DD290722A5

DD290722A5 - Strahlungsfestes reflektierendes optisches element

Info

Publication number: DD290722A5
Application number: DD33624789A
Authority: DD
Inventors: Wilfried Pfeiffer
Original assignee: Adw Der Ddr,De; Adw,Zi F. Optik Und Spektroskopie,De
Priority date: 1989-12-22
Filing date: 1989-12-22
Publication date: 1991-06-06

Abstract

Die Erfindung betrifft ein strahlungsfestes reflektierendes optisches Element, das vorzugsweise in der Lasertechnik, insbesondere als Scannerspiegel, sowie in optischen Systemen von Geraeten fuer die Raumfahrttechnik anwendbar ist. Ein derartiges optisches Element ist als Mehrkomponentensystem ausgebildet, gekennzeichnet durch den Verbund eines metallischen Spiegelkoerpers mit einem Spiegeltraeger aus einem anorganisch-nichtmetallischen Werkstoff als Stabilisierungskomponente. Bevorzugte Materialien fuer den Spiegeltraeger sind Email oder Keramik. Der Spiegelkoerper kann z. B. aus Kupfer oder Aluminium sein. Bei einem Element mit integriertem Kuehlsystem weist der Spiegeltraeger auf der dem Spiegeltraeger (1) abgewandten Seite eine erhabene, beispielsweise maeander- oder stegfoermige Struktur (5) auf. Diese Struktur ist von einem peripheren Ring (6) umgrenzt und von einer vorzugsweise metallischen Scheibe (7) abgedeckt, derart, dasz Kuehlkanaele (8) gebildet sind. Dieses Kuehlsystem hat einen Kuehlmitteleintritt (9) und -austritt * Fig. 3{Lasertechnik; Scannerspiegel; Mehrkomponentensystem; metallischer Spiegelkoerper; Kupfer; Aluminium; nichtmetallischer Spiegeltraeger; Stabilisierungskomponente; Email; Keramik; integriertes Kuehlsystem}

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein strahlungsfestes reflektierendes optisches Element, das vorzugsweise in der Lasertechnik, insbesondere als Scannerspiegel, sowie in optischen Systemen von Geräten für die Raumfahrttechnik anwendbar ist.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Bekannt sind verschiedene als Ein- oder Mehrkomponentensystem ausgebildete reflektierende optische Elemente, die in der Lasertechnik bzw. im optischen Gerätebau eingesetzt werden.

Als Laseroptik werden vorzugsweise Silizium- und Metallspiegel verwendet. Die Wahl des Substratmaterials ist abhängig von seiner Wärmeleitfähigkeit, der Leistung und der Leistungsdichte des Laserstrahls und den Umweltbedingungen, bei denen die Spiegel eingesetzt werden sollen.

Silizium-Spiegel können für cw-Laserleistungen bis über 1 kW/cm² eingesetzt werden. Sie sind allerdings sehr stoßempfindlich und haben unbeschichtet einen geringen Reflexionsgrad. Beschichtete Si-Spiegel weisen zwar ein hohes Reflexionsvermögen auf, sind aber nicht sehr strahlungsfest.

Kupfer ist auf Grund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit an sich gut geeignet als Spiegelmaterial für Multi-kW-Laser. Ohne Beschichtung widerstehen Cu-Spiegel sehr hohen Energiedichten in gepulsten Lasern. Bekannt sind auch Kupfer-Nickel-Spiegel mit Goldbeschichtung. Diese Spiegel bestehen aus einer polierten Nickelschicht auf einem Kupfersubstrat. Zur Erhöhung des Reflexionsvermögens ist eine Goldschicht aufgedampft.

Derartige Spiegel eignen sich für den Einsatz in gepulsten CO_rLasorn bis etwa 50 MW/cm² oder für cw-Leistungen von bis zu einigen hundert Watt/cm².

(siehe „Infrarot-Katalog" der Fa. L.O.T. GmbH., Damstadt, BRD)

Als Scannerspiegel für höhere Frequenzen bis 200Hz und Bestrahlungsleistungen > 10KW/cm² sind reine Cu-Spiegel und Cu-Ni-Au-Spiegel wegen ihrer großen Masse nicht anwendbar. Verringert man die Masse, so ist die erforderliche große Biegesteifigkeit nicht mehr gegeben. Aluminiumspiegel haben zwar eine geringe Masse, ein gutes Wärmeleitvermögen und einen hohen Reflexionsgrad, sind aber wegen der Weichheit des Materials mechanisch nicht stabil.

Auch Molybdän-Spiegel werden in der Lasertechnik eingesetzt. Sie sind unter schwierigsten Umweltbedingungen einsetzbar, besitzen jedoch ein relativ geringes Reflexionsvermögen und eine schlechtere Wärmeleitung als Cu-Spiegel (Literatur a. a.O.).

Bekannt ist ein Spiegel, der zur Sammlung von Solarenergie, zur Laserreflexion sowie zur optischen Kommunikation auf der Erde

und Im Weltraum verwendbar sein soll und aus einer Grundplatte aus kohlefaserverstHrktem kohlenstoffhaltigem oderglaaimprägniertem kohlefaserverstärktem kohlenstoffhaltigem Werkstoff und einer auf dieser Grundplatte aufgebrachten

Spiegelglasschicht besteht. Auf der freien Oberfläche der Spiegelglasschicht kann eine Metallschicht ausgebildet sein (DE-OS 3819011, GO 2 B, 5/08). Die Verbindung der Spiegelglasschicht mit der Grundplatte erfolgt im Warmpreßverfahren unter Vakuum oder mittels eines

organischen oder anorganischen Klebstoffe.

Wie aus der Erfindungsbeschreibung ersichtlich, ist die Herstellung der Grundplatte äußerst aufwendig. Überdies können sich

wegen der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des kohlefaserverstärkten kohlenstoffhaltigen Werkstoffsund des Spiegelmaterials Grundplatte und Spiegelglasschicht voneinander lösen, wenn sie wiederholt

Temperaturschwankungen ausgesetzt sind, was in der praktischen Anwendung durchaus der Fall sein kann. Bekannt ist auch ein optischer Hohlspiegel in Schichtbauweise für optische Geräte, beispielsweise Spiegelteleskope oder Spektrographen (DE-OS 2628418, GO 2 B, B/10). Den Spiegelträger bildet eine mechanisch stabile Konstruktion, z.B. aus Prozellan. Der eigentliche Spiegel(körper) besteht aus Zerodur o. ä. Material. Die Verbindung von Spiegelträger und Spiegel geschieht durch einen Kitt oder durch eine mehrere Millimeter starke elastische Kleberschicht, durch die Unterschiede in der Wärmeausdehnung ausgeglichen werden sollen. Eine derartige Lösung ist für Anwendungen in der Lasertechnik nicht geeignet. Bekannt Ist ferner ein heizbarer Spiegel mit einem eine Reflexionsschicht aufweisenden Träger, auf dessen Rückseite ein Heizleiter aufgebracht ist. Zum Schutz des Heizleiters gegen Korrosion ist dieser von einer etwa 10 bis 20Mm dicken Emailleschicht abgedeckt (DE-PS 3309024, GO 2 B, 5/08). Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung Ist es, ein reflektierendes optisches Element verfügbar zu haben, dessen Eigenschaften seinen Einsatz in der Hochleistungslasertechnik, insbesondere als Scannerspiegel, sowie in optischen Geräten für die Raumfahrttechnik erlaubt.

Darlegung des Wesens der Erfindung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein strahlungsfestes reflektierendes optisches Element zu schaffen, ausgebildet als Mehrkomponentensystem mit einer Stabilisierungskomponente, das bei geringer Masse eine große Stabilität bei großen Beschleunigungen aufweist sowie eine gute Wärmeableitung und Kühlung ermöglicht. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß

gelöst durch den Verbund eines metallischen Spiegelkörpers mit einem Spiegelträger aus einem anorganisch-nichtmetallischen

Werkstoff als Stabilisierungskomponente. Bevorzugte Materialien für den Spiegelträger sind Email und keramischer Werkstoff, insbesondere MgO-Keramik mit einem Ausdehnungskoeffizienten von 15 · 10"⁹K"¹. Es ist möglich, einen wärmeleitfähigen Füllkörper, z. B. Metallpulver, in den Werkstoff des Spiegelträgers einzubetten. Dies

gestattet auch die weitere Anpassung der Ausdehnungskoeffizienten der Komponenten. Bevorzugte Metalle für den

Spiegelkörper sind Kupfer und Aluminium. Dabei kann die Spiegelfläche in bekannter Weise mit einem hochreflektierenden Material, beispielsweise Gold, beschichtet sein. Die Spiegelfläche des Spiegelkörpers kann je nach Anwendungserfordernis eben oder gekrümmt, glatt oder strukturiert

(optisches Gitter) sein.

Für den Aufbau eines erfindungsgemäßen optischen Elementes werden einige ausgewählte Materialpaarungen für Spiegelträger und Spiegelkörper vorgeschlagen. Dabei ist grundsätzlich davon auszugehen, daß die Komponenten joweils in ihrem Wärmeausdehnungskoeffizienten angenähert

sind, um bei thermischer Belastung des optischen Elementes den sog. „Bimetalleffekt* und damit Rißbildungen zu vermeiden.

Wird für den Spiegelkörper Email verwendet, so muß dessen Wärmeausdehnung prinzipiell etwas kleiner sein als die des Metalls

des Spiegelkörpers.

Bei einem optischen Element nach der Erfindung mit einem Spiegelträger aus Email und einem Spiegelkörper aus Aluminium

haben die Komponenten nachstehende Zusammensetzung:

Email	20...30%
SiO₂	1...5%
B₂O₃	30...40%
R₂O	10...15%
BaO	O...4%
ZnO	O...4%
ZrO₂	25...30%
TiO₂

Ausdehnungskoeffizient 15.„17 · 10"⁶K"¹

Aluminium	96,5. ..99,5%
Al	0,2. ..1%
Si	0,1 ...0,5%
Mn	0,1 ...0,5%
Cu	0,5...2%
Mg

Ausdehnungskoeffizient 20...24 · 10"⁶K"¹.

Bei einem anderen erfindungsgemäßen Element, gleichfalls mit einem Spiegelträger aus Email, aber einem Spiegelkörper aus Kupfer, haben die Komponenten nachstehende Zusammensetzung:

Email	34.„55%	a 99,97%
SiO₂	Ο...12,5°;	< 0,001 %
Na₂B₄O₇	3...8%	< 0,002%
Na₂CO₃	1,5. „11%	< 0,002%
K₂CO₃	25.„40%	< 0,004%
Pb₃O₄	0...2,5%	< 0,002%
CaF₂	1 ...4%	< 0,003%
Na₃AIF₄	O.„2%	< 0,002%
Kalksalpeter	Ausdehnungskoeffizient 10..	< 0,003%
	Kupfer	< 0,001 %
Cu	< 0,003%
Bi	< 0,002%
Sb
As
Fe
Ni
Pb
Sn
S
O₂
Zn
P

Ausdehnungskoeffizient 16,5 · 10"⁶K"¹.

Weitere geeignete Komponenten für Materialpaarungen sind aus der Fachliteratur abzuleiten. Erwähnt seien noch zwei Metalle für den Spiegelkörper:

Aluminium-Legierung: Cu 2,25%

Mg 1,0%

Si 0,6%

Cr 0,25%

Al Rest

Ausdehnungskoeffizient ~ 21 · 10"^e K"¹

und	< 0,4%
Reinaluminium:	<0,3%
Fe	<0,05%
Si	<0,07%
Cu	< 0,05%
Zn	Rest.
Ti
Al

Der Spiegelträger eines erfindungsgemäßen optischen Elementes kann gleichzeitig als Kühlsystem ausgebildet sei·..

Bei einer einfachen Ausführungsform für Luftkühlung weist der Spiegelträger auf der dem Spiegelkörper abgewandten Seite eine erhabene, beispielsweise gitterförmige, Struktur auf.

Eine Ausführungsform des Spiegelträgers mit integriertem Kühlsystem für Durchflußkühlung ist zweckmäßigerweise wie nachstehend beschrieben ausgebildet. Der Spiegelträger weist auf der dem Spiegelkörper abgewandten Seite eine erhabene, beispielsweise mäander- oder stegförmige, Stuktur auf. Diese Struktur ist von einem peripheren Ring umgrenzt und von einer vorzugsweise metallischen Scheibe abgedeckt, derart, daß Kühlkanäle gebildet sind. Dieses Kühlsystem hat einen Kühlmitteleintritt und -austritt.

Zur Fixierung des optischen Elementes in einem Gerät sind auf der Rückseite des Spiegelkörpers Befestigungselemente

angebracht. Nachstehend seien einige Hinweise zur Herstellung strahlungsfester reflektierender Elemente nach der Erfindunggegeben.

Bei einem Element mit einer Stablllslerungskomponente aus Email wird auf eine für den Spiegeikörper vorgesehene Metallscheibe, z. B. aus Kupfer, in an sich bekannter Weise nach entsprechender Vorbereitung der zu emaillierenden Fläche Email aufgetragen und durch Erhitzen beide Komponenten miteinander verbunden. Nach der Emaillierung wird der Spiegelkörper auf eine Dicke von 1 ...2mm abgedreht und anschließend die Oberfläche auf einer Ultrapräzisionsmaschine zur Spiegeloberfläche bearbeitet, auf die gegebenenfalls eine hochreflektierende Schicht, beispielsweise aus Gold, aufgedampft

wird. Auf die Rückseite des Email-Spiegelträgers können metallische Befestigungselemente aufemailliert werden.

Der Spiegelträger aus Email kann vollflächig, aber auch in Form einer erhabenen Struktur, z, B. gitter-, mäander- odor stegförmig

ausgeführt sein. Diese stabilisierende Struktur vergrößert gleichzeitig die Oberfläche und erhöht der Kühleffekt.

Eine derartige Struktur des Spiegelträgers wird dadurch erreicht, daß auf die Rückfläche des metallischen Spiegelkörpers Emailpulver aufgebracht ι mittels Laserstrahlung die gewünschte Konfiguration der Stabilisierungskomponente erzeugt Wird eine solche z. B. stegförmige erhabene Struktur von einem peripheren Ring umgrenzt (der auf gleiche Weise anemailliert

sein kann), mit einer Scheibe abgedeckt und mit Ein- und Austrittsöffnung versehen, erhält man ein mit dem Spiegelträgerintegriertes, Kühlkanäle aufweisendes Kühlsystem für Durchflußkühlung.

Bei einem optischen Element mit einer Stabilisierungskomponente aus keramischem Werkstoff, vorzugsweise MgO-Keramik,

wird auf dem nach an sich bekannten Verfahren vorgefertigten keramischen Spiegelträger, der nach erfindungsgemäßer Lehreeine ebene, aber auch eine für die Ausbildung eines integrierten Kühlsystems strukturierte Rückseite aufweisen kann, dermetallische Spiegelkörper in bekannter Weise galvanisch aufgebracht, Die Endbearbeitung der Spiegelfläche geschieht nachgleicher Horstellungstechnologie, wie für ein Element mit Email-Spiegolträger,

Aus'ührungsbeispiel Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnungen zeigen

Fig. 1: Draufsicht (a) und Seitenansicht (b) eines optischen Elementes nach der Erfindung mit vollflächigem Spiegelträger, Fig. 2: Draufsicht (a) und Seitenansicht (b) eines optischen Elementes mit erhaben strukturiertem Spiegelträger, Fig. 3: Draufsicht ohne Deckel (a) und Seitenansicht (b) eines optischen Elementes mit integriertem Kühlsystem für Durchflußkühlung.

Die In Fig. 1 gezeigte Ausführungsform einfacher Art eines erfindungsgemäßen strahlungsfesten reflektierenden optischen Elementes besteht aus einem Spiegelkörper 1 aus Kupfer, der durch einen aufgeschmolzenen Email-Spiegelträger 2 mechanisch verstärkt ist, wodurch die Biegesteifigkeit des optischen Elementes wesentlich erhöht wird. Zur Manipulierung kann der fertig bearbeitete Spiegel in eino Fassung eingesteckt werden oder auf seiner Rückseite mit einem aufemaillierten Befestigungselement für die Aufnahme in einem Gerät versehen sein. Bei höherer Strahlungsleistung muß der Spiegel gekühlt werden. Es kann Luftkühlung vorgesehen sein.

Zu diesem Zweck ist, wie aus Fig. 2 ersichtlich, der Spiegelträger 2 als gitterförmige Stützkonstruktion A aus Email auf der Rückseite eines Spiegelkörpers 1 aus Kupfer aufgebracht. Auf diese Weise bleibt einTeil der Rückseite des Spiegelkörpers 1 frei zur Wärmeabstrahiung. Die Emailstruktur als tragende Stabilisierungskomponente hat eine große Oberfläche, was die Wärmeabgabe wesentlich begünstigt. Auf die äußeren Kanten der Gitterstruktur kann ebenfalls ein Befestigungselement aufemailliert sein.

Bei dem optischen Element nach Fig.3 ist der den kupfernen Spiegelkörper 1 stabilisierende Spiegelträger 2 als Kühlsystem für Durchflußkühlung gestaltet. Die auf die Rückseite des Spiegelkörpers 1 aufgetragene erhabene stegförmige Struktur 5 aus Email ist von einem peripheren Ring 6 umgrenzt und mit einem Deckel 7 abgedeckt, so daß Kühlkanal ° gebildet sind. Dieses Kühlsystem weist einen Kühlmitteleintritt 9 und -austritt 10 auf und kann so von einem gasförmigen oder flüssigen Kühlmedium durchströmt werden.

Claims

1. Strahlungsfestes reflektierendes optisches Element, ausgebildet als Mehrkomponentensystem, gekennzeichnet durch den Verbund eines metallischen Spiegelkörpers (1) mit einem Spiegelträger (2) aus einem anorganisch-nichtmetallischen Werkstoff als Stabilisierungskomponente.

2. Optisches Element nach Anspruch 1, dadurrh gekennzeichnet, daß der Spiegelträger (2) aus Email besteht.

3. Optisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegelträger (2) aus keramischem Werkstoff besteht.

4. Optisches Element nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Werkstoff für den Spiegelträger (2) MgO-Keramik mit einem Ausdehnungskoeffizienten von 15 · 10"⁶K"¹ verwendet wird.

5. Optisches Element nach Anspruch 1 und einem de. Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Werkstoff des Spiegelträgers (2) ein gut wärmeleitfähiger Füllstoff, ζ. Β. Metallpulver, eingebettet ist.

6. Optisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegelkörper (1) aus Kupfer besteht.

7. Optisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegelkörper (1) aus Aluminium besteht.

8. Optisches Element nach Anspruch 1,6oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegelkörper (1) mit einem hochreflektierenden Material, beispielsweise Gold, beschichtet ist.

9. Optisches Element nach Anspruch 1, 2 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegelträger (2) aus einem Email nachstehender Zusammensetzung besteht:

mit einem Ausdehnungskoeffizienten von 15... 17 · 10 ⁶K"¹ und der Spiegelkörper (Daus Aluminium mit nachstehender Zusammensetzung besteht:

miteinem Ausdehnungskoeffizienten von 20... 24 · 10 ⁶K \

10. Optisches Element nach Anspruch 1, 2 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegelträger (2) aus einem Email nachstehender Zusammensetzung besteht:

SiO₂ 34... 55%
Na₂B₄O₇ O...12,5%

Na₂CO₃ 3...0%

K₂CO₃ 1,5... 11%

Pb₃O₄ 25... 40%
CaF₂ O...2,5%

Na₃AIF₆ 1...4%

Kalksalpeter O...2%

Mit einem Ausdehnungskoeffizienten von 10... 15 · 10"⁶K"¹ und der Spiegelkörper (1) aus Kupfer mit nachstehender Zusammensetzung besteht:

mit einem Ausdehnungskoeffizienten von 16,5 · 10 ⁶K \

11. Optisches Element nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegelträger (2) gleichzeitig als Kühlsystem ausgebildet ist.

12. Optisches Element nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegelträger (2) auf der dem Spiegelkörper (1) abgewandten Seite eine erhabene, beispielsweise gitterförmige, Struktur (4) aufweist.

13. Optisches Element nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegelträger (2) auf der dem Spiegelkörper (1) abgewandten Seite eine erhabene, beispielsweise mäander- oder stegförmige Struktur (5) aufweist, umgrenzt von einem peripheren Ring (6) und abgedeckt von einer vorzugsweise metallischen Scheibe (7), derart, daß Kühlkanäle (8) gebildet sind und daß dieses Kühlsystem einen Kühlmitteleintritt (9) und -austritt (10) hat.

14. Optisches Element nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Rückseite des Spiegelträgers (2) Befestigungselemente (3) angebracht sind.