DE19730739C2 - Verfahren zur Herstellung von Laserspiegeln - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Laserspiegeln. Solche Laserspiegel werden zur Formung, Umlenkung und Fokussierung der Laserstrah­ lung, insbesondere von Leistungslasern für die Mate­ rialbearbeitung und Oberflächenveredlung verwendet. Je nach Anwendung können die verschiedensten Formen, wie Planspiegel, sphärische Spiegel aber auch andere relativ komplizierte Toroid-, Kegel- oder Polygonfor­ men eingesetzt werden. Solche Laserspiegel können einmal raumfest, jedoch justierbar, relativ langsam, als Scannerspiegel sehr schnell mit Frequenzen bis zu 300 Hz oder als Drehspiegel mit einer Drehzahl von ca. 50000 U/min eingesetzt werden.

Solche Leistungslaser sind z. B. CO₂-Laser, die Licht mit einer Wellenlänge λ = 10,6 µm oder Nd-YAG-Laser, die Lichtstrahlen mit einer Wellenlänge λ = 1,06 µm aussenden.

Die fest installierten oder langsam bewegten Laser­ spiegel bestehen in herkömmlicher Form bei Leistungs­ lasern im kW-Bereich aus einem metallischen Spiegel­ träger mit integriertem oder aufgesetzten Kühlkörper, durch den eine Wasser- oder Ölkühlung erfolgt. In der Regel werden Kupfer oder auch Aluminium, wegen ihrer guten Wärmeleitfähigkeit verwendet. Für Laser in niedrigen Leistungsbereichen ist die Verwendung von Laserspiegeln aus einem Glas oder Si-Einkristall und bei Scannerlaserspiegeln sind diese zur Reduzierung der Masse aus einem Glaskohlenstoff hergestellt. Sol­ che Scannerspiegel können durch Luft, die an der Vor­ der- bzw. Rückseite vorbeigeführt wird, gekühlt wer­ den.

Der Körper eines solchen Laserspiegels wird an seiner Spiegelträgerfläche poliert und im Anschluß daran mit einer hochreflektierenden Schicht (z. B. Gold, Cu, Al) versehen. In der Regel sind Schichtdicken ab 0,1 µm ausreichend. Wird Kupfer verwendet, kann der Spiegel­ träger gleichzeitig als reflektierende Schicht be­ nutzt werden.

Auf die reflektierenden Schichten können zusätzliche Schutzschichten aus organischen Materialien aufge­ bracht werden. Außerdem wurden in jüngster Vergangen­ heit diamantähnliche Kohlenstoffschichten (DLC) auf­ gebracht, die gleichzeitig Schutz vor chemischer Ein­ wirkung und Verschleiß bieten.

An die eigentliche Spiegelträgerschicht eines solchen Laserspiegels werden insbesondere an die Oberflächen­ güte hohe Anforderungen gestellt und es sind mittlere Oberflächenrauhigkeiten R_a ≦ 6 nm und Abweichungen von der Planheit, die zumindest kleiner als λ/10 der Wellenlänge des Laserstrahles bei einem Spiegeldurch­ messer von 80 mm gefordert.

Es liegt auf der Hand, daß Scannerspiegel eine sehr kleine Masse aufweisen sollen, um die Massenträgheit bei den sehr hohen Scannfrequenzen klein halten zu können. Dem steht aber das Erfordernis einer ausrei­ chend hohen Festigkeit gegenüber.

Aber auch bei relativ langsam bewegten Laserspiegeln werden diese Eigenschaften gefordert, wobei bei die­ sen Spiegeln, wie dies auch bei den fest installier­ ten Laserspiegeln der Fall ist, ein relativ kleiner thermischer Ausdehnungskoeffizient gewünscht wird.

Die erforderliche Steifig- und Festigkeit wird im wesentlichen dadurch bestimmt, daß es beim Einschal­ ten des Kühlmittels zu Druckspitzen bis zu 6 bar kom­ men kann, die zur Verbiegung führen können. Die Durchbiegung ist umgekehrt zum E-Modul und der drit­ ten Potenz der Dicke des Spiegelträgers proportional. Da, wie bereits beschrieben, eine relativ kleine Mas­ se für einen solchen Laserspiegel gefordert ist, kann die Dicke nicht unbegrenzt gesteigert werden, um die Durchbiegung klein zu halten.

Obwohl die reflektierenden Schichten mit hoher Quali­ tät aufgebracht werden können und daher nur ein ge­ ringer Anteil der Laserstrahlung absorbiert wird, kommt es insbesondere bei Leistungslasern zu Tempera­ turerhöhungen im Bereich einiger 10 K, die entspre­ chend des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Trägerma­ terials zu lokalen Verformungen führen, die die Strahlqualität in unerwünschter Weise beeinflussen.

Laserspiegel aus Kupfer weisen zwar eine gute Wärme­ leitfähigkeit auf, haben aber gegenüber Aluminium mit einer kleineren Wärmeleitfähigkeit eine höhere Masse. Demgegenüber steht aber der kleinere E-Modul von 70,6 GPa für Aluminium gegenüber dem E-Modul für Kupfer von 129 GPa. Diese beiden Metalle haben auch einen relativ großen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, so daß der Aufwand für die Kühlung relativ hoch ist, wobei die bisher üblicherweise verwendeten metalli­ schen Laserspiegel einen Kompromiß in bezug auf Mas­ se, Steifigkeit und Kühleffekt darstellen.

Ven GOELA J. S. u. a.: ist in "Properties of chemical- vapor-deposited silicon carbide for optics applica­ tions in severe environments", Applied Optics; 1991, Vol. 30, No. 22, P. 3166-3175 darauf hingewiesen wor­ den, daß Siliziumcarbid aufgrund seiner mechanischen und thermischen Eigenschaften für die verschiedensten Spiegel ein geeigneter Werkstoff ist, jedoch durch Sintern hergestellte Körper keine ausreichenden op­ tischen Oberflächeneigenschaften erreichen. Diesem Nachteil soll durch das Auftragen von SiC mit einem CVD-Verfahren bzw. der Herstellung eines solchen Spiegels allein aus CVD-SiC entgegen getreten werden. Dieses Verfahren ist relativ zeitaufwendig, da übli­ cherweise relativ kleine Abscheideraten erreicht wer­ den können. Außerdem ist der anlagentechnische Auf­ wand relativ hoch und es können keine beliebigen und insbesondere sehr komplizierte Formen gleichmäßig be­ schichtet oder gar ein komplizierter Körper, der auch Hohlräume für die Kühlung aufweisen muß, allein im CVD-Verfahren hergestellt werden.

Das Aufbringen von reflektierenden Schichten auf eine CFC- oder CMC-Trägerstruktur ist in DE 42 07 009 A1 und der Zusatzanmeldung hierzu, der DE 43 29 551 A1 beschrieben. Die aus verschiedenen Fasern gebildeten Trägerstrukturen sollen an ihrer Oberfläche mit Sili­ zium, aber auch mit anderen reflektierenden Elementen oder Verbindungen beschichtet werden, so daß eine reflektierende oder spiegelnde Schicht erhalten wer­ den kann. Die Festigkeit eines so hergestellten Spie­ gels beruht daher nahezu ausschließlich auf der ver­ wendeten Trägerstruktur, die jedoch je nach den ver­ wendeten Faserkomponenten Nachtale bezüglich der Temperaturbeständigkeit, oder einem Wärmeausdehnungs­ koeffizienten, der einen Einsatz über einen größeren Temperaturbereich beeinträchtigt, mit sich bringen. Außerdem ist in DE 42 07 009 A1 auch die Verwendung von Glaskeramiken als Spiegelmaterial angesprochen, wobei die Verwendung wegen der aufwendigen Formge­ bungsverfahren auf einfachste Formen begrenzt ist.

Laserspiegel aus anderen, als den oben erwähnten Ma­ terialien sind bisher nicht bekannt.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit zu schaffen, mit der Laserspiegel mit relativ gerin­ ger Masse, hoher Wärmeleitfähigkeit, kleinem thermi­ schen Ausdehnungskoeffizienten, hoher Steifigkeit und ausreichender Festigkeit zur Verfügung gestellt wer­ den können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestal­ tungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich mit den Merkmalen in den untergeordneten Ansprü­ chen.

Nach der Erfindung wird dabei so verfahren, daß ein homogenes, nichtoxidisches Silizium enthaltendes Ke­ ramikpulver in die für den Laserspiegel letztendlich gewünschte Form in den entsprechenden Abmessungen gebracht wird. Dabei kann einmal ein herkömmliches Formgebungsverfahren angewendet werden, es besteht aber auch die Möglichkeit, den Laserspiegelgrünkörper durch selektives Lasersintern schichtweise generativ aufzubauen.

Der Formkörper, der auf herkömmliche Art und Weise erhalten worden ist, wird dann einer Wärmebehandlung bei Temperaturen oberhalb 800°C in oxidierender At­ mosphäre unterzogen und erreicht so eine ausreichende Grünfestigkeit.

Beim selektiven Lasersintern kann auf eine zusätzli­ che Wärmebehandlung verzichtet werden, da der Wärme­ eintrag durch den Laserstrahl, der bevorzugt kreuz­ weise zweimal über die schichtspezifischen Oberflä­ chenbereiche der verschiedenen Einzelschichten ge­ führt wird, erreicht werden kann.

Bei der Wärmebehandlung bzw. beim selektiven Laser­ sintern bilden sich temporäre Bindephasen zwischen den einzelnen Pulverkörnern aus Silizium und/oder dem System Si-O-N in situ aus, so daß eine ausreichende Grünfestigkeit erreicht werden kann.

Der, wie bereits beschrieben, erhaltene Grünkörper wird im Anschluß mit einem Metall infiltriert, wobei bevorzugt Metalle zu verwenden sind, die eine ausrei­ chend hohe Benetzbarkeit des Grünkörpers ermöglichen.

Bei relativ geringer Benetzbarkeit des für die Infil­ tration verwendeten Metalles kann dieser Vorgang durch eine Druckbeaufschlagung unterstützt werden.

Neben Aluminium hat sich insbesondere sehr vorteil­ haft Silizium zur Verwendung bei der Infiltration herausgestellt.

Die Infiltration sollte günstigerweise im Vakuum und bei der Verwendung von Silizium bei Temperaturen zwi­ schen 1410 und 1800°C, bevorzugt bei 1600°C durch­ geführt werden.

Als Ausgangsmaterial können herkömmliche, handelsüb­ lich erhältliche SiC- oder Si₃N₄-Pulver ohne weiteres auch unter Verzicht der üblicherweise beim Sintern erforderlichen Sinterhilfsmittel eingesetzt werden.

Das verwendete Pulver sollte gut rieselfähig und eine mittlere Körnung im Bereich zwischen 10 und 250 µm aufweisen.

Wird der Grünkörper mittels selektivem Lasersintern hergestellt, sollte ein Pulver mit einer mittleren Körnung unterhalb der jeweiligen Schichtdicke einer Schicht verwendet werden. Günstig ist dabei, ein Pul­ ver mit einer mittleren Körnung zwischen 10 und 40 µm zu verwenden.

Bei der Infiltration werden die temporären Bindepha­ sen in Bestandteile des Werkstoffes des fertigen La­ serspiegels umgewandelt, ohne daß dessen Eigenschaf­ ten negativ beeinflußt werden.

Vorteilhaft ist es, wenn der Grünkörper vor der In­ filtration mit Kohlenstoff versetzt wird. Dies kann beispielsweise durch Tränken mit einem thermoreakti­ ven Kunststoff erreicht werden. Dadurch kann während der Infiltration im Werkstoff sekundäres SiC gebildet werden.

Neben der Möglichkeit, den Grünkörper mittels selekti­ vem Lasersintern auf einer Grundplatte aus Stahl ge­ nerativ aufzubauen, hat es sich als vorteilhaft her­ ausgestellt, den Grünkörper auf einem Siliziumsub­ strat aufzubauen, das gemeinsam mit dem Grünkörper in einen Ofen, der evakuierbar ist, gegeben werden kann. Bei ausreichend hohen Temperaturen wird das Substrat­ material zur Infiltration genutzt und es kann auf das Ablösen des fertigen Grünkörpers von der metallischen Grundplatte verzichtet werden.

Das selektive Lasersintern wird bevorzugt mit einem CO₂-Laser durchgeführt, da dessen Licht eine Wellen­ länge hat, die vom Ausgangspulver hochgradig absor­ biert wird, so daß die Energieausbeute relativ hoch ist. Die Laserprozeßparameter können so eingestellt werden, daß die Pulverkörner zumindest teilweise zer­ trümmert werden, so daß eine Verzahnung erreicht wird, die die Grünfestigkeit zusätzlich zu der Festigkeit, die mit der temporären Bindephase er­ reicht werden kann, erhöht wird.

Die Laserleistung kann im Bereich von ca. 45 W lie­ gen, der Laserstrahl kann auf einen Durchmesser zwi­ schen 0,3 und 0,6 mm fokussiert werden und die Ge­ schwindigkeit, mit der der Laserstrahl abgelenkt wird, im Bereich von ca. 200 bis ca. 300 mm/s liegen.

Mit dem selektiven Lasersintern können nahezu belie­ bige Formen eines solchen erfindungsgemäß hergestell­ ten Laserspiegels, auch mit Hinterschneidungen, In­ seln und inneren Hohlräumen, die beispielsweise als Kühlkanäle ausgebildet sein können, hergestellt wer­ den.

Ein erfindungsgemäß hergestellter Laserspiegel hat eine kleine Masse und trotzdem eine ausreichend hohe Steifig- und Festigkeit. Die mit der reflektierenden Schicht zu versehende Spiegelträgerfläche kann mecha­ nisch nachbearbeitet werden, so daß eine ausreichende Oberflächengüte mit einer mittleren Rauhigkeit R_a ≦ 10 nm und Abweichungen von der Planheit < λ/10 inner­ halb einer Spiegelausdehnung von 100 mm ohne weiteres erreicht werden können. Auf die durch Schleifen, Läp­ pen und Polieren geglättete Oberfläche kann die hoch­ reflektierende Schicht oder ein solches Schichtsystem auf herkömmliche Weise rißfrei mit stabiler Haftung aufgebracht werden.

Die erfindungsgemäß hergestellten Laserspiegel können insbesondere wegen ihrer günstigeren thermischen Ei­ genschaften, gegenüber den herkömmlicher Weise ver­ wendeten Ausgangsmaterialien, bevorzugt für fest in­ stallierte oder langsam bewegte Laserspiegel einge­ setzt werden.

Durch die relativ kleine Masse sind die Laserspiegel aber auch als schnell bewegte Scannerspiegel ohne weiteres vorteilhaft einsetzbar.

Das erfindungsgemäße Verfahren schafft weiter die Möglichkeit, Möglichkeiten für die Befestigung, die Kühlung und zusätzliche Stützung in den Grundkörper des Laserspiegels zu integrieren, wobei dies bereits bei der Fertigung des Grünkörpers erfolgen kann, so daß im Nachgang auf weitere Fügeprozesse verzichtet werden kann. Neben den Anschlußmöglichkeiten für Kühlmittel können aber auch Druck- und Temperatursen­ soren angeschlossen bzw. im Grünkörper des erfin­ dungsgemäß hergestellten Laserspiegels integriert sein.

Bei luftgekühlten Laserspiegeln kann der eigentliche Spiegelträger mit geringer Dicke ab 1 mm hergestellt und die Rückseite mit Rippen oder einem Rippennetz­ werk zur Erhöhung der Steifig- und Festigkeit sowie zur Erhöhung der Oberfläche für Wärmekonvektion und Wärmestrahlung ausgebildet werden.

So kann bei der Siliziuminfiltration der Anteil des in den Werkstoff infiltrierten Siliziums beeinflußt werden. Dadurch besteht die Möglichkeit, die für den jeweiligen Anwendungsfall eines solchen Laserspiegels erforderlichen Eigenschaften gegeneinander zu opti­ mieren. Dies betrifft in erster Linie die Masse, die Wärmeleitfähigkeit und den Temperaturausdehnungskoef­ fizienten.

Ein fertiger Laserspiegel aus einem SiSiC kann eine Massendichte erreichen, die oberhalb von 99% der theoretischen Massendichte liegt. In diesem Fall wird ein hochfester Werkstoff erhalten, bei dem sämtliche Poren vollständig geschlossen und mit Silizium ge­ füllt sind.

Die Dichte eines solchen Werkstoffes kann zwischen 2,5 und 3,0 g/cm³ liegen. Der Grundkörper des Laser­ spiegels erreicht einen E-Modul von oberhalb 200 GPa, die Wärmeleitfähigkeit liegt ≧ 70 W/mk und der ther­ mische Ausdehnungskoeffizient ist < 4,5 . 10^-6K^-1. Die­ se Angaben zeigen, daß sich der erfindungsgemäß her­ gestellte Laserspiegel in seinen Eigenschaften beson­ ders vorteilhaft von den bekannten Laserspiegeln ab­ hebt.

Nachfolgend soll die Erfindung an einem Ausführungs­ beispiel näher beschrieben werden.

Dabei zeigt die einzige Figur einen Spiegelträger 1 für einen erfindungsgemäß herzustellenden Laserspie­ gel, an dem vier Durchbrechungen 2, die zur Befesti­ gung verwendet werden können, vorhanden sind.

Außerdem sind zwei Kühlwasseranschlüsse 3 an gegen­ überliegenden Seiten des Spiegelträgers 1 vorhanden.

Der gesamte Spiegelträger 1 hat eine Länge von 55 mm, eine Breite von 35 mm und eine Höhe von ca. 11 mm.

Der Spiegelträger hat eine 4,5 mm dicke Bodenplatte 4 und eine Deckplatte 5 in einer Dicke von 4,1 mm, die als Spiegelträger dient.

Im Inneren des Spiegelträgers 1 sind drei parallel ausgerichtete Kühlkanäle 6 ausgebildet, wobei der mittlere der Kühlkanäle 6 in der Mitte des Spiegel­ trägers 1 zur effektiven Wärmeableitung bei Gauß-för­ miger Intensitätsverteilung, angeordnet ist.

Zwischen den Kühlkanälen 6 sind Zwischenwände mit kreisbogenförmigem Profil als Stützen zur Erhöhung der Steifigkeit der Deckplatte 5 ausgebildet.

Für die Herstellung des Spiegelträgers 1 wurde han­ delsübliches, reines SiC-Pulver, mit einer mittleren Körnung von 23 µm verwendet, das beim selektiven La­ sersintern in jeweiligen Schichtdicken von 50 µm auf­ gebracht worden ist. Die Schichtdicke wurde dabei mit einem Rakel, mit dem überschüssiges Pulver abgetragen worden ist, eingestellt.

Nach dem Lasersintern wies der entsprechend erhaltene Grünkörper keine groben Gefügefehler (Risse, Delami­ nationen, Verformungen) auf. Es konnte auch keine Schwindung, wie sie üblicherweise beim Sintern sol­ cher Keramikausgangsstoffe auftritt, festgestellt werden. Es konnte eine Abweichung der Abmaße des fer­ tigen Spiegelträgers 1 von der Vorgabe des computer­ gesteuerten selektiven Lasersinterns von lediglich 0,1 mm festgestellt werden, wobei diese Abweichungen mit Sicherheit weiter kompensiert werden können.

Es wurde ein CO₂-Laser mit einer Laserleistung von 45 W verwendet, wobei der Laserstrahl auf einen La­ serstrahldurchmesser von 0,3 bis 0,6 mm auf der Ober­ fläche der jeweiligen Schicht fokussiert worden ist. Die Strahlablenkung erfolgte mit einem X-Y-Scanner bei einer Ablenkgeschwindigkeit von 200 mm/s. Das Sintern wurde in Luft in oxidierender Atmosphäre durchgeführt, wobei auch ein Argon-Luftgemisch denk­ bar ist.

Der Grünkörper wurde im Anschluß daran mit Silizium vorzugsweise im Vakuumofen bei 1600°C infiltriert.

Nach der Infiltration war der Spiegelträger 1 voll­ ständig porenfrei und ohne Verzug infiltriert und es konnte wiederum keine Schwindung festgestellt werden.

Bei der Infiltration wurde eine Dichte von 2,65 g/cm³ erreicht.

Der Spiegelträger 1 hat eine Biegebruchfestigkeit von 195 MPa, einen E-Modul von 225 GPa, einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 4,0 . 10^-6K^-1 und eine Wärmeleitfähigkeit von 70 W/mK.

Die Oberfläche der Deckplatte 5 wurde im Nachgang, wie dies bei herkömmlicher SiSiC-Keramik üblich ist, geschliffen, geläppt und poliert, so daß die Oberflä­ che die geforderten optischen Eigenschaften erreichen konnte. Auf die so geglättete Oberfläche der Spiegel­ trägerschicht kann die hochreflektierende Schicht mit bekannten Verfahren aufgebracht werden. Diese Schicht kann mit bekannten Schutzschichten überdeckt werden.

Claims (12)

1. Verfahren zur Herstellung von Laserspiegeln, die Laserstrahlen formen, umlenken und/oder fokus­ sieren, bei dem ein aus einem homogenen nichtoxidischen Silizium enthaltenden Keramikpulver hergestell­ ter Formkörper in der Form und mit den Abmessun­ gen des Laserspiegels in oxidierender Atmosphäre einer Wärmebehandlung, unter Ausbildung temporä­ rer Bindephasen, bei Temperaturen oberhalb 800°C unterzogen oder der Formkörper durch se­ lektives Lasersintern hergestellt, der erhaltene Grünkörper mit einem Metall oder Silizium infil­ triert wird, wobei die temporären Bindephasen wieder gelöst werden und eine reflektierende Beschichtung aufgebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Grünkörper in der Form und den Abmessungen des Laserspiegels durch selektives Lasersintern hergestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Infiltration bei Temperaturen zwischen 1410 und 1800°C im Vakuum durchgeführt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Grünkörper vor der Infiltration mit Kohlenstoff versetzt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein SiC- oder Si₃N₄- Pulver verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Pulver mit einer mittleren Körnung unterhalb der jeweiligen Schichtdicke einer Schicht beim selektiven La­ sersintern verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Pulver mit einer mittleren Körnung zwischen 10 und 250 µm verwen­ det wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Grünkörper auf einem Siliziumsubstrat aufgebaut wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserprozeßpara­ meter und/oder der Laserstrahl so eingestellt werden, daß die Pulverkörner zumindest teilweise zertrümmert werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Wärmebehand­ lung oder dem selektiven Lasersintern in oxidie­ render Atmosphäre zwischen den Pulverkörnern temporäre Bindephasen aus Silizium und/oder dem System Si-O-N in situ erzeugt werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß temporäre Bindepha­ sen in Bestandteile des Werkstoffes des fertigen Laserspiegels umgewandelt werden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelträger­ platte des Laserspiegels mechanisch geglättet und anschließend eine reflektierende Beschich­ tung aufgebracht wird.