DE102006041406B4 - Device for beam guidance of an electromagnetic beam, in particular a laser beam - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung zur Strahlführung eines elektromagnetischen Strahles (12), insbesondere eines Laserstrahles, mit zumindest einem optischen Element (14), das einem Grundkörper (16) zugeordnet ist, der eine Strahlführungsöffnung (21) zum optischen Element (14) aufweist, mit einem an dem Grundkörper (16) angeordneten Gehäuseabschnitt (31), der das optische Element (14) aufnimmt und mit einer Taumelscheibe (24), welche das optische Element (14) in eine Gebrauchslage positioniert, dadurch gekennzeichnet, dass die Taumelscheibe (24) aus einem für die Wellenlänge des zu führenden elektromagnetischen Strahles (12) transparenten Material ausgebildet ist.Device for beam guidance of an electromagnetic beam (12), in particular a laser beam, with at least one optical element (14) associated with a base body (16) having a beam guiding opening (21) to the optical element (14), with one on the Base body (16) arranged housing portion (31) which receives the optical element (14) and with a swash plate (24), which positions the optical element (14) in a position of use, characterized in that the swash plate (24) consists of a for the wavelength of the electromagnetic beam to be guided (12) transparent material is formed.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Strahlführung eines elektromagnetischen Strahles, insbesondere eines Laserstrahls, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a device for beam guidance of an electromagnetic beam, in particular a laser beam, according to the preamble of claim 1.
Aus der
Aus der
Es sind des Weiteren bereits Vorrichtungen zur Strahlführung eines elektromagnetischen Strahles, insbesondere Laserstrahles für Hochleistungslasersysteme, bekannt geworden, welche einen Grundkörper umfassen, der einen Strahlführungsabschnitt zu einem optischen Element, insbesondere einem Spiegel, aufweist. An dem Grundkörper ist ein Gehäuseabschnitt angeordnet, der zumindest eine Halterung für das darin anordenbare optische Element aufweist. Über eine dem Grundkörper zugeordnete Taumelscheibe wird das in der Halterung angeordnete optische Element in eine positionsgenaue, insbesondere winkelstabile, Gebrauchslage eingestellt und fixiert. Solche Vorrichtungen werden insbesondere bei dioden- oder lampengepumpten Lasersystemen eingesetzt und dienen als Resonatorspiegelhalterungen.Furthermore, devices for beam guidance of an electromagnetic beam, in particular a laser beam for high-power laser systems, have already become known which comprise a base body which has a beam guidance section to form an optical element, in particular a mirror. On the base body, a housing section is arranged, which has at least one holder for the optical element which can be arranged therein. Via a swash plate associated with the main body, the optical element arranged in the holder is set and fixed in a positionally accurate, in particular angularly stable, position of use. Such devices are used in particular in diode-pumped or lamp-pumped laser systems and serve as resonator mirror holders.
Steigende resonatorinterne Leistungen, wie sie beispielsweise beim Scheibenlaser üblich sind, sowie hohe Strahlqualitäten erhöhen die Anforderungen an die optischen Systeme beziehungsweise Vorrichtungen zur Strahlführung des elektromagnetischen Strahles. Durch Streuung sowie Absorption der elektromagnetischen Strahlung an optischen Flächen und an Bauteilen kann es zur Erwärmung des oder der optischen Elemente sowie der daran angrenzenden Bauteile kommen. Ein exaktes Arbeiten eines Hochleistungslasersystems erfordert jedoch, dass die reflektierenden oder zumindest teiltransmittierenden Flächen der optischen Elemente präzise und konstant gegenüber den anderen Elementen des Hochleistungslasersystems ausgerichtet sein müssen. Die durch die absorbierte Laser- beziehungsweise Streustrahlung erzeugte Wärme und die daraus resultierende thermische Ausdehnung, insbesondere in Kombination mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten benachbarter Komponenten, kann zu einer Verspannung und einem Verzug und somit zu einer Veränderung der Lage und Position des optischen Elementes führen. Dadurch können Ablenkungen des elektromagnetischen Strahles verursacht werden, die eine Nachanpassung aller Komponenten des optischen Systems oder entsprechende Kompensationstechniken erfordern. Darüber hinaus steigt bei höheren Anforderungen an die Strahlqualitäten die Anforderung an die Positioniergenauigkeit des optischen Elements.Increasing resonator-internal powers, as are common, for example, in the disk laser, as well as high beam qualities increase the demands on the optical systems or devices for beam guidance of the electromagnetic beam. Scattering and absorption of the electromagnetic radiation on optical surfaces and on components may cause heating of the optical element (s) and of the components adjacent thereto. Precise operation of a high power laser system, however, requires that the reflective or at least partially transmissive surfaces of the optical elements must be precisely and constantly aligned with the other elements of the high power laser system. The heat generated by the absorbed laser or scattered radiation and the resulting thermal expansion, in particular in combination with different thermal expansion coefficients of adjacent components, can lead to a distortion and a distortion and thus to a change in the position and position of the optical element. This may cause deflections of the electromagnetic beam which require readjustment of all components of the optical system or corresponding compensation techniques. In addition, with higher demands on the beam qualities, the requirement for the positioning accuracy of the optical element increases.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Strahlführung eines elektromagnetischen Strahles, insbesondere eines Laserstrahles, zu schaffen, der bei hohen Leistungen des elektromagnetischen Strahles eine hohe Strahlführungsqualität ermöglicht.The invention is therefore based on the object to provide a device for beam guidance of an electromagnetic beam, in particular a laser beam, which enables high beam performance at high powers of the electromagnetic beam.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst. Aufgrund der Ausgestaltung einer Taumelscheibe aus einem Material, welches für die Wellenlänge des zu führenden elektromagnetischen Strahles transparent ist, wird ermöglicht, dass bei einer auftretenden Streuung eine Erwärmung weitestgehend verhindert ist. Dadurch wird das optische Element in einer voreingestellten Position gehalten, ohne dass eine Dejustierung erfolgt oder Verspannungen zu einer Änderung der Lage und/oder einer Beeinflussung an einer Hauptfunktionsfläche des optischen Elementes führen. Dadurch kann die Strahlführungsqualität, insbesondere bei hohen Leistungen, wesentlich erhöht werden. Darüber hinaus wird selbst bei einer Streuung eine durch Absorption entstehende Erwärmung des optischen Elementes und der Taumelscheibe verhindert. Auf eine Wasserkühlung der Taumelscheibe kann verzichtet werden. Dadurch ist konstruktiv eine bauteilereduzierte Anordnung ermöglicht. Durch das verringerte Gewicht ist die Anordnung unempfindlich gegen äußere Schwingungen. Aufgrund des geringen Gewichtes der Anordnung sind auch geringere Anpresskräfte erforderlich, um die Komponenten zu fixieren. Dadurch kann eine sichere Aufnahme des optischen Elementes trotz dessen geringen Elastizitätsmoduls ermöglicht und Deformationen verringert werden.This object is achieved by the features of the main claim. Due to the configuration of a swash plate made of a material which is transparent to the wavelength of the electromagnetic beam to be guided, it is made possible that, when scattering occurs, heating is largely prevented. As a result, the optical element is held in a preset position, without any maladjustment or leads to a change in the position and / or an influence on a main functional surface of the optical element. As a result, the beam guidance quality, in particular at high powers, can be substantially increased. Moreover, even in the case of scattering, heating of the optical element and the swash plate due to absorption is prevented. On a water cooling of the swash plate can be dispensed with. As a result, a component-reduced arrangement is structurally possible. Due to the reduced weight, the arrangement is insensitive to external vibrations. Due to the low weight of the arrangement and lower contact forces are required to fix the components. This allows a secure recording of the optical element despite its low modulus of elasticity and deformation can be reduced.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Taumelscheibe aus einem Quarzglas, Glaskeramiken, Saphiren oder Kristallen, wie beispielsweise YAG, hergestellt ist. Diese Materialien weisen einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, wodurch eine einmal eingestellte Gebrauchslage der Taumelscheibe über einen relativ großen Temperaturbereich aufrechterhalten bleibt.According to a preferred embodiment of the invention it is provided that the swash plate is made of a quartz glass, glass ceramics, sapphires or crystals, such as YAG. These materials have a low coefficient of thermal expansion, whereby a once adjusted position of use of the swash plate is maintained over a relatively wide temperature range.
Die Taumelscheibe weist bevorzugt an einer zum optischen Element weisenden Seite Anlageelemente auf, an denen das optische Element mit seiner Hauptfunktionsfläche zumindest partiell anliegt. Dadurch kann eine sichere und verkippungsfreie Anlage sowie eine exakte Einstellung der Lage des optischen Elementes an und durch die Taumelscheibe unabhängig von Toleranzen der beiden Bauteile vorgesehen sein.The swash plate preferably has on a side facing the optical element side contact elements on which the optical element with its main functional surface at least partially applied. As a result, a secure and tilt-free system and an exact adjustment of the position of the optical element can be provided to and through the swash plate regardless of tolerances of the two components.
Die Taumelscheibe weist bevorzugt eine Strahldurchtrittsöffnung auf, die kleiner als das optische Element ausgebildet ist. An die Strahldurchtrittsöffnung der Taumelscheibe angrenzend sind die Auflageelemente vorgesehen, an denen das optische Element mit seiner Hauptfunktionsfläche partiell an der Taumelscheibe anliegt. Diese Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass sowohl plan, konkav als auch konvex ausgebildete Hauptfunktionsflächen des optischen Elementes zur sicheren Anlage an die Taumelscheibe gebracht werden und eine exakte Einstellung der Gebrauchslage des optischen Elements ermöglicht ist.The swash plate preferably has a beam passage opening which is smaller than the optical element. Adjacent to the beam passage opening of the swash plate, the support elements are provided, on which the optical element partially rests with its main functional surface on the swash plate. This embodiment has the advantage that both plan, concave and convex main functional surfaces of the optical element are brought to secure contact with the swash plate and an exact adjustment of the position of use of the optical element is possible.
Die Anlageelemente der Taumelscheibe sind bevorzugt als Segmente eines Torusringes oder als Kugelflächen ausgebildet, wobei bevorzugt drei Auflageelemente über den Umfang verteilt vorgesehen sind. Durch diese Anordnung kann eine geometrisch bestimmte Auflage zum optischen Element gegeben sein, um das optische Element exakt zu positionieren.The contact elements of the swash plate are preferably formed as segments of a torus ring or as spherical surfaces, wherein preferably three support elements are provided distributed over the circumference. By this arrangement, a geometrically determined support can be given to the optical element in order to position the optical element exactly.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Taumelscheibe ist vorgesehen, dass an einer den Anlageelementen gegenüberliegenden Seite der Taumelscheibe zumindest eine Justierfläche, vorzugsweise drei um jeweils 90° versetzt zueinander angeordnete Justierflächen, ausgebildet ist, welche vorzugsweise als rinnen- oder V-förmige Vertiefung hergestellt und radial zur Längsachse der Strahldurchtrittsöffnung ausgerichtet ist. Dadurch kann die Taumelscheibe in wenigstens zwei Raumwinkeln und in wenigstens einer Raumachse veränderbar eingestellt werden, wobei deren Einstellung wiederum auf das optische Element übertragen wird.According to a further advantageous embodiment of the swash plate is provided that on a side opposite the contact elements of the swash plate at least one adjustment surface, preferably three offset by 90 ° to each other Justierflächen, is formed, which is preferably produced as a groove or V-shaped recess and radially is aligned with the longitudinal axis of the beam passage opening. As a result, the swash plate can be variably adjusted in at least two solid angles and in at least one spatial axis, wherein their adjustment is in turn transmitted to the optical element.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Grundkörper eine Aufnahme aufweist, in welche die Taumelscheibe einsetzbar ist, wobei Justierflächen an der Taumelscheibe zu einer Grundfläche der Aufnahme positioniert sind und an Justierelementen im Grundkörper anliegen, welche der Grundfläche zugeordnet sind. Durch diese Anordnung ist eine kompakte Bauweise zur Aufnahme der Taumelscheibe gegeben. Gleichzeitig ist durch die Zuordnung der Justierelemente zur Grundfläche eine einfache Einstellung ermöglicht.According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the base body has a receptacle into which the swash plate can be inserted, adjusting surfaces are positioned on the swash plate to a base surface of the receptacle and rest on adjusting elements in the base body, which are associated with the base. By this arrangement, a compact design for receiving the swash plate is given. At the same time a simple adjustment is made possible by the assignment of the adjusting elements to the base.
Die der Grundfläche in der Aufnahme am Grundkörper zugeordneten Justierelemente sind bevorzugt axial zur Grundfläche verstellbar, wodurch die Taumelscheibe in ihrer Lage reaktiv zum Grundkörper einstellbar ist. Bevorzugt ist eine Justierschraube oder eine Spindel vorgesehen, wobei deren Steigung an die Einstellgenauigkeit anpassbar ist. Die Justierelemente weisen bevorzugt zur Justierfläche der Taumelscheibe weisend komplementäre Einstellelemente auf, die an den Justierflächen der Taumelscheibe angreifen. Dadurch ist eine exakte und definierte Anlage jedes Justierelementes an der Justierfläche der Taumelscheibe gegeben, wodurch eine präzise Einstellung und Aufrechterhaltung der Einstellung ermöglicht ist. Bevorzugt sind die Einstellelemente als kugelförmige Druckelemente ausgebildet.The adjusting elements associated with the base in the receptacle on the base body are preferably adjustable axially relative to the base surface, as a result of which the swashplate can be adjusted in its position to be reactive with the base body. Preferably, an adjusting screw or a spindle is provided, wherein the slope of which is adaptable to the setting accuracy. The adjusting elements preferably have complementary adjusting elements facing the adjusting surface of the swash plate, which adjoin the adjusting surfaces of the swash plate. As a result, an exact and defined contact of each adjusting element is given to the adjustment of the swash plate, whereby a precise adjustment and maintenance of the adjustment is possible. Preferably, the adjustment elements are designed as spherical pressure elements.
Die Halterung zur Anordnung des optischen Elementes ist von einem Gehäuseabschnitt aufgenommen, der bevorzugt lösbar an dem Grundkörper befestigt ist. Dadurch wird eine Trennebene zwischen dem von dem Gehäuseabschnitt aufgenommenen optischen Element und dem die Taumelscheibe aufnehmenden Grundkörper gebildet. Eine solche Trennebene ermöglicht, dass die Einstellung der Taumelscheibe beim Wechsel des optischen Elementes aufrechterhalten bleibt und somit ein schneller Wechsel des optischen Elementes ermöglicht ist.The holder for the arrangement of the optical element is received by a housing portion, which is preferably releasably attached to the base body. As a result, a parting plane is formed between the optical element accommodated by the housing section and the main body accommodating the swashplate. Such a separation level allows the adjustment of the swash plate is maintained when changing the optical element and thus a quick change of the optical element is possible.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das optische Element an dem Gehäuseabschnitt schwimmend gelagert ist und mit einer konstanten Kraft an der Taumelscheibe anliegt. Diese schwimmende Lagerung ermöglicht, dass die auf das optische Element wirkende Kraft bei veränderten Einstellungen beibehalten wird.According to a further advantageous embodiment of the invention it is provided that the optical element is mounted floating on the housing portion and rests with a constant force on the swash plate. This floating bearing allows the force acting on the optical element to be maintained with changed settings.
Die Halterung des optischen Elementes ist bevorzugt axial verschiebbar zum Gehäuseabschnitt vorgesehen, der an dem Grundkörper befestigt ist. Dadurch wird die Stellbewegung der Taumelscheibe in einfacher Weise bei konstanter Anlagekraft auf das optische Element übertragen.The holder of the optical element is preferably provided axially displaceably to the housing portion, which is fixed to the base body. As a result, the adjusting movement of the swash plate is transmitted in a simple manner with constant contact force on the optical element.
Zur Aufrechterhaltung der Anlagekraft zwischen dem optischen Element und der Taumelscheibe ist parallel zur verschiebbaren Halterung des optischen Elementes vorzugsweise eine Druckübertragungsvorrichtung vorgesehen, welche in oder an dem Gehäuseabschnitt gelagert ist. Dadurch erfolgt eine Koppelung einer zum Gehäuseabschnitt axialen Verschiebebewegung zwischen der Druckübertragungsvorrichtung und dem optischen Element. In order to maintain the contact force between the optical element and the swash plate, a pressure transmission device is preferably provided parallel to the displaceable mounting of the optical element, which is mounted in or on the housing portion. This results in a coupling of a housing portion to the axial displacement movement between the pressure transmission device and the optical element.
Die Halterung zur Aufnahme des optischen Elementes umfasst bevorzugt ein membran- oder blattfederartiges Federelement, an dem die Druckübertragungsvorrichtung angreift. Dadurch kann zumindest ein zusätzlicher Freiheitsgrad für eine Ausgleichsbewegung zwischen der Druckübertragungsvorrichtung und der Taumelscheibe gegeben sein, ohne dass eine Anlagekraft zwischen dem optischen Element und der Taumelscheibe erhöht wird. Gleichzeitig werden Verspannungen zwischen der Taumelscheibe des optischen Elementes und deren Halterung verhindert.The holder for receiving the optical element preferably comprises a membrane or leaf spring-like spring element on which engages the pressure transmission device. As a result, at least one additional degree of freedom for a compensating movement between the pressure-transmitting device and the swash plate can be provided, without a contact force between the optical element and the swash plate being increased. At the same time tension between the swash plate of the optical element and the holder are prevented.
Die zur schwimmenden Lagerung des optischen Elementes vorgesehene Druckübertragungsvorrichtung weist bevorzugt ein mit einer Druckfeder beaufschlagbares Druckstück auf, welches an einem zu den Auflageelementen der Taumelscheibe benachbarten Bereich anliegt. Das mit einer Druckfeder beaufschlagbare Druckstück ist in einer Stufenbohrung des Gehäuseabschnittes gelagert, so dass eine Druckbeaufschlagung des Druckstückes durch die Taumelscheibe unmittelbar über das Federelement auf die Halterung des optischen Elementes übertragen wird, so dass wiederum die Anpresskraft zwischen der Hauptfunktionsfläche des optischen Elementes und den Anlageelementen der Taumelscheibe konstant bleibt.The pressure-transmitting device provided for the floating mounting of the optical element preferably has a pressure piece which can be acted upon by a compression spring and bears against a region adjacent to the support elements of the swash plate. The pressurizable with a compression spring pressure piece is mounted in a stepped bore of the housing portion, so that a pressurization of the pressure piece is transmitted through the swash plate directly on the spring element on the holder of the optical element, so that in turn the contact force between the main functional surface of the optical element and the contact elements the swash plate remains constant.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass eine an den Gehäuseabschnitt angeordnete Druckübertragungsvorrichtung und ein an dem Grundkörper angeordnetes Justierelement einander gegenüberliegend angeordnet sind. Dadurch kann eine biegefreie Kraftübertragung sowohl von der Druckübertragungsvorrichtung als auch dem Justierelement auf die Taumelscheibe erfolgen. Bevorzugt ist die Kraftresultierende der Druckübertragungsvorrichtung und des Justierelementes in einer gemeinsamen Achse vorgesehen.A further advantageous embodiment of the invention provides that a arranged on the housing portion pressure transmitting device and arranged on the main body adjusting element are arranged opposite to each other. As a result, a bending-free power transmission can take place both from the pressure transmission device and the adjusting element on the swash plate. Preferably, the force resultant of the pressure transmission device and the adjusting element is provided in a common axis.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird insbesondere zur Aufnahme eines optischen Elementes in einem Hochleistungslaser, insbesondere eines dioden- oder lampengepumpten Hochleistungslasers, eingesetzt, bei dem Strahlleistungen von beispielsweise mehr als 1 kW erzeugt werden, wobei die Strahlleistungen im Resonator in einem Bereich von 50 kW liegen.The device according to the invention is used in particular for receiving an optical element in a high-power laser, in particular a diode-pumped or lamp-pumped high-power laser, in which beam powers of, for example, more than 1 kW are generated, the beam powers in the resonator being in a range of 50 kW.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen derselben werden im Folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Beispiele näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmenden Merkmale können einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination erfindungsgemäß angewandt werden. Es zeigen:The invention and further advantageous embodiments and developments thereof are described in more detail below with reference to the examples shown in the drawings and explained. The features to be taken from the description and the drawings can be applied individually according to the invention individually or in combination in any combination. Show it:
In
Das optische Element
Die Taumelscheibe
Die Taumelscheibe
In
In
In
In
Die Taumelscheibe
Zwischen der Taumelscheibe
Zur Vermeidung von Biegespannungen ist bevorzugt vorgesehen, dass ein Justierelement
Eine solche Vorrichtung wird insbesondere in einem Resonator eines Festkörperlasers als sogenannte Resonatorspiegelhalterung für Hochleistungslasersysteme, wie beispielsweise dioden- oder lampengepumpte Lasersysteme, eingesetzt.Such a device is used in particular in a resonator of a solid-state laser as so-called resonator mirror holder for high-power laser systems, such as diode or lamp-pumped laser systems.
Alle vorgenannten Merkmale sind jeweils für sich erfindungswesentlich und können beliebig miteinander kombinierbar sein.All of the aforementioned features are essential to the invention and can be combined with one another as desired.
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