweise mit einem kapillaraktiven Material oder einer chemischen, flüssigkeitsbindenden Substanz beschichtet ist, wird sichergestellt, dass eine einwirkende Temperatur sofort zu einer zusätzlichen Verdampfung führt und dabei eine Kühlung stattfinden kann. Dadurch ist ein alternatives Mittel zur Kühlung und Dampfdruckerzeugung am Spiegel zu einer Pumpe mit Kühlflüssigkeit, die entlang der Rückseite des Spiegels strömen würde, bereitgestellt. Demgemäß treten bei dieser Art der Kühlung des Spiegels keine durch die Pumpe verursachte, pulsierende Druckschwankungen, Druckschwingungen oder

Körperschallschwingungen auf, wie es beim Stand der Technik der Fall ist. Durch den Dampfdruck herrscht bevorzugt an allen Stellen in der Druckkammer die gleiche

Temperatur vor, wodurch der Innenbereich des Spiegels gleichmäßig und effektiv gekühlt wird. Wechselnde Temperaturgradienten, wie es bei auf der Rückseite des Spiegels eingelassenen Kühlwasserkanälen der Fall wäre, treten bei vorliegenden Erfindung durch den Wegfall von Kühlwasserkanälen nicht mehr auf.

Durch eine bevorzugte Auskleidung von temperierten Wänden in der Druckkammer mit dem Speichermittel, das das kapillaraktive Material oder die chemische,

flüssigkeitsbindende Substanz ist, kann die Flüssigkeits-Dampf-Erzeugung wirksam entlang den temperierten Wänden erzeugt werden.

Indem die Druckkammer bevorzugt klein ausgeführt ist, treten kurze Reaktionszeiten zwischen einer Temperaturänderung und einer damit verbundenen Druckänderung auf.

Wird die Druckkammer größer ausgelegt, werden durch eine partielle Verdampfung verursachte Druckschwankungen kleiner, wobei die Reaktionszeiten dabei größer werden.

Je nach Anwendungsfall und gewünschtem Druckbereich kann eine dafür geeignete Flüssigkeit mit einer entsprechenden Temperatur-Dampfdruck-Kurve ausgewählt und in die Druckkammer eingefüllt werden. Indem bevorzugt ein zusätzliches Speichermittel für die Flüssigkeit in der Druckkammer vorgesehen wird, wird zusätzlich genügend Flüssigkeit vorgehalten, ohne dass sie in der Druckkammer herum fließt.

Vorteilhafterweise erzeugt ein Temperiermittel zur Temperierung der Druckkammer, wie beispielsweise eine elektrische Heizung oder ein Peltier-Element keine Schwingungen, die sich auf den Spiegel übertragen könnten. Indem als das Temperiermittel bevorzugt ein Peltier-Element verwendet wird, das auf der entgegengesetzten Seite beispielsweise durch eine thermische Masse, eine Kühlung und/oder eine vorbeifließende

Kühlflüssigkeit gekühlt wird, kann je nach Polarität am Peltier-Element sowohl schnell eine Abkühlung als auch eine Aufheizung erzeugt werden . Indem ein Temperatursensor in der Druckkammer vorgesehen wird, kann die Temperatur gemessen und durch das Temperiermittel geregelt werden. Eine gewünschte Änderung der Verformung des Spiegels wie beispielsweise eine gewünschte Wölbung, ein Fokuspunkt oder eine Fokuslinie des Spiegels wird erfindungsgemäß durch eine Druckänderung verbunden mit einer Temperaturänderung herbeigeführt, wobei die Druckänderung durch eine

Temperaturänderung des Flüssigkeits-Dampf-Gemisches erzeugt wird. Die

Temperaturänderung wird dabei über das Temperiermittel erzeugt, das an die

Druckkammer thermisch angekoppelt ist. Weitere vorteilhafte Merkmale und Vorteile der Erfindung sind auch in der detaillierten Beschreibung und in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Eine bevorzugte Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung ist in

nachfolgenden Zeichnungen und in einer detaillierten Beschreibung dargestellt, soll aber die vorliegende Erfindung nicht darauf begrenzen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht als Schnittbild gemäß einer ersten Ausführungsform der Spiegelvorrichtung mit einem verformbaren Spiegel und einer Druckkammer;

Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht als Schnittbild gemäß einer zweiten Ausführungsform der Spiegelvorrichtung mit einem verformbaren Spiegel und einer Druckkammer;

Fig. 3 zeigt eine Seitenansicht als Schnittbild gemäß einer dritten Ausführungsform der Spiegelvorrichtung mit dem verformbaren Spiegel und einer Druckkammer;

Fig. 4 zeigt eine Seitenansicht als Schnittbild gemäß einer vierten Ausführungsform der Spiegelvorrichtung mit dem verformbaren Spiegel und einer Druckkammer;

Fig. 5 zeigt eine Seitenansicht als Schnittbild gemäß einer fünften Ausführungsform der Spiegelvorrichtung mit dem verformbaren Spiegel und einer Druckkammer.

Detaillierte Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform

Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht als Schnittbild gemäß einer ersten bevorzugten

Ausführungsform der Spiegelvorrichtung. Dabei ist ein Spiegel 1 über dessen

Randbereich mit einem ersten Gehäuseteil 10 verbunden, um den Spiegel 1 dadurch in beispielsweise einer Laservorrichtung zu halten und entsprechend einer gewünschten Reflexionsrichtung auszurichten. In der dargestellten Ausführungsform ist der Spiegel 1 als rund Scheibe ausgebildet und wird über ein zylindrisches Druckkammerteil 4 und über ein weiteres Druckkammerteil 4b gehalten und mit dem ersten Gehäuseteil 10, das das weitere Druckkammergehäuseteil 4b zylindrisch umgibt, verbunden. Der Spiegel 1 ist dabei bevorzugt flach und scheibenartig ausgebildet, mit dem

Randbereich, an dem der Spiegel 1 gehalten wird, und einem Innenbereich, der entsprechend innerhalb des Randbereichs liegt. Dabei weist der Spiegel 1 eine

Vorderseite 1 b auf, auf die Licht einstrahlt und entsprechend reflektiert wieder austritt, und eine Rückseite, die der Vorderseite gegenüberliegt. Der Spiegel 1 ist zudem durch einen Druck oder einen Dampfdruck von der Vorderseite und/oder von der Rückseite verformbar ausgebildet und wölbt sich dementsprechend in die eine oder andere

Richtung. Der Begriff Druck, sei an dieser Stelle angemerkt, ist gleichbedeutend mit Dampfdruck. Der Spiegel 1 ist dabei bevorzugt als eine kreisrunde, ovale, elliptische oder aber auch als eine rechteckige Scheibe ausgeführt. Der Innenbereich des Spiegels 1 ist für das Licht bevorzugt hochreflektierend mit einem Reflexionsgrad von größer als 0,99 oder noch bevorzugter größer als 0,999 ausgebildet. Der Spiegel ist auch bevorzugt auf die zu reflektierende Wellenlänge hin ausgebildet.

Erfindungsgemäß ist mit der Rückseite und des Spiegels 1 ein Druckkammerteil 4 verbunden, wobei das Druckkammerteil 4 auf einer Seite offen ist und an der offenen Seite durch die Rückseite des Spiegels 1 dicht verschlossen wird, um dadurch eine Druckkammer 3 zu bilden, deren Druck unmittelbar zumindest auf den Innenbereich der Rückseite des Spiegels 1 wirkt. Durch den Druck wird der elastische Spiegel

entsprechend durchgebogen oder gewölbt. Erfindungsgemäß ist in die Druckkammer 3 auch eine bestimmte Flüssigkeit mit einer bestimmten Temperatur-Dampfdruck-Kurve eingefüllt, um durch eine Temperatur einen bestimmten Dampfdruck zu erzeugen. Durch den bestimmten Dampfdruck wird der Spiegel 1 um ein bestimmtes Maß gewölbt. An der Rückseite des Spiegels 1 ist ein Speichermittel 2 angebracht, das so ausgebildet ist, die bestimmte Flüssigkeit aufnehmen und als Dampf leicht abgeben zu können. Die bestimmte Flüssigkeit ist Wesentlichen durch eine ihr eigene Temperatur- Dampfdruck-Kurve bestimmt und wird für die Anwendung mit einem gewünschten Druck- und Temperaturbereich entsprechend ausgewählt.

Das Speichermittel 2 ist ein poröses oder kapillaraktives Material oder eine chemische flüssigkeitsbindende Substanz. Durch das Speichermittel 2 wird das HeatPipe-Prinzip in der Druckkammer 3 ermöglicht. Ein kapillaraktives Material ist dabei beispielsweise ein Schwamm, ein Löschblatt, ein poröses Material, ein poröser Kunststoff oder eine poröse Keramik. Eine chemische flüssigkeitsbindende Substanz ist beispielsweise eine hygroskopische Substanz. Das Speichermittel 2 ist dabei bevorzugt schichtartig auf der Rückseite des Innenbereichs des Spiegels 1 ausgebildet. Bevorzugt ist das Speichermittel 2 auch auf der Innenseite des Druckkammerteils 4 aufgebracht oder angeordnet. Bevorzugt kann auch eine zusätzlich größere Kammer, die mit dem

Speichermittel 2 beschichtet und entsprechend temperiert ist, mit der Druckkammer 3 dicht verbunden sein. Bevorzugt dient das Speichermittel dazu, die bestimmte

Flüssigkeit auf der Rückseite des Innenbereichs des Spiegels zur Verdampfung vorzuhalten. Bevorzugt dient das Speichermittel dazu, die bestimmte Flüssigkeit auf der Innenseite der Druckkammer 3 zur Verdampfung vorzuhalten.

Indem die bestimmte Flüssigkeit zu einem Maß in die Druckkammer 3 eingefüllt wird, dass sich unter dem gewünschten Dampfdruck, der hier gleichbedeutend ist mit Druck, in dem Speichermittel 2 genügend Flüssigkeit befindet, um durch eine lokale Erhitzung entsprechend Flüssigkeit verdampfen und lokal abkühlen zu können, gilt in der

Druckkammer 3 das HeatPipe-Prinzip. Durch das Heat-Pipe-Prinzip herrschen ein gesättigter Dampfdruck in der Druckkammer 3 und dementsprechend ein

entsprechender Temperaturausgleich vor. Wird durch das Temperiermittel 5 an dem Druckkammerteil 4 die bestimmte Temperatur erzeugt, so verdampft die Flüssigkeit an der Innenseite des Druckkammerteils 4 entsprechend der Temperatur-Dampfdruck- Kurve bis zu dem bestimmten Dampfdruck, der der bestimmten Temperatur entspricht. Der Dampfdruck breitet sich instantan aus und erzeugt an den anderen Stellen in der Druckkammer 3 die gleiche bestimmte Temperatur. Zugleich wird durch den Dampfdruck die gewünschte Verformung oder Wölbung des Spiegels 1 erzeugt.

In der dargestellten bevorzugt ersten Ausführungsform ist der Randbereich des Spiegels direkt mit dem Druckkammerteil 4 und einem weiteren Druckkammerteil 4b verbunden. Dabei kann die Verbindung mit dem Spiegel 1 eine Klebeverbindung, eine

Schweißverbindung, eine Pressverbindung oder eine Verbindung mit einem

Dichtelement sein. Dabei sind das Druckkammerteil 4 und das weitere Druckkammerteil 4b mit dem ersten Gehäuseteil 10 verbunden, um den Spiegel 1 über das erste

Gehäuseteil 10 entsprechend auszurichten. Das Druckkammerteil 4, das zusammen mit der Rückseite des Innenbereichs des Spiegels 1 die Druckkammer 3 bildet, ist darin wannenartig und im Wesentlichen mit einem Durchmesser des Spiegels 1 ausgebildet, so dass bevorzugt auf den gesamten Innenbereich des Spiegels 1 der Dampfdruck wirkt. Bevorzugt ist das Druckkammerteil 4 in Form einer zylindrischen Wanne ausgebildet.

Auf der anderen Seite des Druckkammerteils 4, das dem Spiegel 1 gegenüberliegt, ist ein Temperiermittel 5 angeordnet und mit dem Druckkammerteil 4 thermisch verbunden, um das Druckkammerteil 4 und damit die Druckkammer 3 entsprechend aufzuheizen oder abzukühlen, je nach gewünschter Temperatur und nach gewünschtem Dampfdruck.

Um die Temperatur des Druckkammerteils 4 entsprechend gut steuern und regeln zu können, besteht das Druckkammerteil 4 oder zumindest ein Teil davon bevorzugt aus einem gut wärmeleitenden Material, wie beispielsweise Kupfer oder Silber. Dabei steht das Temperiermittel 5 für eine Wärme oder Kälte erzeugende Einheit. Solche

Temperiermittel 5 können beispielsweise sein: Ein Widerstand oder eine Heizung, ein Peltier-Element, ein Wärmetauscher in Verbindung mit einem Wärme-/Kühlsystem oder ein Flüssigkeitskreislauf mit mindestens einer warmen und einer kalten Flüssigkeit, die über einen Mischer entsprechend gemischt werden. Ein bevorzugtes Temperiermittel 5 ist auch eine Umwälzpumpe, die mindestens eine wärmeleitende Flüssigkeit zwischen einer ersten Seite als Eingangsseite und einer zweiten Seite als Ausgangsseite austauscht, um die gewünschte Temperatur an der ersten Seite des Temperiermittels 5 zu erzeugen. Das Peltier-Element ist als Temperiermittel 5 besonders bevorzugt, da sich damit schnelle Reaktionszeiten erzielen und je nach Polarität sowohl Wärme, als auch Kälte erzeugen lassen.

Bevorzugt umfasst die Spiegelvorrichtung zur Messung der Temperatur in der

Druckkammer 3 einen Temperatursensor 6, der über einen elektronischen Regler das Temperiermittel 5 entsprechend der gewünschten Temperatur ansteuert. Dabei kann dem elektronischen Regler anstelle der Temperatur auch ein Drucksignal zugeleitet werden, um das Temperiermittel 5 entsprechend anzusteuern. Der Temperatursensor 6 ist bevorzugt ein Widerstandselement, ein Thermoelement, ein Halbleitersensor oder ein kontaktloser IR Temperatursensor.

In Fig. 1 ist als dem bevorzugten Temperiermittel 5 lediglich eine Heizung vorgesehen. Im Falle, dass als dem Temperiermittel 5 ein Peltier-Element eingesetzt wird, das mit einer ersten Seite mit dem Druckkammerteil 4 verbunden ist, ist das zweite

geneüberliegende Ende des Peltier-Elements beispielsweise durch eine Flüssigkeit gekühlt oder durch einen Windstrom.

Die Druckkammer 3 ist dicht geschlossen. Bevorzugt weist die Druckkammer 3 jedoch mindestens einen dicht verschließbaren Zugang auf, durch den beispielsweise die bestimmte Flüssigkeit eingefüllt werden kann. Bevorzugt ist an die Druckkammer 3 auch ein Zylinder-Kolbensystem angeschlossen, um durch ein Verschieben des Kolbens, beispielsweise durch einen elektrisch steuerbaren Aktuator oder eine Stellschraube, eine Druckänderung zu erzeugen. Dabei kann die Druckänderung schnell und beispielsweise durch einen Druckregler erzeugt werden, falls dies erforderlich ist.

Fig. 2 zeigt eine andere bevorzugte Ausführungsform der Spiegelvorrichtung. Darin ist der Spiegel 1 auf eine andere Art gehalten, indem das erste Gehäuseteil 10 eine zylindrische Bohrung mit einem ersten Durchmesser aufweist, der am Ende sich sprungartig verkleinert, um einen nach innen überstehenden Rand zu bilden. Der Spiegel 1 ist dabei in die Bohrung bis zum Rand eingelegt und wird am Randbereich des

Spiegels 1 gehalten, wobei die Vorderseite 1 b nach außen gerichtet ist. Von der

Rückseite wird der Spiegel 1 durch das Druckkammergehäuseteil 4 gehalten, das zylindrisch deckeiförmig ausgebildet ist und dessen Rand mit der Rückseite des

Randbereichs des Spiegels 1 durch eine Verbindung verbunden ist. Dabei ist die

Verbindung bevorzugt eine Klebe- oder Schweißverbindung, kann aber ebenso eine Pressverbindung sein. Wesentlich ist dabei, dass das Druckkammerteil 4 eine dichte Verbindung mit der Rückseite des Spiegels 1 bildet, um dadurch die Druckkammer 3 zu bilden. In der Druckkammer 3 befindet sich bevorzugt die bestimmte Flüssigkeit, um durch eine bestimmte Temperatur gemäß der Temperatur-Dampfdruck-Kurve den Dampfdruck in der Druckkammer 3 zu erzeugen, der auf die Rückseite des Spiegels 1 wirkt.

Das äußere Bodenteil des Druckkammerteils 4, der dem Spiegel 1 gegenüberliegt, ist mit einer Eingangsseite des Temperiermittels 5 thermisch verbunden. Eine thermische Verbindung ist eine wärmeleitende Verbindung, die über einen direkten Kontakt oder über ein Wärmeleitmittel, wie beispielsweise eine Wärmeleitpaste hergestellt wird. Die Ausgangsseite des Temperiermittels 5 ist dabei bevorzugt mit einem zweiten

Gehäuseteil 14 thermisch verbunden, um Wärme ab- oder zuführen zu können. Das Peltier-Element als das Temperiermittel 5 transportiert dabei stromgesteuert Wärme zum Druckkammerteil 4 oder vom Druckkammerteil 4 weg zum zweiten Gehäuseteil 14, das bevorzugt gekühlt oder beheizt ist. Bevorzugt weist das zweite Gehäuseteil 14 dabei Kühlkanäle auf, durch die eine Kühlflüssigkeit oder eine Heizflüssigkeit zur

Wärmeabführung oder -Zuführung geleitet werden kann.

Im bevorzugten Ausführungsbeispiel sind das erste 10 und das zweite Gehäuseteil 14 mit einander über Verbindungselemente 15 verbunden, die beispielsweise Schrauben sind. Dabei wird das Temperiermittel 5 über das zweite Gehäuseteil 14 gegen das Druckkammerteil 4 gepresst, um die thermische Verbindung zur Ausgangsseite des Temperiermittels 5 zu erzeugen. Eine elastisch andrückende Verbindung ist dabei auch vorstellbar, wenn die thermische Verbindung beispielsweise durch das Wärmeleitmittel hergestellt wird.

Fig. 3 zeigt eine der Fig. 2 ähnliche Ausführung der Spiegelvorrichtung. Dabei ist der Spiegel 1 mit dem Druckkammerteil 4 nicht direkt, wie in der Ausführung gemäß Fig. 2 dargestellt, sondern über einen Dichtmittel 11 dicht verbunden. Als Dichtmittel 1 1 ist beispielsweise ein O-Ring dargestellt. Bevorzugt wird auch das Druckkammerteil 4 von dessen Bodenseite aus gegen den Randbereich des Spiegels 1 nicht über das

Temperiermittel 5, wie in der Ausführung gemäß Fig. 2 gezeigt, vorgenommen, sondern über ein zylindrisches oder an den Bodenteil angepasstes Halteelement 12. Dabei wird das Halteelement 12 mit dem ersten Gehäuseteil 10 bevorzugt über das zweite

Gehäuseteil 14 verbunden. Ferner ist ein zusätzliches Speichermittel 2b, das die gleichen oder ähnliche Eigenschaften hat wie das Speichermittel 2, in der Druckkammer 3 angeordnet. Das zusätzliche Speichermittel ist dazu ausgebildet, zusätzlich mehr der bestimmten Flüssigkeit aufzunehmen und als Dampf abgeben zu können. Fig. 4 zeigt eine der Fig. 3 ähnliche Ausführung der Spiegelvorrichtung , die im

Unterschied zu Fig. 3 ein Wärmeleitmittel 17 zwischen dem Temperiermittel 5 und dem zweiten Gehäuseteil 14 aufweist. Das Wärmeleitmittel 17 ist bevorzugt elastisch ausgebildet, um wärmebedingte, unterschiedliche Ausdehnungen zwischen dem Temperiermittel 5 und der anderen umliegenden Komponenten auszugleichen.

Bevorzugt kann solch ein Wärmeleitmittel 17 auch zwischen dem Temperiermittel 5 und dem Druckkammerteil 4 angeordnet werden .

Fig. 5 zeigt eine der Fig. 3 und 4 ähnliche Ausführung der Spiegelvorrichtung, wobei die Haltemittel 12 zylinderförmig mit einem konischen Querschnitt ausgebildet sind, um eine möglichst geringe, ringartige Kontaktfläche zu dem Druckkammerteil 4 aufzuweisen, um dadurch eine mechanisch haltende Verbindung und eine thermisch möglichst gut isolierende Verbindung zu erzeugen. Zudem ist zwischen dem ersten Gehäuseteil 10 und dem Druckkammerteil 4 eine Thermoisolationsschicht 18 angeordnet, um entsprechend thermisch zu isolieren. Bevorzugt weist ein Rand einer Öffnung im ersten Gehäuseteil 10, an der der Spiegel 1 anliegt, eine abgerundete Kante auf. Bevorzugt wird der Spiegel 1 für lange Laser Wellenlängen im IR Bereich aus Metall, wie beispielsweise aus Kupfer angefertigt und weist der Spiegel 1 eine hochpolierte glatte Oberfläche auf. Im sichtbaren und kurzwelligeren UV Laser Wellenlängenbereich wird als Spiegel 1 ein Glas als Grundmaterial gewählt. Bevorzugt wird dabei ein chemisch vorgespanntes Aluminiumsilicatglas verwendet, das besonders gute elastische und bruchfeste Eigenschaften und dementsprechend eine hohe Bruchfestigkeit aufweist. Andere Materialien für die Herstellung des Spiegels 1 sind auch denkbar, wie

beispielsweise Keramik oder Keramik-Metallverbindungen. Zudem ist es denkbar, den Spiegel 1 aus mehreren parallelen Verbundschichten aufzubauen, die jeweils entweder aus Glas, Keramik, Metall, Kunststoff, chemisch vorgespannten Aluminiumsilicatglas oder Teilen davon bestehen.

Bevorzugt ist auch ein Spiegel 1 , der einen zur Vorderseite und/oder zur Rückseite hin konkaven, konvexen oder andersgearteten Querschnitt aufweist. Dadurch können durch die Verformung in der Spiegelvorrichtung beispielsweise asphärische Linsen erzeugt werden.

Denkbar sind auch ein oder mehrere Aktuatoren, die in der Spiegelvorrichtung entlang einem äußeren Bereich angeordnet sind, um entsprechend ein oder mehrere Kräfte im äußeren Bereich des Innenbereichs des Spiegels 1 einleiten zu können, um dadurch die Verformung des Spiegels 1 gezielt und beispielsweise astigmatisch zu verändern.

Bevorzugt ist mit der Druckkammer 3 auch ein Drucksensor verbunden, um dadurch den Druck in der Druckkammer 3 zu bestimmen. Bevorzugt ist auch ein weiterer Drucksensor zur Messung des Drucks auf der Vorderseite des Spiegelsl angeordnet. Durch den Drucksensor und/oder den weiteren Drucksensor in Verbindung mit einem

elektronischen Regler kann die entsprechende Regelung des Temperiermittels 5 zur Verformung des Spiegels bevorzugt besser vorgenommen werden.

Bevorzugt ist der Spiegel 1 in dem ersten Gehäuseteil 10 in einer darin ausgebildeten zylindrische Bohrung, die am Ende der Bohrung einen nach innen stehenden Rand aufweist, angeordnet, wobei die Vorderseite 1 b des Spiegels 1 in Richtung des Endes der Bohrung und nach außen zeigt, wobei der Spiegel 1 durch dessen Rückseite durch das Druckkammerteil 4 an den nach innen stehenden Rand der Bohrung gepresst und somit gehalten wird. Bevorzugt ist dabei zwischen dem Randbereich der Rückseite des Spiegels 1 und dem Druckkammerteil 4 ein Dichtmittel 1 1 angeordnet.

Bevorzugt ist die Spiegelvorrichtung so ausgebildet, dass das Druckkammerteil 4 zum Rest der mechanischen Vorrichtung möglichst gut wärmeisoliert ist.

Bevorzugt ist das erste Gehäuseteil 10 in Richtung einer Streustrahlung des Laser-Lichts an dessen Oberfläche reflektierend beschichtet und/oder gekühlt. Eine bevorzugte Spiegelvorrichtung weist auf der Rückseite des Spiegels 1 oder als Spiegelrückseite zumindest teilweise ein piezokeramisches Material auf, durch das über eine am piezokeramischen Material angelegte Spannung eine zusätzliche Verformung des Spiegels (1 ) erzeugbar ist.

Zur Klarheit soll noch angemerkt werden, dass unter der Verformung des Spiegels 1 eine druckbedingte Wölbung des Spiegels 1 oder der Spiegeloberfläche zu verstehen ist, um dadurch einen linsenartigen Spiegel 1 mit einer konkaven, konvexen oder planen Oberfläche zu erzeugen.

Insbesondere können auch die verschiedenen Merkmale der oben beschriebenen Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, soweit sie sich nicht technisch ausschließen.

Bezuqszeichenliste

1 Spiegel

1 b Vorderseite

Rückseite

Randbereich

2 Speichermittel

2b zusätzliches Speichermittel

3 Druckkammer

4 Druckkammerteil

4b weiteren Druckkammerteil

5 Temperiermittel

6 Sensor

10 erstes Gehäuseteil

1 1 Dichtmittel

12 Haltemittel

14 zweites Gehäuseteil

15 Verbindungselement

16 Kühlkanal

17 Wärmeleitmittel

18 Thermoisolationsschicht

Claims

Patentansprüche

1 . Spiegelvorrichtung mit einem verformbaren Spiegel (1 ), dessen Verformung steuerbar ist, umfassend

- ein Spiegel (1 ) mit einer Vorderseite (1 b) in Richtung Lichteinfall und

reflektiertem Licht, einer Rückseite, einem umlaufenden Randbereich und einem

Innenbereich innerhalb des Randbereichs, wobei der Spiegel (1 ) ausgebildet ist, im Innenbereich durch einen Dampfdruck verformbar zu sein;

- ein erstes Gehäuseteil (10), das mit dem Randbereich des Spiegels (1 ) verbunden ist und den Spiegel (1 ) in einer bestimmten Lage hält;

- ein Druckkammerteil (4), das ausgebildet ist, mit einem ersten Ende mit dem

Randbereich des Spiegels (1 ) eine dichte Verbindung zu bilden und mit dem

Innenbereich der Rückseite des Spiegels (1 ) einen Hohlraum als eine Druckkammer (3) zu bilden;

gekennzeichnet, durch

- ein steuerbares Temperiermittel (5), das mit einer ersten Seite wärmeleitend mit dem Druckkammerteil (4) verbunden ist, um das Druckkammerteil (4) auf eine bestimmte Temperatur zu bringen;

- ein Speichermittel (2), das in der Druckkammer (3) mit dem Innenbereich der Rückseite des Spiegels (1 ) mechanisch und thermisch verbunden ist und als ein poröses oder kapillaraktives Material oder eine chemische, flüssigkeitsbindende

Substanz ausgebildet ist, um eine bestimmte Flüssigkeit aufnehmen und als Dampf entsprechend einer Temperatur-Dampfdruck-Kurve der bestimmten Flüssigkeit abgeben zu können;

- wobei die Druckkammer (3) durch die dichte Verbindung des Druckkammerteils (4) mit der Rückseite des Spiegels (1 ) ausgebildet ist, die bestimmte Flüssigkeit aufnehmen zu können, in einem Betriebszustand dicht geschlossen zu sein und dabei durch das Temperiermittel (5) einen Dampfdruck zu erzeugen, der durch die

Temperatur-Dampfdruck-Kurve der bestimmten Flüssigkeit bestimmt ist und auf die Rückseite des Spiegels (1 ) wirkt.

2. Spiegelvorrichtung gemäß Anspruch 1 , wobei das Speichermittel (2) zumindest teilweise an einer Innenseite des Druckkammerteils (4) mechanisch und thermisch mit dem Druckkammerteil (4) verbunden angeordnet ist.

3. Spiegelvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Speichermittel (2) ein Schwamm, ein Löschblatt, ein poröser Kunststoff, eine poröse Keramik, eine hygroskopische Substanz oder ein anderes Material ist; und/oder

wobei das Speichermittel (2) schichtartig auf der Rückseite des Spiegels (1 ) oder auf dem Druckkammerteil (4) ausgebildet; und/oder

wobei die Druckkammer (3) oder das Speichermittel (2) nur soweit mit der

Flüssigkeit gefüllt ist, dass das HeatPipe-Prizip in der Druckkammer wirkt.

4. Spiegelvorrichtung gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, ein zusätzliches Speichermittel (2b) umfassend, das in der Druckkammer (3) angeordnet ist und ausgebildet ist, die bestimmte Flüssigkeit in der Flüssigphase zusätzlich zu speichern und als Dampf wieder abgeben zu können.

5. Spiegelvorrichtung gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, wobei das Druckkammerteil (4) ausgebildet ist, mit dem Randbereich des Spiegels (1 ) die dichte Verbindung entweder direkt durch eine Klebeschicht, eine Schweißnaht, oder ein Anpressen zu erzeugen oder die dichte Verbindung über weitere Komponenten, wie beispielsweise ein Dichtmittel 1 1 , eine Klebedichtung und/oder über mindestens ein anderes Gehäuseteil herzustellen.

6. Spiegelvorrichtung gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, wobei das Temperiermittel (5) eine zweite Seite aufweist und zwischen der ersten und der zweiten Seite als eine Wärmepumpe fungiert, wobei Wärme von der ersten Seite zur zweiten Seite oder von der zweiten Seite zur ersten Seite transportiert werden kann, wobei das Temperiermittel (5) ein Peltier-Element oder ein anderes Temperiermittel (5) ist.

7. Spiegelvorrichtung gemäß Anspruch 6, wobei das Temperiermittel (5) eine

Umwälzpumpe ist, die mindestens eine wärmeleitende Flüssigkeit zwischen der ersten Seite und der zweiten Seite austauscht, um die gewünschte Temperatur an der ersten Seite des Temperiermittels (5) zu erzeugen.

8. Spiegelvorrichtung gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, wobei der Spiegel (1 ) ein Metallspiegel, ein Glasspiegel, ein Keramikspiegel oder ein Glasspiegel mit einem chemisch vorgespannten Aluminiumsilicatglas ist; oder

wobei der Spiegel (1 ) aus Verbundschichten aufgebaut ist, die entweder jeweils aus Glas, Keramik, Metall, Kunststoff, chemisch vorgespanntem Aluminiumsilicatglas oder Teilen davon bestehen.

9. Spiegelvorrichtung gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, wobei der Spiegel (1 ) eine im Verhältnis zu seinem Durchmesser dünne Scheibe ist und entweder eine rundliche und insbesondere eine kreisrunde, eine ovale oder eine elliptisch Form oder eine rechteckige Form aufweist; und/oder

wobei der Spiegel (1 ) zur Vorderseite und/oder zur Rückseite hin einen konkaven oder konvexen Querschnitt aufweist, um bei dem bestimmten Dampfdruck eine entsprechende asphärische Verformung des Spiegels (1 ) zu erzeugen.

10. Spiegelvorrichtung gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, zudem mindestens einen Aktuator umfassend, der in der Spiegelvorrichtung so angeordnet ist, um mindestens eine Kraft am Rand des Innenbereichs des Spiegels (1 ) einzuleiten, um dadurch die Verformung des Spiegels (1 ) gezielt zu verändern.

1 1 . Spiegelvorrichtung gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, wobei die Rückseite des Spiegels zumindest teilweise aus einem piezokeramischen Material besteht, durch das über eine am piezokeramischen Material angelegte

Spannung eine zusätzliche Verformung des Spiegels (1 ) erzeugbar ist.

12. Spiegelvorrichtung gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, zudem umfassend mindestens einen Sensor (6), wobei der mindestens eine Sensor (6) ein Temperatursensor zur Messung der Temperatur des Druckkammerteils (4) oder in der Druckkammer (3) ist und/oder ein Drucksensor zur Messung des Dampfdrucks in der Druckkammer (3) ist, und/oder ein Drucksensor zu Messung des Drucks auf der

Vorderseite des Spiegels(1 ) ist.

13. Verfahren zur gesteuerten Verformung eines verformbaren Spiegels (1 ) in einer Spiegelvorrichtung gemäß einem oder mehrerer der vorstehenden Ansprüche 1 -1 1 zur Verstellung mindestens eines Fokuspunktes, umfassend:

- Verbinden des Spiegels (1 ) entlang seines Randbereichs mit einem ersten

Gehäuseteil (10), um den Spiegel (1 ) dadurch insgesamt auszurichten ;

- dichtes Verbinden eines Druckkammerteils (4) mit einem Randbereich und Innenbereich des Spiegels (1 ), wobei das Druckkammerteil (4) so ausgebildet und mit dem Randbereich des Spiegels (1 ) verbunden wird, dass dazwischen ein Hohlraum als eine Druckkammer (3) gebildet wird, um durch einen Druck oder Dampfdruck in der Druckkammer (3) den Spiegel (1 ) entsprechend zu verformen oder zu wölben;

gekennzeichnet durch:

- Anbringen und thermisch Verbinden eines Speichermittels (2) im Innenbereich an der Rückseite des Spiegels (1 ),

wobei das Speichermittel (2) als ein poröses oder kapillaraktives Material oder eine chemische, flüssigkeitsbindende Substanz ausgebildet ist, um eine bestimmte

Flüssigkeit aufnehmen und als Dampf entsprechend einer bestimmten Temperatur- Dampfdruck-Kurve der bestimmten Flüssigkeit abgeben zu können;

- Einbringen der bestimmten Flüssigkeit mit der Temperatur-Dampfdruck-Kurve in die Druckkammer (3) und danach dichtes Verschließen der Druckkammer (3);

- Erwärmen oder Abkühlen der Druckkammer (3) über das Druckkammerteil (4) und ein entsprechend damit verbundenes Temperiermittel (5) auf eine bestimmte Temperatur, um durch die bestimmte Temperatur gemäß der Temperatur-Dampfdruck- Kurve den bestimmten Dampfdruck zu erzeugen, und damit an der Rückseite des Spiegels (1 ) die Temperatur über den bestimmten Dampfdruck entsprechend der Temperatur-Dampfdruck-Kurve und dem HeatPipe-Prinzip ebenfalls auf die bestimmte Temperatur einzustellen.

14. Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei als das Temperiermittel (5) ein Peltier-

Element verwendet wird und ein anderes Ende des Peltier-Elements, das mit dem einen Ende, das mit dem Druckkammerteil (4) verbunden ist, in wärmetauschender Verbindung steht, aufweist, wobei das andere Ende mit einem anderen Gehäuseteil, das eine andere Temperatur aufweist, in thermischer Verbindung steht; und/oder

wobei an den Innenseiten des Druckkammerteil (4) ebenso eine Speichermittel (2) angebracht wird; und/oder

wobei die bestimmte Flüssigkeit entsprechend dem gewünschten Dampfdruck und der Temperatur-Dampfdruck-Kurve der bestimmten Flüssigkeit ausgewählt wird.

15. Verfahren gemäß Anspruch 13 oder 14, wobei die Druckkammer (3) oder das Speichermittel (2) nur soweit mit der Flüssigkeit gefüllt wird, dass das HeatPipe-Prizip in der Druckkammer (3) wirkt.