DE4236355C2 - Adaptiver Membranspiegel - Google Patents
Adaptiver MembranspiegelInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen adaptiven Membranspiegel mit
einem Aktuator und mit einer kreisrunden Scheibe als
Membran.
Aus M. Bea et al., DE-Z. Laser und Optoelektronik 21
(1989), S. 60-66 (Bild 8-10, Kap. 4.2) ist ein
gattungsgemäßer Membranspiegel bekannt, ausgeführt als
ringsum fest eingespannte Kreisplatte aus Kupfer, die
einseitig unter hydraulischem Druck steht, welcher durch
ein Ventil gesteuert werden kann. Die Verwendung zur
Kompensation der in Laseraufbauten auftretenden thermischen
Linse wird beschrieben. In einem inneren Bereich entspricht
die Form der Membran in guter Näherung einer Sphäre, die
Krümmung ist jedoch zum Rand hin durch die feste
Einspannung zwangsläufig nicht konstant.
In der DE 40 29 075 C1 ist ein Membranspiegel ebenfalls
ringsum fest eingespannt. Mittig ist ein Zugstab
angebracht, der über ein Einstellgewinde oder durch
parallele Aktion dreier Piezoelemente axial ausgelenkt
werden kann. Durch unterschiedliche Ansteuerung der drei
Piezoelemente kann auch eine Verkippung des Spiegels
erzeugt werden. Sphärische Form des Spiegels wird nicht mit
hoher Genauigkeit und auf einem großen Teil des
Querschnitts erreicht, da die zentrale Kraft, die
Befestigung des Zugstabs an der Membran und das feste
Einspannen Störungen bewirken.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen gattungsgemäßen
Membranspiegel bereitzustellen, der für einen großen
Einstellbereich der Radien auf einem möglichst großen
zentralen Bereich minimale Abweichung von der sphärischen
Form zeigt, bei einfachem Aufbau und ohne die Notwendigkeit
der Verwendung von Fluiden.
Weiter ist es eine Aufgabe, einen Laser anzugeben mit
effektiven Mitteln zur Kompensation der thermischen Linse.
Die Lösung gelingt dadurch, daß die Membran konzentrisch
zwischen zwei konzentrische Ringschneiden eingespannt ist
und ein Aktuator zur axialen Relativverschiebung der beiden
Ringschneiden vorgesehen ist.
Vorteilhafte Ausführungen der Membran sind planparallel
oder für kleinere Spiegelradien auch konzentrisch
konkavkonvex sphärisch ausgebildet.
Als Material eignet sich besonders monokristallines
Silizium und die einfache Verfügbarkeit derartiger
Membranen ergibt sich in Form der Wafer aus der
Halbleiterfertigung.
Als Aktuator eignet sich besonders ein piezoelektrisches
Stellelement.
Ein erfindungsgemäßer Membranspiegel zeichnet sich
insbesondere dadurch aus, daß auf mehr als zwanzig Prozent
des Durchmessers der kleineren Ringschneide die
Membranoberfläche mit einstellbaren Radien von unendlich
bis herab zu rund einem Meter mit einer relativen
Radiusabweichung unter einmal zehn hoch minus neun
sphärisch gekrümmt ist.
Die Kompensation der thermischen Linse bei einem Laser
gelingt nach Anspruch 6 in vorteilhafter Weise durch den
Einbau eines erfindungsgemäßen Membranspiegels.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt.
Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Membranspiegel
in einem Laser;
Fig. 2 zeigt die Rest-Abweichung des
Membranspiegels von einer idealen Sphäre an
einem Beispiel.
Die kreisförmige Membran (1) mit einer Verspiegelung (11)
ist eingespannt zwischen gegenüberliegenden, konzentrischen
Ringschneiden (2) und (3).
Die innere Ringschneide (3) ist mit dem Gehäuse (5)
vereinigt, welches eine zentrale Bohrung (51) für den
Lichtweg zur Verspiegelung (11) aufweist und ein
piezoelektrisches Stellelement (6) als Aktuator umfaßt,
welches abhängig von angelegten Spannungen das Teil mit der
äußeren Ringschneide (2) axial verschiebt.
Vorteilhaft ist ein zwischen Aktuator (6) und dem Teil mit
der Ringschneide (2) angeordnetes Gelenk (4), welches eine
gleichmäßige rein axiale Belastung der Membran (1) sichert.
Je nach Stellung der Ringschneiden (2) und (3) bildet der
durch die Bohrung (51) zugängliche Teil der Membran (1)
einen sphärischen Konkavspiegel mit Krümmungsradien von
unendlich bis zu etwa 1 Meter.
Die Membran (1) ist normalerweise im entlasteten Zustand
eine planparallele Platte. Insbesondere für relativ geringe
Radien auch unter einem Meter ist es jedoch vorteilhaft,
die Membran (1) konzentrisch konkavkonvex sphärisch
auszubilden.
Die Membran (1) mit der Verspiegelung (11) bildet einen
Endspiegel eines Lasers mit Laserstab (7), Pumplichtquelle
(8) und Auskoppelspiegel (9).
Ein Strahlteiler (10), Fotodetektor (12) und
Regelelektronik (13) ermöglichen es, an den
piezoelektrischen Aktuator (6) eine geregelte Spannung
derart anzulegen, daß die Laserleistung stabil geregelt
wird. Effekte der thermischen Linse durch Veränderung des
Laserstabs durch die Erwärmung im Betrieb werden so
kompensiert. Diese Elemente des Lasers und des Regelkreises
sind bekannt und brauchen hier nicht näher beschrieben zu
wer den.
Der adaptive Membranspiegel ist jedoch auch außerhalb eines
Lasers und eines Regelkreises für die thermische Linse
brauchbar.
Wird die Position der großen und der kleinen Ringschneide
(2, 3) gerade vertauscht, so ergibt sich ein Konvexspiegel.
Vorteilhaft läßt sich als Membran (1) ein 3-Zoll Wafer aus
kristallinem Silizium im 111-Schnitt mit 320 µm Dicke
verwenden, der einseitig poliert ist und somit in
Verbindung mit einer hochreflektierenden Schicht als
Spiegel wirkt. Die innere Ringschneide (3) hat 40 mm
Durchmesser, die äußere Ringschneide (2) hat 50 mm
Durchmesser.
Auf 20 mm Durchmesser, konzentrisch zur Achse des Wafers
ergibt sich eine sphärische Form mit Radien von 1000 mm bis
3500 mm und größer.
Fig. 2 zeigt, dargestellt in Zylinderkoordinaten z, r in
einem Koordinatensystem mit der z-Achse auf der optischen
Achse der Fig. 1, die Auslenkung z der Membran (1) als
Funktion des Radius r in der Tangentialebene, und die
Abweichung Δz von der idealen sphärischen Form, als
Ergebnis der Finite-Elemente-Rechnung für einen
Sphärenradius von 1377 mm. Bis zu einem Radius von 23 mm
bleibt die Abweichung von der Sphäre bei
2,3 nm rms. Für einen Spiegelradius von 10 mm liegt der rms-
Fehler sogar unter 0,05 nm. Die Übereinstimmung mit der
Idealform ist also für lichtoptische Zwecke vollständig.
Für die Membran (1) eignen sich nicht nur kristalline
Werkstoffe, sondern z. B. auch Glas.
Claims (8)
1. Adaptiver Membranspiegel mit einem Aktuator (6) und
mit einer kreisrunden Scheibe als Membran (1), dadurch
gekennzeichnet, daß die Membran (1) konzentrisch
zwischen zwei konzentrischen Ringschneiden (2, 3)
eingespannt ist und der Aktuator (6) zur axialen
Relativverschiebung der beiden Ringschneiden (2, 3)
vorgesehen ist.
2. Membranspiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Membran (1) eine planparallele zylindrische
Scheibe ist.
3. Membranspiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Membran (1) konzentrisch konkavkonvex
sphärisch ausgebildet ist.
4. Membranspiegel nach mindestens einem der Ansprüche 1
bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (1) aus
monokristallinem Silizium gefertigt ist.
5. Membranspiegel nach mindestens einem der Ansprüche 1
bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (1) ein
aus der Halbleiterherstellung verfügbarer Wafer ist.
6. Membranspiegel nach mindestens einem der Ansprüche 1
bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktuator (6)
ein piezoelektrisches Stellelement ist.
7. Membranspiegel nach mindestens einem der Ansprüche 1
bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die
Membranoberfläche auf mehr als 20% des Durchmessers
der kleineren Ringschneide (2) mit einer relativen
Radiusabweichung unter 1 × 10-9 sphärisch gekrümmt ist
mit einstellbaren Radien von unendlich bis herab zu
rund 1 Meter.
8. Laser mit Resonatorspiegeln (1, 9), dadurch
gekennzeichnet, daß mindestens ein Resonatorspiegel
(1) die Merkmale mindestens eines der Ansprüche 1 bis
7 aufweist.
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- 1992-10-28 DE DE19924236355 patent/DE4236355C2/de not_active Expired - Fee Related
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