Kompensation thermischer Linseneffekte in optischen Systemen für die Lasermaterialbearbeitung

Hofmann, Jörg; Holly, Carlo; Kaierle, Stefan

doi:HT031052171

Kompensation thermischer Linseneffekte in optischen Systemen für die Lasermaterialbearbeitung = Compensation of thermal lensing in optical systems for laser material processing

Hofmann, Jörg^RWTH*

2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Jörg Hofmann

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Holly, Carlo (Thesis advisor)^RWTH* ; Kaierle, Stefan (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-05-05

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-04723
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1011781/files/1011781.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Technologie optischer Systeme (418910)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
In der Lasermaterialbearbeitung werden optische Systeme beispielsweise zur Strahlführung- und-formung eingesetzt. Insbesondere bei Laserleistungen im Multi-Kilowatt Bereich führt das in den optischen Systemen absorbierte Laserlicht zu deren Erwärmung. Eine Folge ist der sogenannte thermische Linseneffekt. Durch diesen kommt es zu einer Brennweitenänderung desoptischen Systems und damit zu einer Verschiebung der Fokuslage relativ zum Werkstück. Dies kann zu einer verminderten Bearbeitungsqualität oder sogar zum Abbruch des Bearbeitungsprozesses führen. In der vorliegenden Arbeit werden daher verschiedene Konzepte zur aktiven und passiven Kompensation thermischer Effekte untersucht. Ein passiver Ansatz zur Kompensation thermischer Effekte über eine Anpassung der Linsengeometrie wird am Beispiel einer Kunststoffoptik für eine Laserleistung von 15 Wunter sucht. Kunststoffoptiken weisen im Vergleich zu Glasoptiken bei gleicher Laserleistung etwa um den Faktor 100 größere thermische Effekte auf, weshalb deren Einsatzbereich bislang auf optische Systeme bei Laserleistungen <<1 W begrenzt sind. Gleichzeitig bieten diese durch die Herstellbarkeit mittels Spritzgussverfahrens ein erhebliches Kosteneinsparpotenzial. Eine passive Kompensation thermischer Effekte durch eine Kombination verschiedener thermoplastischer Kunststoffe ist aufgrund deren ähnlichen Materialparameter nicht möglich. Im Rahmen dieser Arbeit wird daher ein passiver Ansatz verfolgt, bei dem die Geometrie einer bestehenden Kunststofflinse für einen spezifischen Betriebszustand angepasst wird. Durch den Ansatz wird eine Erweiterung des bislang effektiv nutzbaren Leistungsbereichs erzielt. Dazu werden zunächst mit Hilfe einer Sensitivitätsanalyse die für das thermooptische Designrelevanten Laser- und Materialparameter identifiziert und mit verschiedenen Messverfahren vermessen. Anschließend wird die Linsengeometrie auf Basis der Laser- und Materialparameter für den Betriebszustand optimiert. Die angepasste Linsengeometrie wird im Spritzgussverfahren hergestellt und im Anschluss hinsichtlich ihrer optischen Eigenschaften charakterisiert. Die kompensierte Linsengeometrie weist in der Fokusebene eine gaußförmige Intensitätsverteilung auf, aber weicht bezüglich ihrer Brennweite um 27% vom Zielwert ab. Eine Verstärkung der thermischen Effekte während des Laserbearbeitungsprozesses ist auch durch eine prozessbedingte Verschmutzung der Optik, insbesondere des Schutzglases, möglich. In der Praxis erfolgt daher in regelmäßigen Abständen ein Austausch des Schutzglases. Durcheine zeitliche Kompensation der thermischen Effekte wäre eine Verlängerung der notwendigen Serviceintervalle oder eine Erhöhung der Prozessgenauigkeit möglich. Aufgrund der zeitlichen Änderung der auftretenden thermischen Effekte ist eine passive Kompensation hier nichtmöglich. Alternativ wird daher die aktive Kompensation thermischer Effekte mittels eines neuartigen Mess- und Regelungssystems demonstriert. Die Messung der Fokuslage basiert auf der Auswertung des charakteristischen Beugungsmusters einer in den Strahlengang integrierten Amplitudenmaske, der sogenannten Bahtinov-Maske. Die Auswertung des Beugungsmusters erfolgt mithilfe unterschiedlicher Auswertealgorithmen. Nach einer experimentellen Validierung wird das Messkonzept für die koaxiale Integration in nahezu beliebige Lasermaterialbearbeitungsanlagen weiterentwickelt. Messungen zeigen eine Bestimmung der Fokuslage über einen Bereich von ±2,5 mm mit einer mittleren Abweichung von 42,52 μm.

In laser material processing, optical systems are used e.g. for beam guidance and shaping. Particularly with laser powers in the multi-kilowatt range, the absorbed laser light leads to heating of the optical elements. One consequence is the so-called thermal lens effect. The thermal lens effect leads to a change in the focal length of the optical system and thus to a shift in the focal position relative to the workpiece. This can lead to reduced machining quality or even to an abortion of the machining process. This thesis therefore investigates various concepts for active and passive compensation of thermal effects. A passive approach for the compensating of thermal effects is investigated using the example of plastic optics for a laser power of 15 W. Compared to glass optics, plastic optics exhibit thermal effects that are about 100 times greater at the same laser power, which is why their range of application has so far been limited to optical systems with laser powers <<1 W. On the other side, they offer considerable cost-saving potential due to their injection molding production. Passive compensation of thermal effects through a different combination of thermoplastics is not possible due to their similar material parameters. This work therefore pursues a passive approach in which the geometry of an existing plastic lens is adapted for a specific operating condition. This approach extends the power range that has been effectively usable to date. To this end, the laser and material parameters relevant to the thermo-optical design are first identified using a sensitivity analysis and measured using various measurement methods. The lens geometry is then optimized for the operating condition based on the laser and material parameters. The adapted lens geometry is produced by injection moulding and then characterized with regard to its optical properties. The compensated lens geometry has a Gaussian intensity distribution in the focal plane but deviates from the target value by 27% in terms of its focal length. The thermal effects during the laser machining process can also be intensified by process-related contamination of the optics, in particular the protective glass. In practice, the protective glass is therefore replaced at regular intervals. By compensating for the thermal effects over time, it would be possible to extend the necessary service intervals or increase the process accuracy. Due to the temporal change of the thermal effects that occur, passive compensation is not possible here. As an alternative, active compensation of thermal effects is therefore demonstrated using a new type of measurement and control system. The measurement of the focus position is based on the evaluation of the characteristic diffraction pattern of an amplitude mask integrated into the beam path, the so-called Bahtinov mask. The diffraction pattern is evaluated using different evaluation algorithms. Following experimental validation, the measurement concept is being further developed for coaxial integration in almost any laser material processing system. Measurements show a determination of the focus position over a range of ±2.5 mm with an average deviation of 42.52 μm.

OpenAccess:
PDF
(additional files)