Abstract
Hochleistungslaser finden heutzutage immer häufiger immer vielseitigere Anwendungen in der industriellen Fertigungstechnik. Ein wesentlicher Grund für diese Entwicklung ist die Senkung der Produktionskosten durch gesteigerte Prozessgeschwindigkeit und zugleich höhere Qualität bei der Teilefertigung. Eine Steigerung der Auslastung von Laserstrahlquellen in modernen Fertigungslinien kann mithilfe der Lasernetzwerktechnologie 1 erreicht werden. Durch ein Lasernetzwerk wird die Anlassverfügbarkeit der Laserstrahlquellen in Bearbeitungsstationen erhöht. Zudem kann durch Änderung der Strahlparameter eine Erweiterung möglicher Bearbeitungsprozesse von Bearbeitungsstationen erreicht werden, so dass ihre Produktivität maßgeblich gesteigert wird.
Der Schlüssel dazu ist die aus dem Telekombereich stammende Fasertechnologie, die zunehmend auf den Bereich der Hochleistungslaser übergeht. Als wichtigste Komponenten eines optischen Netzwerks sind Faserkoppler und Strahlweichen zu nennen 2. Im Grunde handelt sich dabei um faserbasierte Bausteine mit UND- bzw. ODER-Funktionalitäten, die in analoger Weise auch auf den Bereich der Hochleistungslaser (mit Leistungen > 1 kW) übertagen werden können.
Während Faserkoppler, als Komponenten, welche die Strahlung aus mehreren Eingangsfasern in eine Ausgangsfaser leiten, erfolgreich in Faserlasern eingesetzt werden 3, ist eine faserbasierte Strahlweiche für den Bereich der Hochleistungslaser bislang nicht bekannt. Stattdessen wird die optische Schaltung heutzutage anhand einer variablen Kopplung vom Freistrahl realisiert 1 4. Diese Lösungen sind in der Regel mit hohen Herstellungskosten und mit grundlegenden optischen Limitierungen 5 verbunden, die eine deutliche Verschlechterung der Strahlqualität sowie deutliche Leistungsgrenze aufzeigen.
Durch einen monolithischen Ansatz, bei dem die Strahlführung mithilfe von faserbasierten Elementen durchgehend im Glasmaterial stattfindet, können die heutigen Grenzen in der Leistungsskalierung sowie auch der Strahlqualitätserhaltung potenziell verschoben werden. Aus dieser Überlegung heraus werden in dieser Arbeit verschiedene Ausführungsformen von monolithischen Strahlweichen auf Basis von Gradienten-Index-Linsen (GRIN-Linsen) erarbeitet. Mit geeigneten Simulationsprogrammen wurden dazu sowohl optische als auch mechanische Eigenschaften berechnet und das Potenzial jener Strahlweichen bewertet. Eigenschaften wie Hochleistungstauglichkeit, Erhaltung der Strahlqualität sowie Stabilität für ca. 1 Mio. Schaltvorgänge werden für ihre Funktionalität vorausgesetzt.
Die Abbildungseigenschaften der verfügbaren Komponenten für eine monolithische Strahlweiche stehen im Vordergrund der vorliegenden Arbeit. Insbesondere werden unterschiedliche Fertigungsverfahren von GRIN-Linsen bzw. GRIN-Fasern herangezogen. GRIN-Vorformen, die mit gängigen Abscheidungsverfahren (MCVD, PCVD und VAD) hergestellt wurden, zeigten eine relativ starke Abweichungen sowie charakteristische Schwankungen ihrer Brechungsindexprofile. Lediglich kommerziell erhältliche GRIN-Linsen aus dem Ionenaustausch-Verfahren (mit Na+/Li+-Ionen), zeigten ein glattes, parabolisches Brechungsindexprofil. Messungen von Phasenfronten mithilfe eines angepassten Interferometers belegten lediglich für die Na+/Li+-basierten GRIN-Linse eine beugungsbegrenzte Abbildungsqualität. Auch im Hochleistungstest bei 1 kW bewirkte eine gekühlte Na+/Li+-basierte GRIN-Linse eine geringe Fokuslagen-Verschiebung von nur 9 %.
Eine untersuchte monolithische Strahlweiche basiert auf zwei GRIN-Linsen und ein dazwischen angefügtes, kernloses Faserelement aus reinem Quarzglas. Mit einen Durchmesser von 1 mm und der Gesamtlänge von < 25 mm weist die monolithische Strahlweiche deutlich kleinere Abmessungen als eine kommerzielle, freistrahlbasierte Strahlweiche auf 4. Die Schaltung zwischen zwei dicht aneinander angefügten Ausgangfasern wurde durch eine Drehung der ausgangseitigen GRIN-Linse um ± 1 Grad erreicht. Aus entsprechenden Simulationen ließen sich sowohl unterkritische Materialspannungen, als auch eine Verschlechterung der Strahlqualität von < 20 % ableiten. Auf Basis von experimentellen Biegeuntersuchungen jener kernlosen Faserelemente wurde ihre maximale Beanspruchung statistisch bestimmt und mit der Griffitschen Sprödbruchtheorie in Übereinstimmung gebracht. Mit dieser Ausführungsform wurde schließlich erstes Funktionsmuster experimentell umgesetzt sowie bei niedrigen Leistungen charakterisiert. Neben dem experimentell nachgewiesenen Schaltvorgang zwischen zwei Ausgangsfasern wurden optische Einbußen in jener Ausführungsform deutlich, die vorwiegend auf Abweichungen von engen Toleranzen beim Fügen ihrer Komponenten zurückgeführt wurden.
Als Alternative wurde eine Ausführungsform erarbeitet, die den Schaltvorgang auf Basis einer einzelnen gebogenen GRIN-Linse ausführt. Im Gegensatz zu der freien Propagation im kernlosen Faserelement wird die Strahlung nun durchgehend durch das parabolische Brechungsindexprofil geführt. Zugleich wird die Anzahl der Komponenten auf ein Minimum reduziert, so dass Abweichungen von Toleranzen geringeren Einfluss auf optische Effizienz haben. Diese Ausführungsform erlaubt sowohl eine vollständige Erhaltung der Strahlqualität, so wie auch weit freiere Dimensionierbarkeit. Theoretische Betrachtungen belegen unter anderem, dass eine Schaltung zwischen zwei dicht aneinander gefügten Ausgangfasern mit Durchmessern von 125 μm bereits mit einer 250 μm dünnen GRIN-Linse bei Biegeradien von ± 3 cm möglich ist. Für eine reine Biegung (d.h. Biegemoment und Biegeradius sind konstant) ergeben sich dabei unkritische maximale Spannungen von < 300 MPa. Im Idealfall wird diese monolithische Strahlweiche durchgehend beschichtet, so dass Luft-Korrosion 6 vermieden und ihre mechanische Stabilität dauerhaft erhalten bleibt.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Ausführungsform auf Basis einer gebogenen GRINLinse ebenfalls experimentell untersucht. Sowohl die Erhaltung der Strahlqualität als auch laterale Fokusversätze konnten nachgewiesen und mit der Theorie in Übereinstimmung gebracht werden. Insbesondere diese Lösung wurde schließlich für den Einsatz im Bereich der Hochleistungslaser favorisiert. Offengebliebene Anforderungen an benötigte GRIN-Linsen werden letztlich im Ausblick diskutiert.
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