Methoden zur resonatorinternen Frequenzverdopplung für wirkungsgradmaximierte adaptive Scheibenlaserresonatoren im variablem Betrieb

• Antragsteller: Professor Dr. Thomas Graf; Professor Dr.-Ing. Oliver Sawodny
• Fachliche Zuordnung: Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 513846377

In der laserbasierten Fertigung gibt es eine ganze Reihe von Anwendungen, die von Lasern im sichtbaren Spektralbereich profitieren. Neben der z.B. für das Bohren wichtigen Verkleinerung des Fokusdurchmesser führt Strahlung im sichtbaren Spektralbereich gegenüber den üblicherweise eingesetzten infraroten Strahlen mit einer Wellenlänge von 1,03 µm beispielsweise auch beim Schweißen von Kupfer zu einer erhöhten Absorption und zu einer Verbesserung der Prozessstabilität. Derzeit sind keine laseraktiven Materialien bekannt, welche die direkte Erzeugung sichtbarer Strahlung mit hoher mittlerer Leistung im kW-Bereich ermöglichen. Solche Leistungen im Dauerstrichbetrieb können im grünen Spektralbereich hingegen mit resonatorintern frequenzverdoppelten Scheibenlasern mit einer Wel¬lenlänge von 1,03 µm erschlossen werden.Bei der resonatorinternen Frequenzverdopplung sind Auskoppelgrad, resonatorinterne Leistung und Phasenanpassung zwischen der infraroten und der grünen Welle im Kristall nichtlinear miteinander verkoppelt. Hierdurch werden solche Laser sehr anfällig für Leistungsfluktuationen, wodurch optische Komponenten zerstört werden können. Zudem hängt der optimale Strahlradius innerhalb des nichtlinearen Kristalls stark von der Ausgangsleistung ab. Innerhalb dieses Vorhabens soll der Einsatz resonatorinerner adaptiver Optiken untersucht werden, um einen stabilen Laserbetrieb mit einer Ausgangsleistung von bis zu 1 kW mit beugungsbegrenzter Strahlqualität und gleichzeitig vom Arbeitspunkt unabhängig konstant hoher optischer Effizienz (> 45 %) zu erzielen. Zusätzlich sollen die adaptiven Optiken eine quasistatische Anpassung der Strahlqualität zwischen M2 = 1 und M2 = 10 während des Laserbetriebs erlauben. Die technischen Einschränkungen der deformierbaren Spiegel, die her¬ausfordernde Erfassung der relevanten Resonatormessgrößen und die nichtlinearen sowie verkoppelten Lasereigenschaften führt zu einem komplexen Rege¬lungsproblem, das die Erweiterung bzw. Modifikation bekannter Regelungsmethoden erfor¬dert. Die genannten Ziele können nur durch eine interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Lasertechnik und System- und Regelungstechnik erreicht werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen