Einfluß Optischer Komponenten Auf Die Strahlqualität Von Hochleistungslasern

ISBN-13: 9783519062097 / Niemiecki / Miękka / 1993 / 200 str.

Stefan Borik; Stefan Borik

Opis

In diesem Abschnitt sollen einige einleitende Worte vorausgeschickt werden, um die Ziele dieser Arbeit zu verdeutlichen und die Vorgehensweise bei der Behandlung der verschiedenen Aspekte zu motivieren. 1. 1 Uberblick uber die Anwendungsgebiete Zunachst sei ein Blick auf die verschiedenen Laserarten und Anforderungsprofile an das Messgerat bzw. Werkzeug Laserstrahl geworfen. Die primaren Eigenschaften des Laserstrahis, die ihn von den konventionellen Lichtquellen unterscheiden und die sich aus dem Wesen der Lichterzeugung durch stimulierte Emission begrunden, sind: - Schmalbandigkeit / zeitliche Koharenz und - raumliche Koharenz und daher minimale Erfullung der Heisenbergschen Unscharferelation erreichbar. Alle anderen Gesichtspunkte, wie die Fokussierbarkeit oder die damit korrelierte Moglichkeit, den Strahl uber Distanzen zu transportieren, die anderen Quellen wegen ihrer AbstrahIcharak teristik verwehrt sind (z. B. Entfernungsmessung Erde - Mond) sind sekundare Eigenschaften, die sich aus den oben genannten ableiten lassen. In welchem Masse ein Laser im Hinblick auf diese Eigenschaften optimiert wird, hangt von den fur die gewunschte Wellenlange zur Verfugung stehenden Elementen (insbesondere vom laseraktiven Medium) sowie von den letztlich fur die vorgesehene Anwendung relevanten Grossen ab. An einigen Beispielen sei dies erlautert: - Anwendungen im Bereich der Langenmesstechnik verlangen eine extreme Schmalban digkeit, um Messfehler durch Phasensprunge zu verhindern. Hier helfen frequenz-selektie rende Elemente, die unter Ausnutzung schmalbandiger Absorptionslinien oder der Wirkung optischer Gitter, gegebenenfalls mit Unterstutzung einer Langenregelung fur den Resona tor, eine Beeinflussung der frequenzabhangigen Verstarkung bzw. der Resonatorverluste erla

Spis treści

1 Einleitung.- 1.1 Überblick über die Anwendungsgebiete.- 1.2 Laser in der Materialbearbeitung.- 1.3 Anforderungen an die optischen Komponenten.- 1.4 Strukturierung der Arbeit.- 2 Strahlausbreitung.- 2.1 Natur der elektromagnetischen Strahlung.- 2.1.1 Interferenz und Kohärenz.- 2.1.2 Ausbreitungsgesetze.- 2.1.2.1 Geometrische Optik.- 2.1.2.2 Berücksichtigung der Wellennatur.- 2.1.2.3 Beschreibung der Propagation.- 2.1.2.4 Physikalische Bedeutung der Invarianten.- 2.1.2.5 Berechnung der Propagation mit Hilfe der Invarianten.- 2.1.2.6 Charakterisierung von Laserstrahlen.- 2.1.3 Beschreibung realer Laserstrahlung.- 2.1.3.1 Umsetzung der theoretischen Erkenntnisse.- 2.1.3.2 Vorgehensweise.- 2.1.3.3 Berechnung eines Beispiels.- 2.1.3.4 Bedeutung des zweiten Moments.- 2.2 Wechselwirkung mit Materie.- 2.2.1 Dielektrische Materialien.- 2.2.2 Metalle.- 2.2.3 Streuung.- 3 Optische Komponenten.- 3.1 Einfluß optischer Elemente auf den Strahl.- 3.1.1 Brechung und Reflexion.- 3.1.2 Mathematische Beschreibung.- 3.1.2.1 Matrizenformalismus der geometrischen Optik.- 3.1.2.2 Kirchhoff-Fresnel-Methode.- 3.1.2.3 Ray-Tracing-Verfahren.- 3.1.2.4 Gaußsche Strahlen.- 3.1.3 Einfluß von Aperturen.- 3.2 Optische Elemente.- 3.2.1 Ideale Form fokussierender Spiegel.- 3.2.2 Sphärische Spiegel.- 3.2.3 Linsen.- 3.3 Optische Komponenten für Hochleistungslaser.- 3.3.1 Allgemeine Anforderungen.- 3.3.1.1 Übersicht.- 3.3.1.2 Konstruktive Anforderungen.- 3.3.2 Aberrationen einzelner Elemente.- 3.3.2.1 Sphärische Aberration.- 3.3.2.2 Astigmatismus.- 3.3.2.3 Einfluß des Wellenfrontfehlers auf die Fokussierbarkeit.- 3.3.3 Aberrationen optischer Systeme.- 3.3.3.1 Teleskope mit sphärischen Spiegeln.- 3.3.3.2 Teleskope mit parabolischen Spiegeln.- 3.3.3.3 Vergleich und Bewertung.- 3.4 Justage optischer Elemente.- 3.4.1 Anforderungen an die Justage.- 3.4.2 Möglichkeiten der Justage.- 3.4.3 Konzepte für vorjustierte optische Komponenten.- 3.5 Dimensionierung der Kühlung.- 4 Untersuchungsmethoden.- 4.1 Interferometrie.- 4.1.1 Gr- undlagen zur Interpretation von Interferenzstreifen.- 4.1.2 Messung von Oberflächenkonturen.- 4.1.3 Messung an transmittierenden Elementen.- 4.1.4 Auswerteverfahren.- 4.1.4.1 Auswertung durch Abzählen der Streifen.- 4.1.4.2 Rechnergestütze Auswertung.- 4.1.5 Separation der Effekte.- 4.1.6 I nterferometerauf bauten.- 4.2 Messung der Absorption.- 4.2.1 Prinzip der Absorptionsmessung.- 4.2.2 Aufbau der Laserkalorimetrie.- 4.2.3 Meßverfahren.- 4.2.4 Auswertung.- 4.2.4.1 ballistisches Verfahren.- 4.2.4.2 Gradientenverfahren.- 4.2.4.3 Vergleich der beiden Verfahren.- 4.2.4.4 Anforderungen an die Meßapparatur.- 4.2.5 Absorptionswerte.- 4.2.6 Ergänzende Betrachtungen zu transmittierenden Proben.- 4.2.6.1 Bestimmung des Extinktionskoeffizienten.- 4.2.6.2 Messungen an unbeschichteten Proben.- 4.2.6.3 Teilreflektierend / antireflex-beschichtete Proben.- 4.3 Finite Elemente Methode.- 5 Verhalten bei Bestrahlung.- 5.1 Kupferspiegel.- 5.1.1 Spiegel mit integrierter Kühlwasserführung.- 5.1.1.1 Experimenteller Aufbau.- 5.1.1.2 Numerische Simulation.- 5.1.1.3 Ergebnisse.- 5.1.1.4 Ausblick.- 5.1.1.5 Vergleich mit anderen Autoren.- 5.1.2 Spiegel mit äußerer, direkter Kühlung.- 5.1.3 Spiegel mit indirekter Kühlung.- 5.1.4 Spiegel mit nicht-rotationssymmetrischer Geometrie.- 5.2 Transmittierende Komponenten aus ZnSe.- 5.2.1 Experimentelle Untersuchung.- 5.2.2 Numerische Untersuchung.- 5.2.3 Ergebnisse.- 5.2.3.1 Einfluß der Kühlung.- 5.2.3.2 Einfluß der Leistung.- 5.2.3.3 Einfluß des Strahlradius.- 5.2.3.4 Wellenfrontfehler durch Bestrahlung.- 5.2.3.5 Vergleich mit numerischer Berechnung.- 6 Auswirkungen auf die Fokussierbarkeit.- 6.1 Zusammenhang zwischen Deformation und Fokusparametern.- 6.1.1 Fokuslage.- 6.1.2 Fokusvergrößerung.- 6.2 Zusammenfassung der Ergebnisse.- 6.3 Ergänzende Ergebnisse aus der Literatur.- 6.4 Vorschläge für weitere Untersuchungen.- 7 Zusammenfassung.- 8 Literaturverzeichnis.- A Anhang.- A.1 Unschärferelation und Lasermoden.- A.2 Fehlerdiskussion zur Interferometrie.- A.3 Fehlerdiskussion zur Absorptionsmessung.- A.4 Vorschlag zur Messung der Fokussierbarkeit.- Danksagung.