Multiphysikalische Simulation und Kompensation thermooptischer Effekte in Optiken für Laseranwendungen

Bonhoff, Tobias; Marowsky, Gerd; Loosen, Peter

doi:HT020143280

Multiphysikalische Simulation und Kompensation thermooptischer Effekte in Optiken für Laseranwendungen = Multi-physical simulation and compensation of thermo-optical effects in optics for laser applications

Bonhoff, Tobias^RWTH*

2019

VerantwortlichkeitsangabeTobias Bonhoff

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : Apprimus Verlag 2019

Umfang1 Online-Ressource (ix, 129 Seiten)

ISBN978-3-86359-726-9

ReiheErgebnisse aus der Lasertechnik

Dissertation, RWTH Aachen University, 2019

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Loosen, Peter (Thesis advisor)^RWTH* ; Marowsky, Gerd (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-02-15

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-06707
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/764238/files/764238.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Technologie optischer Systeme (418910)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
finite element analysis (frei) ; laser powder bed fusion (frei) ; plastic optics (frei) ; thermal lensing (frei) ; thermo-optical effects (frei) ; ultrashort laser pulses (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Um das Werkzeug Laser universell einsetzen zu können, sind applikationsangepasste Strahlformungs- und -führungsoptiken erforderlich. Diese absorbieren einen geringen Teil (typischerweise < 0,1 %) der Laserstrahlung, was eine inhomogene Erwärmung der optischen Komponenten zur Folge hat. Deren optische Eigenschaften ändern sich, da der Brechungsindex von der Temperatur abhängt und thermische Deformation auftritt. In erster Linie verschiebt sich die Fokuslage. Für die Auslegung thermisch stabiler optischer Systeme bedarf es multiphysikalischer Simulationen. In der vorliegenden Arbeit werden thermooptische Effekte in drei Anwendungsbereichen untersucht, nämlich Selective Laser Melting (SLM), Einsatz von Kunststoffoptiken sowie Optiken für die Erzeugung hoher Harmonischer. Hierzu werden Simulationen und Experimente durchgeführt und jeweils Ansätze für Kompensationsstrategien diskutiert. Bei der additiven Fertigung mittels SLM, auch bekannt als Laser Powder Bed Fusion (LPBF), treten verbreitet thermooptische Effekte auf, insbesondere wenn das Schutzglas, das die Optikeinheit von der Baukammer trennt, während des Prozesses durch entstehenden Rauch oder Spritzer verschmutzt. Außerdem sind keine kommerziellen Messmittel verfügbar, um die transiente winkelabhängige Fokusverschiebung von SLM-Anlagen zu messen. Um diese Lücke zu schließen, werden transiente Simulationen durchgeführt und die thermooptischen Effekte systematisch analysiert. Die Fokusverschiebung wird für unterschiedliche Belichtungs- und Scanstrategien simuliert und verglichen. Die laterale Fokusverschiebung variiert i. d. R. über den Bauraum und kann einen Schrumpf sowie eine Verschiebung der aufgebauten Strukturen verursachen. Kunststoffoptiken werden aufgrund signifikanter thermooptischer Effekte bisher nicht zur Fokussierung von Laserstrahlung eingesetzt. Da thermoplastische Kunststoffe vergleichbare optische und mechanische Eigenschaften aufweisen, ist eine Kompensation thermisch induzierter Effekte durch die Kombination unterschiedlicher Kunststoffe nicht möglich. In dieser Arbeit wird der Ansatz verfolgt, die thermooptischen Effekte durch eine an den Betriebspunkt, d. h. Laserleistung, Strahldurchmesser und Strahlprofil, angepasste Linsenform zu kompensieren. Simulationen zeigen, dass auf diese Weise für 10 W Laserleistung die thermisch induzierte Fokusverschiebung einer PMMA-Linse vollständig kompensiert und eine beugungsbegrenzte Fokussierung erzielt werden kann. Die mittleren Ausgangsleistungen von Ultrakurzpuls-Strahlquellen überschreiten mittlerweile 100 W. Aufgrund der großen Bandbreite können keine reinen Quarzglasoptiken eingesetzt werden, da Dispersion zu einer Pulsdauerverlängerung führen würde. Um die Optiken gleichzeitig achromatisieren und athermalisieren zu können, wird ein neuartiger Simulationsansatz entwickelt. Hierzu werden eine thermomechanische Finite-Elemente-Analyse und eine optische Analyse auf der Basis von strahlen- und wellenoptischen Methoden gekoppelt. So kann der räumliche und zeitliche Verlauf der Laserpulse in der Fokusregion berechnet werden. Unter Anwendung dieses Simulationsansatzes wird ein achromatisches Doublet aus Calciumfluorid und Quarzglas ausgelegt und analysiert. Potentielles Einsatzgebiet dieses Doublets ist die Erzeugung hoher Harmonischer.

The universal use of the tool laser requires application-specific optical systems for beam guiding and shaping. These optics absorb a small proportion (typically < 0.1 %) of laser radiation causing an inhomogeneous heating of the optical components. Their optical properties change since the refractive index depends on the local temperature and thermal deformation occurs. The primary effect is a focus shift. For designing thermally stable optical systems, a multi-physical simulation is needed. In this thesis, thermo-optical effects are analyzed in three areas of application, namely Selective Laser Melting (SLM), the usage of plastic optics, and optics for High Harmonic Generation (HHG). For this purpose, simulations and experiments are performed, and approaches for compensation strategies are discussed. When performing additive manufacturing by SLM, also known as Laser Powder Bed Fusion (LPBF), thermo-optical effects occur quite frequently. This is particularly true if the protective window, which separates the optical unit and the processing chamber, gets contaminated by smoke and splashes emerging during the process. Furthermore, there are no commercial devices available for measuring the transient, angle-dependent focus shift of a SLM unit. To close this gap, transient simulations are performed, and thermo-optical effects are analyzed systematically. The focus shift is simulated for different exposure and scanning strategies, and the results are compared. The lateral focus shift usually varies across the working plane and can induce a shrinkage as well as a displacement of the manufactured structures. Up to now, plastic optics have not been utilized for focusing laser radiation because of significant thermo-optical effects. Since thermoplastics feature similar optical and mechanical properties, a compensation of thermally-induced effects cannot be obtained by combining different plastics. In this thesis, the following approach is taken: The thermo-optical effects are compensated for by designing a lens shape that is adapted to the operating point, i. e. laser power, beam diameter, and beam profile. Simulations predict that the thermally-induced focus shift of a PMMA-lens at 10 W laser power can be fully offset by applying this approach, and that a diffraction-limited focusing can be achieved. Today, the time-averaged output power of ultrashort pulse laser sources exceeds 100 W. Due to the large bandwidth, optics exclusively made of fused silica cannot be utilized, because dispersion would lead to an increased pulse duration. In order to make the optics both achromatic and athermal, a novel simulation approach is developed. For this purpose, a thermomechanical finite element analysis and an optical analysis, which is based on ray-optical and wave-optical methods, are coupled. Hence, the pulse shape in the focal region can be computed both in the spatial domain and in the time domain. By applying this novel simulation approach, an achromatic doublet made of calcium fluoride and fused silica is designed and analyzed. This doublet is intended to be used in the field of High Harmonic Generation.

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