Strahlformung und Störgrößenkompensation in Hochleistungslasern

Das Projekt befasst sich mit Regelungs- und Steuerungsstrategien für adaptive Hochleistungslaser. Dabei werden deformierbare Spiegel im Laser-Resonator verbaut, die neben der Kompensation von thermischen Störgrößen auch eine aktive Strahlformung erlauben.

Fokus des Projekts

Störgrößen in Hochleistungs-Lasern

Hochleistungslaser sind bei zahlreichen Materialbearbeitungsverfahren von zentraler Bedeutung und heute aus der industriellen Fertigung nicht mehr wegzudenken. Die Verwendung adaptiver optischer Elemente innerhalb des Resonators verspricht großes Potenzial insbesondere bei der Kompensation resonatorinterner Störungen, welche Strahlqualität und Effizienz beeinflussen und mittels außerhalb des Resonators angeordneter Elemente nicht oder nur unzureichend korrigiert werden können. Für Hochleistungslaser existieren bislang noch keine Methoden zur Regelung adaptiver optischer Komponenten innerhalb des Resonators.

Die sog. „thermische Linse“, hervorgerufen durch die Erwärmung des laseraktiven Mediums, ist die entscheidende Quelle resonatorinterner Störungen. Die Erwärmung führt einerseits zu thermomechanischen Verformung des laseraktiven Mediums sowie zu einer temperaturabhängigen Änderung des Brechungsindex. Die hierdurch hervorgerufenen Wellenfrontstörungen bewirken eine Veränderung der Resonator-eigenschaften und insbesondere eine leistungsabhängige Beeinflussung der Strahlqualität. Im Grundmodebetrieb wirken sich die hierdurch hervorgerufenen Beugungsverluste stark auf die Effizienz aus. Dieses Verhalten ist in den meisten Fällen unerwünscht und kann nur innerhalb des Resonators korrigiert werden.

Wesentliche Störeffekte im laseraktiven Medium

  • Thermo-Mechanischer Effekt:  Materialausdehnung unter thermischen Lasten führt zur Deformation und somit zur Änderung der optischen Eigenschaften.
  • Opto-Mechanischer Effekt: Inhomogene Spannung im Material verursachen eine richtungsabhängige Änderungen des lokalen Brechungsindex. Dieser Effekt wird auch als "Doppelbrechnung" bezeichnet.
  • Thermo-Optischer Effekt: Wegen der thermischen Dispersion ändert sich der Brechungsindex des Mediums in Abhängigkeit der Temperatur. Somit stellen sich temperaturabhängige Brechkräfte ein ("thermische Linse").

 

Modellierung, Regelung & Steuerung deformierbarer Spiegel

Im Rahmen des Projekts werden unterschiedliche Bauformen deformierbarer Spiegel untersucht, welche unterschiedliche Vor- und Nachteile aufweisen. Die speziellen Anforderungen für den Einsatz im Hochleistungs-Laserresonator erfordern neuartige Bauformen.

Pneumatisch aktuierte Flächenlastspiegel

Über eine Druckkammer unter der Spiegelmembran kann die Deformation der Spiegeloberfläche gezielt geregelt werden. Über die Auslegung einer geeigneten Dickenverteilung der Membran, ist es möglich gezielte Profile zu fertigen. Zur Laufzeit ist die Deformation des Spiegels fest vorgegeben, sodass unterschiedliche Spiegel für unterschiedliche Szenarien verwendet werden müssen. Allerdings ermöglicht die pneumatische Aktuierung eine Regelung mit hoher Performance. 

Optisch adressierte deformierbare Spiegel 

Die Bauform OADM (engl. für optically addressed deformable mirrors) ermöglicht im Vergleich zu den pneumatischen Flächenlastspiegel zwar geringere Gesamtdeformationen, bietet aber sehr viele (online-)Freiheitsgrade und sehr flexible Deformationsprofile. Das Aktorprinzip basiert auf dem thermo-mechanischen Effekt: Hierzu wird der OADM mit einem separaten Laserstrahl anderer Wellenlänge beaufschlagt, für welche der Spiegel absorbierend wirkt und sich somit lokal erwärmt. Durch die Verwendung eines DLP-Chips (Digital Light Processing) kann die Erwärmung mit hoher lokaler Auflösung gesteuert werden.

 

Gezielte Strahlformung durch adaptive Optiken

Neben dem Einstellen der Grundmode (TEM00) soll durch resonatorinterne adaptive Optik auch die Vorgabe und das gezielte Einstellen von Resonatormoden mit definierbaren Eigenschaften, sogenannten „Designermoden“, ermöglicht werden. Dies ermöglicht die Umsetzung von durch konkrete Anwendungen vorgegebenen Laserstrahleigenschaften. Für diese Zielsetzung eignet sich optisch adressierte deformierbare Spiegel wegen der vielen Freiheitsgrade besonders.

Projektpartner

Institut für Strahlwerkzeuge (IFSW), Universität Stuttgart.

Publikationen

  • K. Schmidt, P. Wittmüß, S. Piehler, M. Abdou Ahmed, T. Graf, O. Sawodny, "Modeling and Simulating the Thermoelastic Deformation of Mirrors Using Transient Multilayer Models",  Mechatronics, 2018..
  • K. Schmidt, P. Wittmüß, S. Piehler, M. Abdou Ahmed, T. Graf, O. Sawodny, "Modellierung optisch adressierter Spiegel für adaptive Hochleistungslaser",  at - Automatisierungstechnik, 2018.
  • S. Piehler, T. Dietrich, P. Wittmuess, O. Sawodny, M. A. Ahmed & T. Graf“Deformable mirrors for intra-cavity use in high-power thin disk lasers”Optics Express25pp. 4254-42672016doi:10.1364/OE.25.004254
  • P. Wittmuess, S. Piehler, T. Dietrich, M. A. Ahmed, T. Graf & O. Sawodny“Numerical Modelling of Multimode Laser Resonators”Journal of the Optical Society of America B33pp. 2278-22872016doi:10.1364/JOSAB.33.002278
  • P. Wittmuess, C. Tarín, A. Keck, E. Arnold & O. Sawodny“Parametric Model Order Reduction via Balanced Truncation with Taylor Series Representation”IEEE Transactions on Automatic Control (TAC)2016doi:10.1109/TAC.2016.2521361
  • K. Schmidt, P. Wittmüß & O. Sawodny, "On state estimation and reachability of linear PDE-BVP cascades with thermomechanical application", IEEE Conference on Decision and Control (CDC), Melbourne, Australia, 2017.
  • K. Schmidt, P. Wittmüß, S. Piehler, M. A. Ahmed, T. Graf & O. Sawodny“Modellierung thermomechanisch aktuierter, deformierbarer Spiegel für adaptive Optiken in Hochleistungslasern”GMA FA 1.30Salzburg, Austria2017
  • K. Schmidt, P. Wittmüß & O. Sawodny“Spectral Shift of Cylindrical Heat Equations by Full-State Boundary Feedback”IFAC World CongressToulouse, France2017

Bearbeiter

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