Montage nichtlinearer optischer Kristalle für den Einsatz in der Luft- und Raumfahrt

Faidel, Heinrich; Poprawe, Reinhart; Reisgen, Uwe

doi:0945-084X

Montage nichtlinearer optischer Kristalle für den Einsatz in der Luft- und Raumfahrt = Mounting of non-linear optical crystals for use in aerospace industry

Faidel, Heinrich

2015

VerantwortlichkeitsangabeHeinrich Faidel

ImpressumAachen : Shaker 2015

Umfang113 S. : Ill., graph. Darst.

ISBN978-3-8440-3302-1

ReiheBerichte aus der Lasertechnik

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2014

Prüfungsjahr: 2014. - Publikationsjahr: 2015. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Poprawe, Reinhart (Thesis advisor) ; Reisgen, Uwe (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2014-11-07

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-012024
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/464308/files/464308.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/464308/files/464308.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Lehrstuhl für Lasertechnik (418710)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ingenieurwissenschaften (frei) ; LIDAR (frei) ; nichtlineare Kristalle (frei) ; BBO (frei) ; LBO (frei) ; TGG (frei) ; KTP (frei) ; Löten (frei) ; Raumfahrt (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Mittels eines Weltraum-gestützten LIDAR-Systems (Light Detection and Ranging) kann eine globale Analyse von Gasen wie Wasserdampf, Methan oder CO2 in der Atmosphäre stattfinden. Das Verständnis der Prozesse in der Atmosphäre könnte durch eine umfassende Datenbasis verbessert werden. Damit würde eine Überprüfung und Verbesserung der Klimamodelle und somit eine präzisere Prognose ermöglicht. Der Einsatz im Weltraum stellt hohe Anforderungen bezüglich thermischer und mechanischer Wechsellasten. Dabei sind Fragestellungen hinsichtlich der Zuverlässigkeit bei Betriebsdauern von mindestens drei Jahren ohne Einbuße in Pulsenergie und Strahlqualität von besonderer Bedeutung. Auch wenn bereits einfachere Systeme im Orbit vorhanden sind, so besteht für die geplanten, erheblich komplexeren Systeme die Notwendigkeit zur Weiterentwicklung kritischer Komponenten. Die Untersuchung der Montage von optischen Komponenten wird mit Hilfe eines speziell dafür konstruierten Ofens durchgeführt. Dabei werden mehrere Strategien betrachtet. Die Vorhaltestrategie erweist sich als geeignetste für die Montage von toleranzunempfindlichen Komponenten. In Kombination mit einer lokalen Kühlung werden die geforderten Toleranzen von 100 µrad unterschritten. Das Fügen von nichtlinearen Kristallen mittels Lot wird durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten α entlang unterschiedlicher Kristallachsen erschwert. Der BBO-Kristall ist aufgrund seiner mechanischen Eigenschaften rissempfindlich. Zum Fügen kann eine geeignete Kombination von Material und Struktur gefunden und das Ergebnis am Beispiel einer funktionsfähigen Pockelszelle demonstriert werden. Damit wird gezeigt, dass gleichzeitig die Randbedingungen hinsichtlich elektrischer Kontaktierung und Hochspannungsisolation erfüllt werden. Der LBO-Kristall ist bedingt durch seine mechanischen Eigenschaften unkritischer als der BBO-Kristall. Zur effizienten Frequenzkonversion muss die Temperaturverteilung im LBO-Kristall homogen sein. Aus diesem Grunde wird der Kristall flächig verlötet. Die Konversionseffizienz ist mit 67% auf dem Niveau der heute eingesetzten geklemmten Systeme.Zur Untersuchung der technischen Eignung der Löttechnologie für den Aufbau von TGG-Kristallen werden Polarisationsmessungen herangezogen. Dabei zeigt sich, dass der Gangunterschied R bei gelöteten Kristallen kleiner als bei geklebten Kristallen ist. Die Verteilung entlang der Kristallfacette ist gleichmäßiger. Beides ist vorteilhaft für die Eigenschaften optischer Isolatoren. Der KTP-Kristall wird ähnlich wie der LBO-Kristall zwischen zwei Heizbacken montiert. Sowohl die Untersuchung der mechanischen Festigkeit des KTP-Kristalls nach dem Temperaturzyklustest, als auch die Analyse der optischen Eigenschaften zeigen die technische Anwendbarkeit der Löttechnologie. Bei optischen Tests werden ein ungelöteter und ein gelöteter KTP-Kristall miteinander verglichen. Die optische Leistung POpt beider analysierter Kristalle unterscheidet sich im Rahmen der Messtoleranz nicht. Die löttechnische Montage von nichtlinearen Kristallen ermöglicht in der Zukunft die Realisierung vollständig gelöteter Lasersysteme. Dabei kann auf vibrationsempfindliche Klemm- oder ausgasungsbehaftete Klebetechnik verzichtet werden. Im Vergleich zu Klebeverbindungen ermöglichen Lötverbindungen außerdem eine erheblich höhere Leitfähigkeit für Wärme und elektrischen Strom. Sowohl die Leistungsfähigkeit als auch die Lebensdauer der Instrumente kann dadurch erhöht werden. Neben der höheren mechanischen Festigkeit bietet die Löttechnik den Vorteil des Wiederaufschmelzens der Verbindung. Die bereits gefügte optische Komponente kann nachjustiert werden. Eine Kombination von Loten mit unterschiedlichen Schmelztemperaturen während des Lötprozesses kann die Stabilität der Baugruppe erhöhen und die Montage im Lasersystem vereinfachen.

By means of a space-based LIDAR-system (Light Detection and Ranging), a global analysis of gases in the atmosphere such as water vapor, methane or CO2 can be carried out. The understanding of the processes in the atmosphere can be improved by an extensive database. Thereby a revision and correction of the climate models and therefore a precise prediction would be enabled. Thermal and mechanical load requirements are particularly high during space operation. Thereby questions concerning reliability at operating times of at least three years without loss in pulse energy and beam quality are of special importance. Even though simple systems are already in orbit, an advancement of critical components in complex systems is required. The investigation of the mounting of optical components is carried out by means of a specially designed furnace. Thereby several strategies are considered. The offset strategy proves suitable for mounting tolerance-insensitive components. In combination with a local cooling the tolerances fall below the required 100 µrad. The joining of non-linear crystals using solder is hindered by different CTE’s along different crystal axes. The BBO-crystal is crack-sensitive due to its mechanical properties. For the joining, a suitable combination of material and structure can be found and the resulting combination can be demonstrated by an example of a functional Pockels cell. Thereby it is shown that the boundary conditions concerning electrical contacting and high voltage isolation are fulfilled simultaneously. Joining LBO-crystals is less critical than joining BBO-crystals due to the differences in mechanical properties.For an efficient frequency conversion, the temperature distribution within the LBO-crystal has to be homogeneous. For this reason the crystal is soldered planar. The conversion efficiency at 67% is at the level of presently used clamped systems. For the investigation of the technical suitability of the soldering technology for assembling TGG-crystals, polarization measurements are used. Here it becomes evident that the path difference R is smaller for soldered crystals than for glued crystals. The distribution along the crystal facet is more homogeneous. Both are advantageous for the properties of optical isolators. The KTP-crystal is mounted between two heater bars, similar to the mounting of the LBO-crystal. Both the investigation of the mechanical stability of the KTP-crystal after the temperature cycling test and the analysis of the optical properties show the technical applicability of the soldering technology. During the optical tests a non-soldered and a soldered KTP-crystal are compared. The deviation of optical performance POpt of both analyzed KTP-crystals is within the tolerance accuracy. In the future, mounting of non-linear crystals by means of solder enables the realization of completely soldered laser systems. Thereby the vibration-sensitive clamping or outgassing gluing technique can be dispensed. In comparison to gluing, soldering additionally offers a substantial higher thermal and electrical conductivity. Both the performance and the rated service time of the instruments can be increased. Besides the higher mechanical stability, the solder technique offers the advantage of the re-melting of the join. The already soldered optical component can be readjusted. During the soldering process a combination of solders with different melting points can increase the mechanical stability of the assembly and simplify the mounting of the laser system.

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