Experimentelle und theoretische Untersuchungen zu thermisch induziertenAberrationen optischer Systeme für die Lasermaterialbearbeitung

• Antragsteller: Professor Dr. Peter Loosen; Professor Dr. Reinhart Poprawe
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 244193730

Die Entwicklung von Laserquellen hin zu mehr Leistung und Strahlqualität eröffnet durch höhere Leistungsdichten und zunehmende Fokussierbarkeit stetig neue Applikationen. Materialbearbeitungsprozesse können beschleunigt, Wechselwirkungszonen verkleinert und die Distanz zum Werkstück vergrößert werden. Allerdings sind die zur Strahlformung eingesetzten optischen Elemente extremen thermischen Belastungen ausgesetzt, die durch den Trend zur Miniaturisierung weiter verschärft werden. In der Konsequenz verändern sich mechanische und optische Eigenschaften der Elemente. Die resultierende Wellenfrontaberration des Systems verringert die Strahlqualität der Bearbeitungsstrahlung und beeinträchtigt die für eine Prozessregelung oftmals erforderliche koaxiale Prozessbeobachtung. Die Vorteile hochbrillanter Strahlquellen werden so bisher nicht vollständig genutzt.Ziel des beantragten Vorhabens ist die Schaffung der Grundlagen für eine gekoppelte multiphysikalische Simulation thermo-mechanischer Einflüsse auf die Abbildungsqualität von Optiken für Hochleistungslaser. So soll der Entwurf optischer Systeme ermöglicht werden, die robust gegen die adressierten Störgrößen sind. Dabei ist eine algorithmische Kopplung von Raytracing und Finite-Elemente- (FE-)Methode zu entwickeln, die auf Basis charakterisierter Gläser, Beschichtungen, Fassungen und weiterer Komponenten Vorhersagen über die Wellenfrontveränderung liefert. Die wichtigsten wissenschaftlichen Fragestellungen adressieren die Ermittlung des Energieeintrags und der -abfuhr, der Interpolation numerischer FE-Ergebnisse zur Verarbeitung im Raytracing und daraus folgend die Berechnung der Wellenfrontdeformation. Gelingt es ein belastbares Modell zu entwickeln, können Schritte in Richtung Optimierung, Berechnung transienten Verhaltens sowie Kompensation thermischer Effekte unternommen werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen