Modell Zur Rechnerischen Simulation Von Laserresonatoren Und Strahlführungssystemen

ISBN-13: 9783519062059 / Niemiecki / Miękka / 1992 / 192 str.

Uwe Zoske; Uwe Zoske

Opis

1.1 Thematischer Hintergrund Mit der Entwicklung des Lasers zu einem In der Industriellen Fertigung eInsetz baren Werkzeug wurden neuartige Bearbeitungsverfahren eingefuhrt, die auf Grund der speziellen Eigenschaften von Laserstrahlen herkommlichen Verfah ren unter bestimmten Gesichtspunkten uberlegen sind. Trotz der Inzwischen etablierten Akzeptanz des Lasers In der Industrie verlief bisher die Entwicklung von Laserstrahlquellen getrennt von der von Bearbeitungsanlagen. Zum einen optimierten Ingenieure In Forschungsinstituten als auch In Entwicklungsabteilun gen der Laserhersteller die Strahlquellen lediglich Im Hinblick auf Wirkungsgrad und Strahlqualltot, wohrend andererseits Bearbeitungsanlagen nach den Vor gaben der konventionellen Fertigungstechnik konzipiert und gefertigt wurden. Die Integration einer Laserstrahlquelle In eine nicht unter der Berucksichtigung der speziellen Eigenschaften des Lasers entwickelten Anlage hat naturgemoss eine Verschlechterung der erzielbaren Bearbeltungsqualltot und -effizienz zur Folge. Neuere Forschungsvorhaben tragen dieser Erkenntnis Rechnung. So wurde z.B. an der Unlversltot Stuttgart ein Sonderforschungsbereich InitIIert, der sich unter anderem mit der Integration des Lasers In entsprechend konzipierte Bearbeitungsanlagen befasst. Dabei wird neben anderem die Moglichkeit untersucht. In einem Strahlfuhrungssystem einen Regelungsmechanismus ein zusetzen, der mit Hilfe konventioneller und adaptiver Optiksysteme die fur den Jeweiligen Bearbeltungsprozess optimalen Strahlparameter am Werkstuck zur Verfugung stellt und wohrend des Bearbeitungsvorgangs diese konstant holt. Grundvoraussetzung fur die Entwicklung solch komplexer Strahlfuhrungssysteme und die Konzeption der dafur notwendigen optischen Systeme bildet die rechnerische Simulation unter realitotsnahen Randbedingungen. Die vorliegen de Arbeit befasst sich mit einem Teilaspekt dieser Problematik: der Simulation der Strahlausbreitung von der Strahlquelle bis hin zur Werkstuckoberflo

Spis treści

1 Einführung.- 1.1 Thematischer Hintergrund.- 1.2 Inhaltsübersicht.- 2 Theorie.- 2.1 Wellengleichung.- 2.2 Ausbreitung von elektromagnetischer Strahlung im Vakuum.- 2.3 Geometrische Optik.- 2.3.1 Eikonalgleichung der geometrischen Optik.- 2.3.2 Fermatsches Prinzip.- 2.3.3 Reflexions- und Brechungsgesetz.- 2.3.4 Reflexion an gekrümmten Oberflächen.- 2.4 Wellenoptik.- 2.4.1 Interferenz.- 2.4.2 Kohärenz.- 2.4.3 Beugung.- 3 Berechnung optischer Resonatoren.- 3.1 Laserresonatoren im Bild der geometrischen Optik.- 3.1.1 Stabile Resonatoren.- 3.1.2 Äquivalenter symmetrischer Resonator.- 3.1.3 Instabile Resonatoren.- 3.2 Beugungsbegrenzte Strahlausbreitung in optischen Resonatoren.- 3.2.1 Berechnung der Feldverteilung in leeren Resonatoren.- 3.2.2 Numerische Lösung der Eigenwertgleichung.- 3.2.3 Berechnung von Nah- und Fernfeld.- 3.3 Berechnung optischer Elemente durch Strahlverfolgung.- 3.3.1 Grundgleichungen.- 3.3.2 Raytracing durch eine sphärische Linse.- 3.3.3 Raytracing durch asphärische Oberflächen.- 3.3.4 Dejustierung durch Achsversatz.- 3.3.5 Dejustierung durch Verkippung.- 3.4 Berücksichtigung des resonatorinternen Mediums.- 3.4.1 Standardmodell.- 3.4.2 Neuentwickeltes Modell.- 3.4.3 Vereinfachtes Verfahren bei geringen Dichteänderungen.- 3.4.4 Zusammenfassung.- 3.5 Berücksichtigung der Resonatorjustierung.- 4 Vergleich der Modelle.- 4.1 Berechnung des leeren Resonators.- 4.2 Validierung.- 4.3 Lineares Brechzahlprofil im quergeströmten Resonator.- 5 Berechnung eines Strahlführungssystems.- 5.1 Voruntersuchungen.- 5.2 Simulationsvorgaben.- 5.3 Ergebnisse der einzelnen Berechnungsschritte.- 6 Zusammenfassung.- 7 Ausblicke.- 8 Literaturverzeichnis.- 9 Anhang.- A1 Phänomene der geometrischen Optik.- A1.1 Fermatsches Prinzip.- A1.2 Reflexions- und Brechungsgesetz.- A1.3 Reflexion an gekrümmten Oberflächen.- A1.3.1 Sphärische Spiegel.- A1.3.2 Parabolspiegel.- A1.3.3 Berechnung einer sphärischen Oberfläche.- A1.3.4 Berechnung einer dünnen Linse.- A2 Abbildungsfehler.- A2.1 Sphärische Aberration.- A2.2 Koma.- A2.3 Verzeichnung.- A2.4 Astigmatismus.- A2.5 Bildfeldwölbung.- A2.6 Chromatische Aberration.- A3 Strahlverfolgung durch eine sphärische Linse.