DE19730739C2

DE19730739C2 - Process for the production of laser mirrors

Info

Publication number: DE19730739C2
Application number: DE1997130739
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr Rer Nat Loeschau; Reinhard Dr Rer Nat Lenk; Siegfried Dipl Ing Scharek; Michael Dipl Ing Teichgraeber; Claus Dipl Ing Richter; Steffen Dr Ing Nowotny
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1997-07-17
Filing date: 1997-07-17
Publication date: 1999-06-02
Anticipated expiration: 2017-07-18
Also published as: DE19730739A1

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.The invention relates to a method for manufacturing of laser mirrors. Such laser mirrors become Forming, redirecting and focusing the laser beam tion, in particular of power lasers for the mate rial processing and surface finishing used. Depending on the application, a wide variety of shapes, like plane mirrors, spherical mirrors but also others relatively complicated toroidal, conical or polygonal shapes men can be used. Such laser mirrors can once fixed in space, but adjustable, relatively slow, as a scanner mirror very quickly with frequencies up to 300 Hz or as a rotating mirror with a speed of approx. 50000 rpm.

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.Such power lasers are e.g. B. CO ₂ lasers that emit light with a wavelength λ = 10.6 µm or Nd-YAG lasers that emit light beams with a wavelength λ = 1.06 µm.

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.The fixed or slow moving lasers mirrors exist in conventional form for performance laser in the kW range from a metallic mirror carrier with integrated or attached heat sink, through which water or oil cooling takes place. In the Usually copper or aluminum, because of their good thermal conductivity. For lasers in low power ranges is the use of Laser mirrors made of a glass or Si single crystal and with scanner laser mirrors these are for reduction the mass made of a glassy carbon. Sol Che scanner mirrors can be caused by air in front the or the back is passed, who is cooled the.

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.The body of such a laser mirror is on his Mirror support surface polished and then with a highly reflective layer (e.g. gold, Cu, Al) Mistake. As a rule, layer thicknesses are from 0.1 µm sufficient. If copper is used, the mirror can carrier at the same time as a reflective layer be used.

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.Additional reflective layers can be added Protective layers made of organic materials be brought. Also have been in the recent past diamond-like carbon layers (DLC) brought, which at the same time protection against chemical a offer effect and wear.

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.High demands are placed on the actual mirror support layer of such a laser mirror, in particular on the surface quality, and there are average surface roughness R _a ≦ 6 nm and deviations from the flatness that are at least smaller than λ / 10 of the wavelength of the laser beam with a mirror diameter of 80 mm required.

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.It is obvious that scanner mirrors are very should have small mass to the inertia keep small at the very high scanning frequencies can. But the requirement of one is sufficient accordingly high strength.

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.But also with relatively slowly moving laser mirrors these properties are required, with the mirroring, as is also the case with the permanently installed ten laser mirrors is a relatively small one coefficient of thermal expansion is desired.

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.The required rigidity and strength is in the essentially determined by the fact that it is in the formwork coolant to pressure peaks up to 6 bar com that can lead to bending. The Deflection is the reverse of the modulus of elasticity and the third th power proportional to the thickness of the mirror support. Since, as already described, a relatively small mas se is required for such a laser mirror the thickness cannot be increased indefinitely to the Keep deflection small.

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.Although the reflective layers are of high quality Act can be applied and therefore only a ge low proportion of the laser radiation is absorbed, Tempera occurs especially with power lasers door increases in the range of some 10 K, which correspond to according to the coefficient of thermal expansion of the carrier terials lead to local deformations that the Influence beam quality in an undesirable way.

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.Laser mirrors made of copper have good heat conductivity, but have with aluminum a smaller thermal conductivity a higher mass. In contrast, there is the smaller modulus of elasticity of 70.6 GPa for aluminum compared to the modulus of elasticity for copper of 129 GPa. These two metals also have one relatively large coefficient of thermal expansion, so that the cooling effort is relatively high, the metalli commonly used to date laser mirror a compromise with respect to Mas represent rigidity and cooling effect.

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.Ven GOELA J. S. u. a .: is 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 pointed out wor that silicon carbide due to its mechanical and thermal properties for a wide variety Mirror is a suitable material, however, by Sintered bodies do not have sufficient op table surface properties. This The disadvantage of applying SiC with a CVD process or the production of such Mirror can be countered solely from CVD-SiC. This process is relatively time-consuming, because übli relatively low deposition rates can be achieved that can. In addition, the system is technical wall relatively high and can not any and be particularly complicated shapes evenly stratified or even a complicated body that too Must have cavities for cooling, alone in CVD processes are produced.

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.The application of reflective layers on one CFC or CMC support structure is in DE 42 07 009 A1 and the additional application for this, DE 43 29 551 A1 described. The formed from different fibers Support structures should have Sili on their surface zium, but also with other reflective elements or compounds are coated so that a reflective or reflective layer get who that can. The strength of a game made in this way gels is therefore based almost exclusively on the ver used support structure, but depending on the ver used fiber components with respect to the Temperature resistance, or thermal expansion coefficient of a bet over a larger one Temperature range affected, bring with it. In addition, the use is also in DE 42 07 009 A1 addressed by glass ceramics as a mirror material, the use because of the elaborate shape practice is limited to the simplest forms.

Laserspiegel aus anderen, als den oben erwähnten Ma terialien sind bisher nicht bekannt.Laser mirrors from other than the above mentioned Ma materials are not yet known.

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.It is therefore an object of the invention to provide one possibility to create with the laser mirror with relatively little high mass, high thermal conductivity, small thermi expansion coefficients, high rigidity and sufficient strength provided that can.

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.According to the invention, this object is achieved with the features of claim 1 solved. Advantageous design tion forms and developments of the invention deal with the features in the subordinate claims 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.According to the invention, the procedure is such that a homogeneous Ke containing non-oxide silicon ceramic powder in the end for the laser mirror desired shape in the appropriate dimensions brought. It can be a conventional one Shaping processes are applied, there is but also the possibility of the laser mirror green body through selective laser sintering additive in layers build up.

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.The molded body in the conventional way heat treatment is then obtained at temperatures above 800 ° C in oxidizing At subjected to the atmosphere and thus achieves a sufficient level Green strength.

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.With selective laser sintering, an additional che heat treatment can be dispensed with because of the heat Entry by the laser beam, which preferably crosses twice over the layer-specific surface areas of the various individual layers leads, can be achieved.

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.For heat treatment or selective lasers sintering forms temporary binding phases between the individual powder grains of silicon and / or System Si-O-N in situ, so that a sufficient Green strength can be achieved.

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.The green body obtained as already described is then infiltrated with a metal, whereby preference is given to using metals that are sufficient Allow adequate high wettability of the green body.

Bei relativ geringer Benetzbarkeit des für die Infil tration verwendeten Metalles kann dieser Vorgang durch eine Druckbeaufschlagung unterstützt werden.With relatively little wettability for the infil Tration used metal can this process be supported by pressurization.

Neben Aluminium hat sich insbesondere sehr vorteil haft Silizium zur Verwendung bei der Infiltration herausgestellt.In addition to aluminum, it has been particularly advantageous adheres silicon for use in infiltration exposed.

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.The infiltration should conveniently be in vacuum and when using silicon at temperatures between rule 1410 and 1800 ° C, preferably at 1600 ° C be performed.

Als Ausgangsmaterial können herkömmliche, handelsüb lich erhältliche SiC- oder Si₃N₄-Pulver ohne weiteres auch unter Verzicht der üblicherweise beim Sintern erforderlichen Sinterhilfsmittel eingesetzt werden. As the starting material, conventional, commercially available SiC or Si ₃ N ₄ powders can also be used without the sintering aids normally required for sintering.

Das verwendete Pulver sollte gut rieselfähig und eine mittlere Körnung im Bereich zwischen 10 und 250 µm aufweisen.The powder used should be free flowing and one average grain size in the range between 10 and 250 µm exhibit.

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.The green body is made using selective laser sintering should be a powder with a medium Grain below the respective layer thickness Layer can be used. A Pul is cheap ver with an average grain size between 10 and 40 µm to use.

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.During the infiltration, the temporary connective tissue in components of the material of the finished La mirrored without changing its properties ten are adversely affected.

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.It is advantageous if the green body before the In filtration is mixed with carbon. This can for example by soaking with a thermoreacti ven plastic can be achieved. This allows during the infiltration formed in the material secondary SiC become.

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.In addition to the possibility of selectively using the green body vem laser sintering on a steel base plate Building up neratively has proven to be an advantage issued the green body on a silicon sub to build strat, which together with the green body in an oven that can be evacuated can be given. At sufficiently high temperatures, the substrate material used for infiltration and it can on the Detachment of the finished green body from the metallic one Base plate can be dispensed with.

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.The selective laser sintering is preferably carried out with a CO ₂ laser, since its light has a wavelength which is highly absorbed by the starting powder, so that the energy yield is relatively high. The laser process parameters can be set so that the powder grains are at least partially crushed, so that a toothing is achieved which increases the green strength in addition to the strength that can be achieved with the temporary binding phase.

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.The laser power can lie in the range of approx. 45 W. gene, the laser beam can have a diameter between between 0.3 and 0.6 mm and the Ge speed at which the laser beam is deflected will be in the range of approx. 200 to approx. 300 mm / s.

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.With selective laser sintering, almost bige forms of such a manufactured according to the invention laser mirror, also with undercuts, In seln and inner cavities, for example as Cooling channels can be formed, who manufactured the.

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.A laser mirror manufactured according to the invention has a small mass and nevertheless a sufficiently high rigidity and strength. The mirror support surface to be provided with the reflective layer can be mechanically reworked, so that a sufficient surface quality with an average roughness R _a ≦ 10 nm and deviations from the flatness <λ / 10 within _a mirror extension of 100 mm can easily be achieved. On the surface smoothed by grinding, lapping and polishing, the highly reflective layer or such a layer system can be applied in a conventional manner without cracks and with stable adhesion.

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.The laser mirrors produced according to the invention can especially because of their cheaper thermal egg properties compared to the conventional way used starting materials, preferably for solid in installed or slowly moving laser mirror turned on be set.

Durch die relativ kleine Masse sind die Laserspiegel aber auch als schnell bewegte Scannerspiegel ohne weiteres vorteilhaft einsetzbar.Due to the relatively small mass, the laser mirrors are but also as a fast moving scanner mirror without can also be used advantageously.

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.The inventive method further creates the Possibility, possibilities for attachment that Cooling and additional support in the main body integrate the laser mirror, already doing this can take place in the manufacture of the green body, so that subsequent joining processes are dispensed with can be. In addition to the connection options for Coolants can also be pressure and temperature sensors sensors connected or in the green body of the inventor integrated laser mirror according to the invention be.

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.With air-cooled laser mirrors, the actual one Mirror supports made with a small thickness from 1 mm and the back with ribs or a rib net work to increase rigidity and strength as well to increase the surface for heat convection and Heat radiation are formed.

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.In silicon infiltration, the proportion of influenced in the material infiltrated silicon become. This makes it possible for the respective application of such a laser mirror required properties against each other to opti lubricate. This primarily affects the mass Thermal conductivity and the temperature expansion coefficient efficient.

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.A finished laser mirror made of a SiSiC can Achieve mass density above 99% of the theoretical mass density. In this case received a high-strength material in which all Pores completely closed and ge with silicon are filling.

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.The density of such a material can be between 2.5 and 3.0 g / cm ³ . The main body of the laser mirror reaches an elastic modulus of above 200 GPa, the thermal conductivity is ≧ 70 W / mk and the thermal expansion coefficient is <4.5. 10 ^-6 K ^-1 . These details show that the laser mirror produced according to the invention is particularly advantageous in its properties from the known laser mirrors.

Nachfolgend soll die Erfindung an einem Ausführungs beispiel näher beschrieben werden.The invention is intended to be carried out in one embodiment example will be described in more detail.

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.The single figure shows a mirror support 1 for a laser to be manufactured according to the invention gel, on which four openings 2 , which can be used for fastening supply, are available.

Außerdem sind zwei Kühlwasseranschlüsse 3 an gegen überliegenden Seiten des Spiegelträgers 1 vorhanden.In addition, two cooling water connections 3 are provided on opposite sides of the mirror support 1 .

Der gesamte Spiegelträger 1 hat eine Länge von 55 mm, eine Breite von 35 mm und eine Höhe von ca. 11 mm.The entire mirror support 1 has a length of 55 mm, a width of 35 mm and a height of approximately 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.The mirror support has a 4.5 mm thick base plate 4 and a cover plate 5 with a thickness of 4.1 mm, which serves as a mirror support.

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.Inside the mirror support 1 , three parallel cooling channels 6 are formed, the middle of the cooling channels 6 in the middle of the mirror support 1 for effective heat dissipation with Gaussian-shaped intensity distribution, is arranged.

Zwischen den Kühlkanälen 6 sind Zwischenwände mit kreisbogenförmigem Profil als Stützen zur Erhöhung der Steifigkeit der Deckplatte 5 ausgebildet.Between the cooling channels 6 , partition walls with an arcuate profile are formed as supports for increasing the rigidity of the cover plate 5 .

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.For the production of the mirror support 1 , commercially available, pure SiC powder with an average grain size of 23 μm was used, which has been brought up in selective layer sintering in respective layer thicknesses of 50 μm. The layer thickness was adjusted using a doctor blade with which excess powder was removed.

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. After laser sintering, the green body obtained had no gross structural defects (cracks, delamination, deformation). No shrinkage, as usually occurs during the sintering of such ceramic raw materials, was also found. It was possible to ascertain a deviation of the dimensions of the finished mirror carrier 1 from the specification of the computer-controlled selective laser sintering of only 0.1 mm, these deviations being able to be compensated for with certainty.

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.A CO ₂ laser with a laser power of 45 W was used, the laser beam being focused on a laser beam diameter of 0.3 to 0.6 mm on the upper surface of the respective layer. The beam was deflected with an XY scanner at a deflection speed of 200 mm / s. The sintering was carried out in air in an oxidizing atmosphere, an argon-air mixture also being conceivable.

Der Grünkörper wurde im Anschluß daran mit Silizium vorzugsweise im Vakuumofen bei 1600°C infiltriert.The green body was then covered with silicon preferably infiltrated in a vacuum oven at 1600 ° C.

Nach der Infiltration war der Spiegelträger 1 voll ständig porenfrei und ohne Verzug infiltriert und es konnte wiederum keine Schwindung festgestellt werden.After the infiltration, the mirror support 1 was completely infiltrated without pores and without delay, and again no shrinkage could be determined.

Bei der Infiltration wurde eine Dichte von 2,65 g/cm³ erreicht.A density of 2.65 g / cm ^{3 was} reached during the infiltration.

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.The mirror support 1 has a flexural strength of 195 MPa, an elastic modulus of 225 GPa, a coefficient of thermal expansion of 4.0. 10 ^-6 K ^-1 and a thermal conductivity of 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.The surface of the cover plate 5 was subsequently sanded, lapped and polished, as is customary with conventional SiSiC ceramics, so that the surface could achieve the required optical properties. The highly reflective layer can be applied to the surface of the mirror carrier layer thus smoothed using known methods. This layer can be covered with known protective layers.

Claims

1. Process for the production of laser mirrors, the Shape, deflect and / or focus laser beams sier, in which one consists of a homogeneous non-oxidic Manufactured silicon-containing ceramic powder ter molded body in the form and with the dimensions against the laser mirror in an oxidizing atmosphere a heat treatment, with temporary training binding phases, at temperatures above Subjected to 800 ° C or the molded body by se Lectative laser sintering produced, the obtained Green body with a metal or silicon infil is trated, the temporary binding phases be solved again and a reflective Coating is applied.

2. The method according to claim 1, characterized in that the green body in the shape and dimensions of the laser mirror is produced by selective laser sintering.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the infiltration at Temperatures between 1410 and 1800 ° C in a vacuum is carried out.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the green body in front carbon is added to the infiltration.

5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that an SiC or Si ₃ N ₄ - powder is used.

6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that a powder with a medium grain below the respective Layer thickness of a layer with selective La is used internally.

7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that a powder with a use medium grain between 10 and 250 µm det.

8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the green body on a silicon substrate is built.

9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the laser process para meter and / or the laser beam set in this way be that the powder grains at least partially be smashed.

10. The method according to any one of claims 1 to 9, characterized in that in the heat treatment tion or selective laser sintering in oxidie render atmosphere between the powder grains temporary binding phases made of silicon and / or the System Si-O-N can be generated in situ.

11. The method according to any one of claims 1 to 10, characterized in that temporary Bindepha in components of the material of the finished Laser mirror can be converted.

12. The method according to any one of claims 1 to 11, characterized in that the mirror support plate of the laser mirror mechanically smoothed and then a reflective coating tion is applied.