Innovatives Netzwerk: Simulation und Optimierung innovativer Lasersysteme (SOL)

Third party funded individual grant


Project Details

Project leader:
Prof. Dr. Christoph Pflaum


Contributing FAU Organisations:
Professur für Informatik (Numerische Simulation mit Höchstleistungsrechnern)

Funding source: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi)
Acronym: SOL
Start date: 01/01/2007
End date: 31/12/2011


Research Fields

Simulation von Lasern
Professur für Informatik (Numerische Simulation mit Höchstleistungsrechnern)


Abstract (technical / expert description):


Der Laser ist eine Basiskomponente für eine große Zahl moderner optischer Systeme mit wichtigen Einsatzfeldern in der verarbeitenden Industrie, der Medizin und der Informationstechnik. Aufgrund der wirtschaftlichen Bedeutung dieser Anwendungsgebiete gehört die Lasertechnik zu den zukunftsorientierten Schlüsseltechnologien. Die Beherrschung dieser Technik wird die Wettbewerbsfähigkeit wichtiger Branchen wie Maschinenbau, Optik und Elektronik, sowie Kommunikations- und Medizintechnik entscheidend beeinflussen.

Bei der Entwicklung neuer Laser, der Leistungsverbesserung existierender Systeme sowie deren Anpassung an neue Anwendungsfelder gehört die Optimierung des Strahlprofils zu den wichtigsten Aufgaben. Denn ein unzureichendes Strahlprofil limitiert den technischen Einsatz des Lasers, da insbesondere durch das Strahlprofil die Fokussierbarkeit des Lasers bestimmt wird. Dies ist zum Beispiel für die Mikromaterialbearbeitung und die nichtlineare Optik von entscheidender Bedeutung.

Jedoch ist diese Optimierung als äußerst schwierig einzustufen, da das Strahlungsfeld anders als bei herkömmlichen Lichtquellen mit Hilfe resonanter Schwingungen des elektromagnetischen Feldes im Resonator erzeugt wird, so dass komplexe, miteinander wechselwirkende physikalische Parameter zur Strahlformung beitragen. In der Vergangenheit erfolgte diese Optimierung auf empirische Weise in langwierigen kostenintensiven experimentellen Untersuchungen. Heute jedoch sind die Senkung der Entwicklungszeiten bei gleichzeitiger Steigerung der Qualität, Effizienz und Leistung entscheidende Faktoren für die Wettbewerbsfähigkeit hiesiger Laserhersteller. Diese Kostenfaktoren können erheblich reduziert werden, wenn die Entwicklungsarbeiten durch leistungsfähige Computersimulationen unterstützt werden. Darüber hinaus ermöglichen derartige Simulationen die Entwicklung hoch innovativer Lasersysteme, die durch experimentell-empirische Versuche allein nicht realisierbar wären. So ist das Ziel des Projekts die Entwicklung eines Computersimulationsprogramms, welches die Lasermoden unter Beachtung thermischer Effekte und der absorbierten Pumplichtverteilung exakt berechnet.

Ein viel versprechender Ansatz für die Simulation der Vorgänge im Resonator liegt in der Verwendung von Finite-Elemente-Analysen (FEA), welche heute auf vielen Gebieten erfolgreich zur Modellierung technischer Systeme eingesetzt werden. Der Einsatz von FEA Verfahren in der Lasertechnik beschränkt sich jedoch bisher im Wesentlichen auf die Berechnung thermischer Effekte, wie dies in dem von einem der Projektpartner entwickelten Programm LASCAD erfolgreich durchgeführt wird.

Mit dieser Software kann jedoch das für die Ausbildung des Strahlprofils wichtige Verhalten der elektromagnetischen Felder im Resonator nicht ausreichend beschrieben werden.

Dies betrifft besonders jene Festkörperlaserkonfigurationen, die von großem technischem und wirtschaftlichem Interesse sind. Beispiele hiefür sind Laser, die seitlich von Lampen angeregt werden und für Punktschweißgeräte und in der Lasermesstechnik benötigt werden, oder Laser, die seitlich von Diodenlasern angeregt werden und welche Einsatz in Markierungs- und Beschriftungssystemen finden, oder schließlich endgepumpte Laser, die nichtlineare optische Effekte aufweisen. Ein letztes Beispiel wären Verstärkersysteme für ultrakurze Laserpulse in der Mikrosystemtechnik.

Für diese Lasersysteme muss durch zuverlässige Simulationen sowohl die zeitliche als auch die räumliche Struktur des erzeugten Laserstrahls untersucht und optimiert werden. Diese Aufgabe, welche nicht nur technisch, sondern auch wissenschaftlich von erheblicher Bedeutung ist, soll im Rahmen des geplanten Vorhabens durch den Einsatz von FEA Verfahren zur Berechnung der elektromagnetischen Feldstrukturen im Laserresonator gelöst werden. Die Berechnungen sollen anhand realer Lasersysteme validiert und anschließend bei der Entwicklung innovativer Resonatoren eingesetzt werden. Darüber hinaus sollen die Simulationsergebnisse mit Hilfe eines Modengenerators überprüft werden, der aufgrund seines einfachen Aufbaus leicht zu simulieren ist und exakt reproduzierbare Gauss-Hermite-Moden erzeugt.


Publications

Wohlmuth, M., Pflaum, C., Altmann, K., Paster, M., & Hahn, C. (2009). Dynamic multimode analysis of Q-switched solid state laser cavities. Optics Express, 17(20), 17303-17316. https://dx.doi.org/10.1364/OE.17.017303

Last updated on 2019-22-05 at 10:11