DE2233639A1

DE2233639A1 - Halterung fuer optische bauelemente, insbesondere in einem lasersystem

Info

Publication number: DE2233639A1
Application number: DE2233639A
Authority: DE
Inventors: Edward Phillip Malherbe
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1971-07-12
Filing date: 1972-07-08
Publication date: 1973-02-01
Also published as: CA966921A; US3751139A

Description

Halterung für optische Bauelemente, insbesondere in ,einem Lasersystem.

P.ür diese Anmeldung wird die Priorität aus der entsprechenden U.S. Anmeldung Ser. No. l6l 716 vom 12. Juli 1971 in. Anspruch genommen.

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Halterungen für optische Bauelemente, die insbesondere zur Verwendung in einem Lasersystem geeignet sind.

Halterungen für die in Lasersystemen verwendeten unterschiedlichen optischen Bauelemente wie z.B. die in einem Laserhohlraum verwendeten Endspiegel, Q-Schalter, Polarisatoren usw. müssen eine besonders gut durchdachte Konstruktion aufweisen. Die Halterung muß nicht nur einen großen Winkeleinstellbereich in bezug auf die optische Achse des Lasers gestatten, sondern sollte gleichzeitig einen Auflösungsgrad ermöglichen, der auch bei kritischen Laseranwendungen die benötigten Einstellmöglichkeiten bietet. Die Konstruktion jeder derartigen Halterung muß dabei so beschaffen sein, daß die auftretenden Temperaturunterschiede und Schwingungen oder Erschütterungen keine Winkelabweichungen des von der Halterung getragenen optischen Bauelementes wie .z.B. einer Spiegelfläche bewirken.

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Bei bekannten Halterungskonstruktionen werden Dreipunktauflager mit federbelasteten Schrauben verwendet. Eine bekannte Ausführung einer derartigen Halterung weist ein geteiltes Rohr auf, wobei die Scharnierpunkte senkrecht in die Halterung eingearbeitet sind. Das Rohr wird vermittels an dem Rohr befestigter und als Hebelarme wirkender Schrauben abgelenkt, wodurch die Achse jedes an oder in dem Rohr gehaltenen optischen Bauelements verlagert wird. Eine andere bekannte Konstruktion besteht aus einer perforierten Platte mit als Torsionsscharnieren wirkenden kleinen senkrechten Elementen, wobei die Verstellung unter einem rechten Winkel zu jeder Gruppe von Torsionselementen erfolgt. Die Elemente wirken dabei als Stiftscharnierpunkte.

Die bei den bekannten Halterungskonstruktionen auftretenden Schwierigkeiten sind, daß diese und insbesondere die Halterungen mit Stiftscharnieranlenkung sehr anfällig gegenüber Schwingungen oder Erschütterungen sind. Außerdem ist eine einwandfreie TemperaturStabilität schwer aufrecht zu erhalten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine neuartige und verbesserte Halterung für optische Bauelemente zu schaffen, die insbesondere zur Verwendung in einem Lasersystem geeignet ist.

Die zu diesem Zweck vorgeschlagene Halterung besteht aus einem Gestell oder Gehäuse und ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch eine an ihrem umlaufenden Randabschnitt an dem Gestell oder Gehäuse befestigte Membran

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mit einer mittigen Ausnehmung, ein in der mittigen Ausnehmung gehaltenes Tragrohr, dessen Achse im unverspannten Zustand der Membran im wesentlichen senkrecht zur Membranebene verläuft, eine zur Aufnahme eines optischen Bauelements, dessen Achse zu einer vorgegebenen Achse ausgerichtet werden soll, an einem Endabschnitt des Tragrohrs dienende Vorrichtung und durch eine mit dem Gestell oder Gehäuse verbundene kraftschlüssige Stellvorrichtung, vermittels welcher auf das dem das Bauelement tragenden Ende abgewandten Ende des Tragrohrs eine Kraft in einer allgemein senkrecht zur Tragrohrachse verlaufenden Richtung ausübbar und die Achse des Bauelements in genaue Ausrichtung mit der vorgegebenen Achse bringbar ist.

Die erfindungsgemäße Halterung beruht in erster Linie auf der Verwendung einer mit einer mittigen Ausnehmung versehenen, dünnen, blechartigen Membran, welche zur Halterung eines Endabschnittes eines Tragrohrs dient. Eine geeignete kraftSchlussige Stellvorrichtung wie z.B. Stellschrauben üben an dem anderen Rohrende an Stellen, die in gegenseitigen Abständen um den Umfang herum angeordnet sind, Kräfte auf das Rohr aus und rufen damit eine Biegebeanspruchung der Membran hervor. Wenn nun äußere Schwingungen, Erschütterungen oder Stoßkräfte auftreten, belasten diese die Membran über ein großes Spannungsfeld. Spannungsfelder sind jedoch hohen Beanspruchungen gegenüber günstiger als Torsionsbeanspruchungen. Durch Verwendung

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der dünnen, biegsamen und blechartigen Membran läßt sich ein großer Einstellbereich erzielen, wobei gleichzeitig kritische Einstellungen möglich sind. Die Membran verhindert zugleich Axialbewegungen des optischen Bauelements in jeder eingestellten Winkellage.

Die Erfindung wird im nachfolgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Fig. 1 ist eine schaubildliche Zerlegungsansicht einer erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Halterung zur Verwendung in einem Lasersystem.
Fig. 2 ist ein Querschnitt durch die Halterung

der Fig. 1 im zusammengebauten Zustand in der durch die Pfeile 2-2 der Fig. 1 angedeuteten Schnittebene.

Fig. 3 ist ein teilweise im Schnitt und teilweise in Ansicht und in einem größeren Maßstab gehaltener Querschnitt in Richtung der mit 3-3 bezeichneten Pfeile der Fig. 1. Fig. Ί ist ein Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform einer entsprechend der Erfindung ausgebildeten Halterung. Fig. 5 ist ein Querschnitt in Richtung der Pfeile

5-5 durch die Halterung der Fig. 4. In Fig. 1 ist eine Halterung für optische Bauelemente dargestellt, die aus einem starren Gehäuse oder

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Gestell 10 mit einem durchgehenden mittigen Durchlaß 11 besteht, dessen Achse mit A bezeichnet ist. Das Gehäuse oder Gestell 10 wird normalerweise in einem optischen System wie z.B. einem Lasersystem derart angeordnet, daß die Achse A des Durchlasses im wesentlichen zur optischen Achse des Systems ausgerichtet ist und z.B. das Laserlicht ungehindert durch den Durchlaß 11 hindurchtritt. An dem starren Gehäuse befinden sich Stellschrauben 12 und 13, die bei der in Fig. 1 dargestellten Aus f uhr un^-gs form radial nach innen zur Durchlaßachse A verlaufen. Das vordere Ende des mittigen Durchlasses 11 weist eine ebene umlaufende Endfläche 14 auf, die in einer vorgegebenen Ebene liegt, welche entsprechend der Darstellung der Fig. 1 in bezug auf die Achse A windschief verläuft.

Die Halterung weist ansonsten noch folgende Teile auf: Einen Tragrohrabschnitt 15, der an einem Ende ein Innengewinde 16 und eine ebene Endfläche 17 aufweist. Eine biegsame Metallmembran 18 mit einer mittigen Ausnehmung 19, welche vermittels eines entsprechenden Endblocks 20 an dem Gehäuse 10 befestigt wird. Der Endblock 20 weist eine in bezug auf die Achse A geneigt verlaufende, ebene, umlaufende Fläche 21 auf, welche passend zu der geneigt oder windschief verlaufenden Endfläche 14 des Gehäuses ausgebildet ist, so daß der äußere Umfang der Membran 18 zwischen diesen Teilen eingespannt werden kann. Zur starren Befestigung der Teile miteinander dienen Schrauben 22. · Ein weiterer Tragrohrabsch'nitt 23 weist ein End-

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gewinde 2Ί kleineren Durchmessers und eine an das Gewinde anschließende ebene Schulter 25 auf. Das Gewinde 24 ist passend zu dem Innengewinde 16 des Tragrohrabschnitts 15 ausgebildet, so daß der Umfangsrand an der mittigen Ausnehmung 19 der Membran 18 zwischen der Endfläche 17 und der Schulter 25 eingespannt und das ganze Tragrohr fest mit der Membran verbunden ist. Das vordere Ende des Tragrohrs weist eine Ausnehmung 26 zur Aufnahme eines optischen Bauelements 27 wie z.B., eines Endspiegels, Polarisators oder eines anderen in einem optischen oder einem Lasersystem verwendeten Bauelements auf.

Der zusammengebaute Zustand ist in Fig. 2 dargestellt, aus welcher ersichtlich ist, daß die Achse des Tragrohrs aufgrund dessen, daß die Membran 18 in einer windschiefen oder geneigten Ebene liegt, im unverspannten Zustand der Membran 18 normalerweise mit der Senkrechten N auf die windschiefe Ebene zusammenfällt. Bei der Darstellung von Fig. 2 wird jedoch auf das innere Ende des in den Durchlaß 11 des Gehäuses 10 hineinragenden Tragrohrs eine Kraft durch Stellschrauben wie z.B. 12 ausgeübt, vermittels welcher das Tragrohr zur Achse A axial ausgerichtet und eine Biegebeanspruchung der Membran 18 hervorgerufen wird.

Aus Fig. 3 ist klar ersichtlich, in welcher Weise eine Stellschraube wie z.B. die Stellschraube 13 beim Einschrauben nach unten eine Kraft an einer Umfangsstelle auf den Endabschnitt 15 des Tragrohrs ausübt. Aus der in den Figuren 1 und 2 dargestellten geometrischen und physi-

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kaiischen Anordnung ist ersichtlich, daß durch Biegen der .Membran eine Reaktionskraft erzeugt wird, die der von den Stellschrauben 12 und 13 aufgebrachten Kraft entgegengesetzt ist. Die Stellschrauben 12 und 13 sind jeweils unter einem Winkel von ^5° auf beiden Seiten einer die Senkrechte auf die windschiefe Ebene und die Achse A des mittigen Durchlasses 11 in dem Gehäuse IO enthaltenden Ebene angeordnet. Das Tragrohr ist somit an in Umfangsrichtung um 90° zueinander versetzten Punkten gehalten. Polglich läßt sich der Winkel der Tragrohrachse in bezug auf die Achse A bei Betätigung jeder einzelnen Stellschraube über einen Bereich von 360° verändern. Die aufgrund der windschiefen Einspannung von der Membran ausgeübten Gegenkräfte machen Federn oder Vorspanneinrichtungen an den Stellschrauben überflüssig.

Wenn nur sehr kleine Winkeleinstellungen erforderlich sind, läßt sich die Membran verhältnismäßig steif, und für größere Winkeleinstellungen weniger steif ausbilden. In allen Fällen gewährleisten die den durch die Stellschrauben ausgeübten Kräften entgegenwirkenden hohen Membranspannungen einen ausgezeichneten Widerstand gegenüber Stoß- und Schwingungseinwirkungen. Aufgrund der lochseheibenartigen Membranformgebung verhindert die Membran nach erfolgter Winkeleinstellung jede Axialverlagerung des Tragrohrs, so daß sich eine sehr_: genaue Ausrichtung erzielen läßt.

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In den Figuren H und 5 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Halterung dargestellt, bei der die die Membran enthaltende vorgegebene Ebene nicht windschief, sondern im wesentlichen senkrecht zur Achse des optischen oder Lasersystems ausgerichtet ist. Die in Fig. 4 dargestellte Halterung weist ein Gehäuse 28 mit einem mittigen Durchlaß in ähnlicher Weise wie das Gehäuse 10 der Fig. 1, sowie eine Membran 29 auf, welche vermittels einer Endplatte 30 an dem offenen Ende des mittigen Durchlasses befestigt ist. Das bei 31 dargestellte Tragrohr ist an einem Endabschnitt in der mittigen Ausnehmung der Membran 29 befestigt und ragt mit seinem anderen Endabschnitt in den mittigen Gehäusedurchlaß hinein. Die kraftschlüssige Stellvorrichtung umfaßt bei der Ausführung der Figuren 4 und 5 eine Vorspanneinrichtung in Form einer Kugellagerung mit einer Lagerkugel 32, welche beispielsweise vermittels einer Feder 33 gegen einen ümfangspunkt des Tragrohrs 31 beaufschlagt ist, deren Druckkraft vermittels einer Gewindeschraube 3¹J einstellbar ist. An zwei weiteren, um 90° zueinander versetzten Umfangspunkten wird Druck durch Schrauben, von denen eine bei 35 in Fig. 4 dargestellt ist, und einer jeweils zugeordneten Kugellagerung oder Lagerkugel 36 ausgeübt.

Wie anhand Fig. 5 ersichtlich, weist die Stellschraube 35 einen sich verjüngenden und eine sich konisch verjüngende Oberfläche 37 bildenden .Schaftabschnitt auf.

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Das untere Ende der Gehäusebohrung ist mit einem Gewinde versehen, in welches das Gewindeende der Stellschraube eingeschraubt ist. Bei dieser Anordnung wird durch Einschrauben der Stellschraube 35 nach unten die Lagerkugel 36 zunehmend stärker gegen den Endabschnitt des Tragrohrs 31 gedrückt.

Der dritte Krafteingriffspunkt an dem Tragrohr besteht aus einer in gleicher Weise ausgebildeten Stellschraube 39 mit einem sich verjüngenden Schaftabschnitt, der mit einer entsprechenden Kugellagerung, d.h. einer Lagerkugel 40 zusammenwirkt. In der in den Figuren 4 und · 5 dargestellten Ausführungsform verlaufen die Gehäusebohrungen parallel zueinander und auf beiden Seiten der die Gehäuseachse enthaltenden Ebene, wobei die geometrische Anordnung so ausgelegt ist, daß an den in Umfangsrichtung um 90° zueinander versetzten Kugeln 36 und 40 genau bestimmbare Kräfte auf das Tragrohr 31 ausübbar sind und das Ende des Tragrohrs in bezug auf diese Druckpunkte in zueinander senkrechten Richtungen verstellbar ist.

Die Wirkungsweise der in den Figuren 1-5 dargestellten beiden Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Halterung ist weitgehend anhand ihres Aufbaus ersichtlich. Wenn bei der ersten Ausführungsform keine Kräfte durch die Stellschrauben 12 und 13 ausgeübt werden,, verläuft die Achse des aus den Abschnitten 15 und 23 bestehenden Tragrohrs senkrecht zur Ebene der windschiefen Membran 18, d.h.

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im wesentlichen in Richtung der Senkrechten N. Wenn nun durch Einschrauben der Stellschrauben 12 und 13 Kräfte auf das TRagrohr ausgeübt werden, wird die Membran 18 vermittels des Tragrohrs gebogen, so daß sich eine ziemlich stramme Reaktionskraft gegenüber den Stellschrauben ergibt. Die Achse des Tragrohrs läßt sich mühelos sehr präzise zur optischen Achse des Lasersystems ausrichten und die dabei erhaltene Formgebung der Membran ist praktisch unempfindlich gegenüber äußeren Erschütterungen und Schwingungen, sowie gegenüber TemperaturSchwankungen. Bei Ausnutzung der Biegsamkeit der Membran sind zusätzliche Federn und dergl. nicht erforderlich, wenn die Membran in einer windschiefen Ebene befestigt ist.

Bei der Ausführung der Figuren 4 und 5 ist die Achse des Tragrohrs 31 im unverspannten Zustand der Membran 29 im wesentlichen mit der Achse des Lasersystems oder dgl. ausgerichtet. Eine genaue Ausrichtung des Tragrohrs und des an diesem gehaltenen optischen Elements läßt sich vermittels der Stellschrauben 35 und 39 erzielen, welche gegen die in Fig. 5 dargestellte Lagerkugel 32 der Vorspanneinrichtung einwirken. Es ist klar, daß die Membran 29 bei der Ausführungsform von Fig. 4 für jede axiale Winkelabweichung über 36O⁰ infolge der Symmetrie gleichförmig verspannt wird.

In· beiden Ausführungsformen verhindert die blechartige Membrankonstruktion im eingeteilten Zustand jede Axialbewegung des Tragrohrs und des an diesem gehaltenen

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optischen Bauelements.

Bei beiden Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Halterung besteht ein wichtiges Merkmal darin, daß Laserlicht ohne von der Halterung selbst vignettiert zu werden ungehindert durch das Tragrohr und damit das an diesem gehaltene optische Bauelement hindurchtreten kann. Dieses Merkmal ist zwar nicht von Belang, wenn die Halterung einen voll reflektierenden Endspiegel trägt, ermöglicht jedoch bei Halterung anderer optischer Elemente wie z.B. Q-Schaltern oder Polarisatoren den Vorteil eines ungehinderten Strahlungsdurchgangs durch die Halterung.

- Patentansprüche: -

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Claims

213 3 G 3 9

Patentansprüche : s

1.j Halterung für optische Bauelemente, insbesondere in einem Lasersystem, bestehend aus einem Gestell oder Gehäuse, gekennzeichnet durch eine an ihrem umlaufenden Randabschnitt an dem Gestell oder Gehäuse (10, 28) befestigte Membran (18, 29) mit einer mittigen Ausnehmung (19), ein in der mittigen Ausnehmung gehaltenes Tragrohr (15, 23; 31), dessen Achse im unverspannten Zustand der Membran im wesentlichen senkrecht zur Membranebene verläuft, eine zur Aufnahme eines optischen Bauelements (27), dessen Achse zu einer vorgegebenen Achse ausgerichtet werden soll, an einem Endabschnitt (15) des Tragrohrs dienende Vorrichtung (26) und durch eine mit dem Gestell oder Gehäuse verbundene kraftschlüssige Stellvorrichtung (12, 13; 32, 33, 35, 39), vermittels welcher auf das dem das Bauelement tragenden Ende abgewandten Ende des Tragrohrs eine Kraft in einer allgemein senkrecht zur Tragrohrachse verlaufenden Richtung ausübbar und die Achse des Bauelements in genaue Ausrichtung mit der vorgegebenen Achse bringbar ist.

2. Halterung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (18) in einer zu der vorgegebenen Achse geneigten Ebene liegt, unter Spannung steht und eine Reaktionskraft auf die durch die kraftschlüssige Stellvorrichtung auf das Tragrohr ausgeübte Kraft liefert.

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3. Halterung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (29) in einer im wesentlichen senkrecht zu der vorgegebenen Achse verlaufenden Ebene liegt und die kraftschlüssige Stellvorrichtung drei getrennte Eingriffspunkte (32, 36, 40) aufweist, vermittels welcher auf drei in Umfangsrichtung um 90° oder mehr zueinander versetzte Punkte des Tragrohrs (31) Radialkräfte ausübbar sind.

H. Halterung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 'daß das Gestell oder Gehäuse in Form eines starren Gehäuses (10, 28) mit. einem zu dem optischen wie z.B. dem Lasersystem axial ausgerichteten mittigen Durchlaß (11) für Laserlicht ausgebildet ist, der Durchlaß an einem Ende eine in einer vorgegebenen Ebene liegende, ebene, umlaufende Endfläche (14) aufweist, die Membran (18) aus Metall besteht, an der ebenen umlaufenden Endfläche befestigt ist und im unverspannten Zustand in der vorgegebenen Ebene liegt, das Tragrohr (15, .23) in den Durchlaß hineinragt, wobei die Rohrachse im unverspannten Zustand der Membran mit der Senkrechten auf die vorgegebene Ebene zusammenfällt, die kraftSchlussige Stellvorrichtung aus in das Gehäuse eingesetzten Stellschrauben (12, 13) besteht, vermittels welcher¹ an-in Umfangsrichtung zueinander versetzten Abschnitten an dem von .dem mit der Membran verbundenen "Tragrohrende entfernten Ende des Tragrohr's in der Weise Kräfte auf

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das Tragrohr ausübbar und bei Betätigung jeder einzelnen Stellschraube Biegekräfte über das Tragrohr in solchen Richtungen auf die Membran aufbringbar sind, daß die Achse des Tragrohrs und die des optischen Bauelements (27) in genau fluchtende Ausrichtung mit der optischen Achse des Lasersystems bringbar sind.

5. Halterung nach Anspruch H₃ dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene Ebene in bezug auf die Achse des Durchlasses (11) geneigt ist, die Stellschrauben (12, 13) in Gewindebohrungen des Gehäuses (10) eingreifen, welche auf beiden Seiten einer die Durchlaßachse (A) und eine Senkrechte auf die geneigte Ebene enthaltenden Ebene unter jeweils 45 in Radialrichtung zur Durchlaßachse verlaufen, die Enden der Stellschrauben an in Umfangsrichtung um 90° zueinander versetzten Punkten in Eingriff mit dem Tragrohr stehen und die Membran im verspannten Zustand eine Reaktionskraft zu den durch die Stellschrauben ausgeübten Kräften liefert.

β ο Halterung nach Anspruch 4_S dadurch gekennzeichnet, daß die Senkrechte auf die vorgegebene Ebene im unverspannten Zustand der Membran im wesentlichen mit der Achse (A) des Durchlasses (11) ausgerichtet ist, die Stellschrauben (35, 39) jeweils einen Schaftabschnitt mit einer sieh konisch verjüngenden Oberfläche C37) aufweisen, das Gehäuse (28) auf beiden Seiten der Durch-

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laßachse und parallel zueinander angeordnete Bohrungen· zur Aufnahme der Stellschrauben aufweist, die unteren Bohrungsabschnitte jeweils Gewinde (38) zur Aufnahme von unterhalb der sich verjüngenden Schaftabschnitte befindlicher Gewindeabschnitte der Stellschrauben aufweisen, Lagerkugeln (32, 36, 40) zwischen den sich konisch verjüngenden Oberflächen und dem Tragrohr (31) derart angeordnet sind, daß durch eine von den Schrauben nach unten ausgeübte Druckkraft die Lagerkugeln gegen das Tragrohr beaufschlagbar und Kräfte auf dieses an in Umfangsrichtung um 90° zueinander versetzten Punkten ausübbar sind, und in dem Gehäuse (28) eine Vorspanneinrichtung (32, 33) vorgesehen ist, vermittels welcher an einem gegenüber den Eingriffspunkten der Lagerkugeln (36, kO) in Umfangsrichtung um jeweils 135° versetzten dritten Punkt eine Reaktionskraft auf das Tragrohr (31) ausübbar ist.

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