DE3809921A1 - Grossflaechiger hochenergie-laserspiegel und verfahren zum herstellen eines solchen spiegels - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Spiegel gemäß dem Oberbegriff des An­ spruches 1 und ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Spiegels gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 6.

Es ist bekannt (vgl. GB-OS 21 70 232, Anspruch 9), großflächige Spiegel für die Ablenkung von Hochenergie-Laserstrahlen dadurch herzustellen, daß ein Metall mit guten Laser-Reflexionseigenschaften wie Kupfer oder Aluminium bzw. eine Metallegierung mit entsprechenden Reflexionseigenschaften zu einer möglichst dünnen Folie ausgewalzt wird, die dann auf eine Trägerkonstruktion mit - für den Fall eines ebenen Spiegels: ebener - Tragfläche aufgerollt und dabei verklebt wird. Abschließend erfolgt ein Polieren zur Sicherstellung der erforder­ lichen Oberflächenqualität der wirksamen Spiegelfläche.

Als sehr günstig hinsichtlich hoher Reflexion, also geringer Restab­ sorption, bei extrem günstigen Eigenschaften hinsichtlich mechanischer Stabilität haben sich dünne Platten aus Beryllium und insbesondere aus Silizium erwiesen. Von besonderem wirtschaftlichen Vorteil ist, daß dünne Siliziumplatten außerordentlich guter optischer und mechanischer Eigenschaften in einem sehr breiten Dickenspektrum als die sogenannten Wafer für die Halbleiterherstellung in großindustriellem Maßstab und damit preisgünstig verfügbar sind. Allerdings ist der Durchmesser dieser Wafer beschränkt, da es sich um Quer­ schnitte aus Einkristallzüchtungen handelt.

Wenn für Zwecke der Hochenergie-Lasertechnik Spiegelflächen erforderlich sind, deren Durchmesser größer (in der Praxis sogar um Größenordnungen größer) als die der größten verfügbaren (Silizium-) Wafer sind, kann das oben erwähnte Verfahren der Spiegelherstellung aus dünn­ gewalzten Folien nicht realisiert werden, weil diese für die Hoch­ energie-Lasertechnik optimalen Halbleiter-Materialien sich nicht zu Folien auswalzen lassen. Die Herstellung von Spiegeln für Hoch­ energie-Laseranwendungen ist deshalb auf den Einsatz von zu Folien auswalzbaren Metallen beschränkt, oder aber auf den vergleichsweise geringen Durchmesser industriell verfügbarer Halbleiterplatten (Silizium- Wafer).

In Erkenntnis dieser Gegebenheiten liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Aufbau eines Hochenergie-Laserspiegels bzw. ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, die hinsichtlich der Abmessungen bzw. hinsichtlich der Materialien die vorgegebenen Grenzen überwinden, es also insbesondere auch ermöglichen, extrem großflächige Halbleiter- Laserspiegel herzustellen.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gelöst, daß der Spiegel gemäß dem Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 aufge­ baut ist bzw. gemäß dem Kennzeichnungsteil des Anspruches 6 herge­ stellt wird.

Diese erfindungsgemäße Lösung beruht auf der Erkenntnis, daß es mit modernen Schweißverfahren, wie sie als Laserstrahl- oder als Elektronenstrahl-Schweißverfahren bekannt sind, durchaus möglich ist, auch Halbleiter-Bauteile, wie etwa aus Beryllium oder Silizium, im stumpfen Stoß miteinander zu einer Platte hinreichend durchgehend­ homogener Material- und damit auch Reflexionseigenschaften zu ver­ schweißen, indem nur die unmittelbare Nachbarschaft beiderseits der sehr schmalen Stoßfuge zwischen den beiden aneinandergrenzenden Platten-Segmenten vom Schweißvorgang erfaßt wird. Dadurch werden die aneinandergrenzenden Segment-Paare in ihre gesamten schweiß­ technisch relevanten Tiefe (also Materialstärke) miteinander ver­ bunden, so daß sich physikalisch gesehen für den auf die Spiegelfläche einfallenden und von ihr reflektierten Hochenergie-Laserstrahl das Mosaik aus den lückenfrei zusammengefügten Segmenten als eine konti­ nuierliche Spiegelplatte darstellt.

Damit ist es möglich, aus den preisgünstig verfügbaren, da in der Halbleiterindustrie in großen Mengen anfallenden Halbleiter-Wafern, die für die Reflexion von Hochenergie-Laserstrahlung besonders günstige Eigenschaften aufweisen, Laser-Spiegel praktisch beliebiger Abmessungen zu erstellen, wie sie bisher nur mit aus zu Folien ausgewalzten Metallen bzw. Metallegierungen realisierbar waren.

Zwar ist es grundsätzlich bereits bekannt, Hochenergie-Laserspiegel aus einzelnen lückenlos einander benachbarten Segmenten zu gruppieren; vgl. Laser-Focus Vol. 17 (1981 No. 9 Seite 56 Fig. 5. Bei den einzelnen Segmenten handelt es sich dabei jedoch um nicht miteinander verbundene Spiegel-Teilflächen, die gegeneinander quer zur Oberfläche verlagerbar sind, um eine resultierenden nicht-ebene Spiegelfläche zu erzielen; wie es erforderlich ist, um über die Spiegelgeometrie bestimmte atmosphärische Ausbreitungsstörungen des Hochenergie-Laserstrahles zu kompensieren. Die Erstellung eines großflächigen Hochenergie- Laserspiegels aus einer solchen Gruppierung einzelner kleinerer, mosaikartig angeordneter Spiegelkörper oder Teil-Spiegelflächen ist nicht möglich, da von einem großflächigen Laserspiegel eine kontinuierliche, insbesondere kontinuierlich-ebene Spiegelfläche verlangt wird. Diese Forderung bedingt eine ununterbrochene polierte Oberfläche als Spiegelfläche, aber eine Gruppierung einzelner Spiegel- Teilflächen auf Stoß nebeneinander ist aus bearbeitungstechnischen Gründen nicht polierfähig und damit nicht zum Aufbau einer geschlossenen, kontinuierliche Oberflächen- Eigenschaften aufweisenden Spiegelflläche geeignet.

Zusätzliche Alternativen und Weiterbildungen sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen und, auch unter Berücksichtigung der Darlegungen in der Zusammen­ fassung, aus nachstehender Beschreibung eines in der Zeichnung unter Beschränkung auf das Wesentliche stark abstrahiert und nicht maßstabs­ gerecht skizzierten bevorzugten Realisierungsbeispiels zur erfindungs­ gemäßen Lösung. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt in abgebrochener Querschnittsdarstellung einen aus mehreren Wafer-Segmenten zusammen­ geschweißten und auf der Spiegelfläche mechanisch überarbeiteten Spiegel für Hochenergie-Laserstrahlung.

Der dargestellte Laserspiegel 11 besteht aus einer möglichst leichten aber mechanisch stabilen Trägerkonstruktion 12 für die eigentliche Spiegelplatte 13. Im dargestellten Realisierungsfalle weist die Trägerkonstruktion 12 eine durch Rippen 14 mechanisch versteifte Tragplatte 15 aus Leichtmetall oder faserverstärktem Verbund-Kunst­ stoff auf.

Auf der Tragplatte 15 sind die einzelnen Segmente 16 angeordnet, beispielsweise festgeklebt, nämlich stirnseitig im stumpfen Stoß möglichst lückenlos gegeneinander gelegt. Die einzelnen Segmente 16 können quadratische dreieckige oder bevorzugt wabenförmig-sechs­ eckige Grundrisse aufweisen, um beispielsweise aus den runden Platten der handelsüblichen Silizium-Wafer bei möglichst geringem Verschnitt so gruppiert werden zu können, daß die Segmente 16 sich mosaikartig zur lückenlosen Spiegelplatte 13 gruppieren lassen.

Die einander benachbarten Segmente 16 werden längs ihrer Stoßfugen 17 über möglichst die gesamte Segment-Materialstärke 18 zur ununter­ brochenen Spiegelplatte 13 zusammengeschweißt, wie in der Darstellung der Querschnittsskizze symbolisch durch die V-förmigen Schweißnähte 19 veranschaulicht.

Die Ausführung dieser Schweißverbindungen kann durch Hochenergie-Laser­ schweißanlagen erfolgen. Die Querschnittsgeometrie der Schweißnaht 19 läßt sich dann durch das eingesetzte Schutzgas beeinflussen; so führt Argon zu einer breiten flachen, Helium zu einer schmalen tiefen Naht 19. Physikalisch vorteilhafter, wenn auch apparativ aufwendiger, kann die Anwendnung eines Hochenergie-Elektronenstrahl­ schweißverfahren sein, weil dieses im Vakuum durchgeführt wird und dadurch keine Dämpfe in der Umgebung der Schweißnähte 19 auftreten, die zu chemischen Reaktionen mit den benachbarten Materialien der Spiegelplatten-Segmente 16 und/oder der Trägerkonstruktion 12 führen könnten.

Der beim Verschweißen der Stoßfugen 17 unter Umständen auftretende, über die spätere Spiegelfläche 20 vorragende Schweißnaht-Wulst 21 wird durch spanende Überarbeitung der Spiegelplatte 13 entfernt, woraufhin die Spiegelfläche 20 ihre endgültige mechanische Qualität durch Läppen und Polieren erhält.

In der Zeichnung ist berücksichtigt, daß es zweckmäßig sein kann, in der Tragfläche 22 der Tragplatte 15 nut- oder kanalförmige Ver­ tiefungen 23 dort vorzusehen, wo nach der Bestückung mit den Spiegel- Segmenten 16 die Stoßfugen 17 und demzufolge später die Schweißnähte 19 verlaufen. Dadurch kann ein etwaiger rückwärtiger Schweißnaht- Wulst nicht zu Verwerfungen der Spiegelplatte 13 gegenüber der Trag­ fläche 22 führen, und auch chemische Reaktionen zwischen dem Material der Tragplatte 15 und der jeweiligen Schweißnaht 19 sind sicher vermieden, weil diese nun nach unten nicht unmittelbar auf dem Material der Trägerkonstruktion 12 endet. Diese Vertiefungen 23 (und gegebenen­ falls entsprechende weitere Kanäle in der Tragfläche 22 unmittelbar unter der Spiegelplatte 13) können dann auch als Strömungskanäle für eine Kühl-Fluid dienen, das die beim Bestrahlen des Spiegels 11 mit Hochenergie-Laserstrahlung auftretende, auf der unvermeidlichen Strahlungsabsorption beruhende Verlustwärme abführt, um Betriebs­ störungen aufgrund thermischer Verformungen des Laserspiegels 11 zu vermeiden.

Grundsätzlich kann auch vorgesehen sein, den aus den einzelnen Wafer- Segmenten 16 zusammengeschweißten Laserspiegel 11 erst anschließend, beispielsweise erst für die abschließende Polier-Endbearbeitung der Spiegelfläche 20 auf die Trägerkonstruktion 12 aufzubringen.

Claims (10)

1. Großflächiger Hochenergie-Laserspiegel (11), insbesondere polierter Halbleiterspiegel, gekennzeichnet durch eine lückenlos-mosaik­ artige Gruppierung von auf stumpfen Stoß miteinander verschweißten Wafer-Segmenten (16) auf einer Trägerkonstruktion (12).

2. Laserspiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente (16) zugeschnittene, in der Halbleiter-Technologie handelsübliche Silizium-Wafer sind.

3. Laserspiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente (16) dünne Beryllium-Platten sind.

4. Laserspiegel nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Trägerkonstruktion (12) aus faserver­ stärktem Verbundkunststoff mit einer Tragplatte (15) und Ver­ steifungs-Rippen (14) auf ihrer der Spiegelplatte (13) abgewandten Tragplatten-Seite.

5. Laserspiegel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die miteinander verschweißten Stoßfugen (17) der Spiegel- Segmente (16) über kanalförmigen Vertiefungen (23) in der Trag­ fläche (22) einer Tragplatte (15) verlaufen.

6. Verfahren zum Herstellen eines großflächigen Hochenergie-Laser­ spiegels, insbesondere eines polierten Halbleiter-Spiegels, dadurch gekennzeichnet, daß lückenlos-mosaikartig zugeschnittene Halbleiter-Segmente längs ihrer Stoßfugen im stumpfen Stoß miteinander verschweißt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente über ihre Materialstärke im Wege des Laser- Schweißens miteinander verbunden werden.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente über ihre Materialstärke im Wege des Elektronen­ strahl-Schweißens miteinander verbunden werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente längs ihrer Stoßfugen über Vertiefungen in einer Tragplatte für die Segmente miteinander verschweißt werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelfläche des aus miteinander verschweißten Segmenten erstellten Spiegels zunächst zumindest im Bereiche eines vor­ stehenden Schweißnaht-Wulstes mechanisch-abtragend überarbeitet wird, woraufhin die Spiegelfläche poliert wird.