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Applikationsangepasste Multistrahlkonzepte für die Hochleistungsbearbeitung mit ultrakurzgepulster Laserstrahlung = Application-specific multi-beam concepts for high-power processing with ultrashort-pulsed laser radiation
2026
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2026
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2026-06-11
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-06047
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1037430/files/1037430.pdf
Einrichtungen
Projekte
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
AOM (frei) ; DOE (frei) ; Linsenarray (frei) ; Multistrahl (frei) ; Thermooptik (frei) ; UKP (frei) ; USP (frei) ; Verzeichnung (frei) ; distortion (frei) ; lens stack (frei) ; multi-beam (frei) ; prism stack (frei) ; prismenarray (frei) ; thermo-optics (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
Der Einsatz ultrakurzgepulster Laserstrahlung in der Materialbearbeitung ermöglicht aufgrund der hohen Bearbeitungsqualität und Flexibilität zunehmend die Substitution etablierter Fertigungsverfahren. Eine Steigerung der Produktivität unter Beibehaltung dieser charakteristischen Eigenschaften ist dabei Voraussetzung für einen wirtschaftlichen Einsatz in industriellen Produktionsumgebungen, insbesondere für die großflächige Bearbeitung. In dieser Arbeit wird der Skalierungsansatz verfolgt, eine mittlere Laserleistung von 1 kW auf ein zweidimensionales Array aus 8×8 Teilstrahlen aufzuteilen, sodass jeder Teilstrahl die für einen effizienten Materialabtrag erforderliche Leistung aufweist. Die Bearbeitungsflexibilität wird durch ein individuelles zeitliches Schalten der Teilstrahlen erreicht. Existierende Multistrahlkonzepte, die auf der Integration eines akustooptischen Modulators (AOM) zum Schalten der Teilstrahlen basieren, sind technologiebedingt bisher auf Laserleistungen von etwa 100 W beschränkt. In dieser Arbeit wird daher erstmals die Verwendung mehrerer AOMs in einer parallelen Anordnung untersucht. Aufgrund der hohen Winkelsensitivität erfordern AOMs zum effizienten Schalten die exakte Einstellung der Einfallswinkel der Teilstrahlen. Bislang werden die Teilstrahlen dazu mit linsenbasierten Strahlführungssystemen parallelisiert. Die simultane Beeinflussung von Richtung und Divergenz der Teilstrahlen resultiert in einer Reduzierung der Schalteffizienz. Diesem Defizit wird in dieser Arbeit mit der Entwicklung eines afokalen, unidirektionalen Strahlführungskonzepts begegnet. Darüber hinaus sind die in der Bearbeitungsebene erzielbaren Teilstrahlabstände limitiert und häufig nicht äquidistant. Im Rahmen dieser Arbeit werden daher zwei Strahlführungskonzepte zur flexiblen, verzerrungsfreien Auslegung der Teilstrahlabstände diskutiert. Ergänzend wird ein kosteneffizientes Konzept zur Teilstrahlaufweitung räumlich ausgedehnter Multistrahl-Arrays vorgestellt. Unter Anwendung dieser Konzepte wird ein optisches 8×8-Multistrahlsystem ausgelegt und hinsichtlich optischer Leistungsfähigkeit sowie thermischer Stabilität systematisch analysiert. Im Anschluss werden geeignete Montage- und Justagestrategien diskutiert und zur Realisierung eines 8x8-Multistrahlsystems sowie eines 1×8-Multistrahl-Teilssystems angewendet. Die abschließende experimentelle Charakterisierung und der Vergleich mit den Simulationsergebnissen ermöglichen eine qualitative Verifikation der in dieser Arbeit entwickelten Konzepte und Strategien.The use of ultrashort-pulsed laser radiation in material processing is increasingly enabling the substitution of established manufacturing methods due to its high processing quality and flexibility. An increase in productivity while maintaining these characteristics is required for economically viable application in industrial production environments, particularly for large-area processing. In this work, a scaling approach is pursued in which an average laser power of 1 kW is distributed across a two-dimensional array of 8×8 sub-beams, so that each sub-beam possesses the power required for efficient material removal. Processing flexibility is achieved through individual temporal switching of the sub-beams. Existing multi-beam concepts, based on the integration of an acousto-optic modulator (AOM) for switching the sub-beams, are technologically limited to laser powers of approximately 100 W. In this work, the use of multiple AOMs arranged in parallel is therefore investigated for the first time. Due to their high angular sensitivity, AOMs require precise, identical angles of incidence of the sub-beams for efficient switching. To date, the beams are parallelized using lens-based beam guidance systems. The simultaneous influence on the direction and divergence of the beams results in a reduction in switching efficiency. This limitation is addressed in this work through the development of an afocal, unidirectional beam guidance concept. Furthermore, the achievable sub-beam spacing in the processing plane is limited and often non-equidistant. Within the scope of this work, two beam guidance concepts are therefore discussed for the flexible, distortion-free layout of the sub-beam spacing. Additionally, an economical concept for beam expansion of spatially extended multi-beam arrays is presented. Based on these concepts, an optical 8×8 multi-beam system is designed and systematically analyzed with respect to optical performance and thermal stability. Subsequently, suitable assembly and alignment strategies are discussed and applied for the realization of a 8×8 multi-beam system and a 1×8 multi-beam subsystem. The final experimental characterization and comparison with simulation results enable a qualitative verification of the concepts and strategies developed in this work.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
German
Externe Identnummern
HBZ: HT031548335
Interne Identnummern
RWTH-2026-06047
Datensatz-ID: 1037430
Beteiligte Länder
Germany
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