forschungsprogramm optische technologien - Baden-Württemberg ...

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Wissenschaft & Forschung
[2003/2004]
Projekt:
Thermisch induzierte Veränderungen der Brechzahl und thermisch
verursachte Verformungen und Spannungen in optischen
Komponenten sind besonders bei Hochleistungslasern
von großer Bedeutung und bereiten beim Streben nach bestmöglicher
Strahlqualität erhebliche technische Schwierigkeiten.
Besonders ausgeprägt sind diese Probleme bei Festkörperlasern
mit stabförmigen oder prismenförmigen (Slab) Lasermedien,
bei welchen die im Lasermedium erzeugte Verlustwärme quer
zur Strahlausbreitungsrichtung abgeleitet wird. Die für die
Wärmeabfuhr erforderlichen starken Temperaturgefälle im
Medium führen zu sehr ausgeprägten, leistungsabhängigen
optischen Störungen. Alleine die thermisch induzierte Brechkraft
eines typischen Hochleistungsstablasers kann sich bei
variierender Laserleistung in der Größenordung von 10 Dioptrien
verändern.
Einerseits erschwert diese enorme Variation der thermischen
Linsenwirkung die Erzeugung von Laserstrahlung mit guter
Qualität. Anderseits zeigt dieses Phänomen jedoch, dass mit
der Ausnutzung thermischer Veränderungen optischer Materialien
steuerbare adaptive Bauelemente realisiert werden können,
deren Eigenschaften über die anderer Konzepte adaptiver
Optiken hinausgehen. Die Brechkraft mechanisch verformbarer
Hochleistungsspiegel, welche bisher in Laseranwendungen eingesetzt
wurden, kann in der Regel nur in der Größenordnung
von ±1 Dioptrien verändert werden. Durch Ausnutzung der
thermisch induzierten Veränderung der Brechzahl in einer 0.4
mm dünnen Schicht eines optischen Gels mit einem Durchmesser
von 4 mm konnte demgegenüber eine Variation von bis
zu 10 Dioptrien nachgewiesen werden. Dies wurde in früheren
Arbeiten erfolgreich zur selbst-adaptiven Kompensation der
thermisch induzierten Linsen in Nd:YAG-Stablasern eingesetzt.
Das an der Universität Stuttgart erfundene und entwickelte
Scheibenlaserkonzept zeichnet sich dadurch aus, dass die im
Lasermedium anfallende Verlustwärme in Richtung der Laserstrahlachse
abgeleitet wird. Da zudem die Anregung des Mediums
innerhalb des Strahlquerschnitts äußerst homogen
Ausschreibung 2003/2004:
Adaptive Optiken ohne mechanische Aktoren
Thermisch aktivierte Bauelemente für die
adaptive Optik
Institut für Strahlwerkzeuge (IFSW) der Universität Stuttgart
Institut für Mikroaufbautechnik (IMAT) der Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte
Forschung e.V.
Institut für Technische Optik (ITO) der Universität Stuttgart
erfolgt, wirken sich die thermisch verursachten Brechungsindexveränderungen
im Vergleich zu Stab- und Slab-Lasern wesentlich
moderater aus. Nur am Rand des angeregten Querschnitts
bildet sich eine mehr oder weniger scharfe, asphärische Stufe
des optischen Weglängenunterschieds aus. Auf diesem Konzept
beruhende Lasergeräte zeichnen sich durch eine um fast eine
Größenordnung verbesserte Strahlqualität aus. Der genannte
optische Weglängenunterschied am Rande des laseraktiven
Querschnitts ist allerdings dafür verantwortlich, dass heute
noch keine Scheibenlaser mit beugungsbegrenzter Strahlqualität
im kW-Leistungsbereich verfügbar sind.
Ziel des Projekts „Thermisch aktivierte Bauelemente für die
adaptive Optik“ ist nun die Entwicklung thermisch aktivierter
optische Bauelemente, welche die adaptive Kompensation des
leistungsabhängigen Weglängenunterschieds in Scheibenlasern
und damit die Erzeugung beugungsbegrenzter Hochleistungslaserstrahlen
erlaubt. Im Gegensatz zu den oben genannten
Stablasern ist für die Kompensation der thermischen
Effekte keine sphärische Linsenwirkung erforderlich. Die zu entwickelnden
Elemente sollen deshalb auch komplexere optische
Funktionen erfüllen können. Der Aufbau der Elemente besteht
daher ähnlich wie das laseraktive Medium des Scheibenlasers
Geformte
Resonatormoden
Thermisch
adaptives Element
Laser-
Scheibe
Abb. 1: Schematischer Aufbau eines
Lasers mit dem thermisch adaptiven
Element zur Kompensation der
Aberrationen im laseraktiven Medium
(hier: Scheibe) und zur gezielten
Formung der Laserstrahlen.