Forschungsberichte: Aktive und Adaptive Optik

Das Fraunhofer IOF bietet für Kunden aus Industrie und Forschung die Entwicklung und Erprobung von anwendungsspezifischen deformierbaren Spiegeln und kompletten AO-Systemen zur aktiven Strahlformung an. Aktive und adaptive Optiken zeigen ihr Potenzial unter anderem in der Lasermaterialbearbeitung, bei Weltraumteleskopen oder in der Laser- und Quantenkommunikation.

Könnten adaptive oder aktive Optiken eine Lösung für Ihr Strahlformungsproblem sein?

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Aktive and adaptive Optik

Nachfolgend finden Sie Forschungsberichte zu unseren neuesten Entwicklungen der AO:

Adaptiv-optische Box für Quantenkommunikation Bodenstation

Das Fraunhofer IOF hat in Zusammenarbeit mit Synopta GmbH (Schweiz) ein adaptiv-optisches Modul für die optische Bodenstation der Universität Wien entwickelt. Die »Quantum Communication Adaptive Optics Box« (Q-AO-Box) kann an ein 80 cm Ritchey-Chrétien Teleskop angebracht werden und korrigiert die durch atmosphärische Turbulenz verursachten Phasenfehler des an der Bodenstation ankommenden Lichtes. Durch diese Korrektur wird die Einkopplung eines Quantensignals in eine Singlemode-Faser ermöglicht.

Eine Quelle im Satelliten emittiert ein Quantensignal und einen helleren Leitstrahl mit unterschiedlichen Wellenlängen. In der Bodenstation analysiert die Q-AO-Box den Einfluss der atmosphärischen Turbulenz auf den ankommenden Leitstrahl mithilfe eines Wellenfrontsensors. Das Analyseergebnis wird anschließend dazu verwendet, einen Kippspiegel und einen deformierbaren Spiegel zu regeln, welche sowohl den Leitstrahl als auch das Quantensignal in Echtzeit und unabhängig von ihrer  Wellenlänge korrigieren. Das eingekoppelte Quantensignal kann anschließend gemessen oder über ein angebundenes Fasernetzwerk weitergeleitet werden.

Bei der Entwicklung des Systems wurde die maximale Wellenlängenflexibilität zukünftiger Experimente angestrebt. Dementsprechend ist das Optikdesign der Q-AO-Box so konzipiert, dass sie für einen breiten Wellenlängenbereich (650 – 860 nm) nutzbar ist.

Das optische System ist in eine höchst stabile, transportfähige, temperaturgeregelte und staubdichte Box integriert. Die Faserkoppeleinheit ist über die separat isolierte »User-Box« zugänglich (unten rechts im System), welche eine flexible Integration von zusätzlichen Optiken ermöglicht.

Autorenschaft: Aoife Brady, Andreas Kamm, Teresa Kopf, Edgar Fischer (Synopta GmbH), Rupert Ursin (IQOQI - Wien, Österreichische Akademie der Wissenschaften)

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Datenblatt: AO-Box für Quantenkommunikation

Deformierbarer Spiegel zur hochdynamischen Strahloszillation

Die gezielte Energieeinkopplung in das Werkstück spielt eine entscheidende Rolle in der Lasermaterialbearbeitung. In konventionellen Laserbearbeitungsanlagen werden hochdynamische Scanner zur Strahlmanipulation in X- und Y-Richtung eingesetzt. Die Fokusverschiebung in Z-Richtung erfolgt hingegen durch verschiebbare Linsensysteme oder hydraulisch bzw. pneumatisch aktivierte deformierbare Spiegel. Diese Systeme stellen eine deutliche Limitation hinsichtlich der Dynamik des Gesamtsystems dar. Speziell in den Anwendungsfeldern des Laserstrahlschneidens und -schweißens zeigen Voruntersuchungen der Kolleginnen und Kollegen des Fraunhofer IWS, dass der Einsatz einer hochdynamischen Strahloszillation in Z-Richtung die Prozessgeschwindigkeit signifikant erhöht und die Prozessstabilität verbessert werden kann.

Zur Vergrößerung des Dynamikbereiches erfolgte im Rahmen des Zwanzig20-Projektes »PISTOL³« die Entwicklung eines aktiven deformierbaren Spiegels als Z-Achse. Abbildung 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau des deformierbaren Spiegels sowie schematisch dessen Integration in den Aufbau eines Laserbearbeitungskopfes. Kernelement des deformierbaren Spiegels ist eine Membran. Deren spezielles Design ermöglicht die Korrektur der astigmatischen Aberration infolge der 90°-Strahlumlenkung bei gleichzeitiger Oberflächendeformation. Die notwendige torische Oberfläche wird durch einen vorgespannten piezo-elektrischen Aktor erzeugt. Dieser leitet spannungsabhängig eine zentrische Auslenkung der Spiegelmembran ein. Im unverformten Zustand trifft ein kollimierter Laserstrahl auf den deformierbaren Spiegel, wird umgelenkt und mit einer Linse im Abstand deren Brennweite fokussiert. Mit Auslenkung des deformierbaren Spiegels wird der Laserstrahl, nachdem er den Spiegel passiert hat, aufgeweitet. Das divergierende Strahlbündel wird ebenfalls durch die Linse fokussiert. Durch die konvexe Krümmung der Spiegeloberfläche verschiebt sich der Fokus des Strahlenbündels. Die resultierende Brennweite ändert sich in Abhängigkeit der Verformung der Spiegeloberfläche.

Der entwickelte deformierbare Spiegel (Abb. 1) besitzt eine elliptische Apertur von 60 mm x 30 mm. In Kombination mit einer Fokussierlinse mit einer Brennweite von 200 mm wird eine Fokusverschiebung von 18 mm mit einer Oszillationsfrequenz von bis zu 8,5 kHz erreicht. Zudem besitzt der Spiegel eine Hochleistungsbeschichtung deren Eignung in Versuchen mit bis zu 4 kW cw Laserleistung nachgewiesen werden konnte. Erste experimentelle Untersuchungen zeigen im Laserstrahlschneiden eine Erhöhung der Prozessgeschwindigkeit um bis zu 60 % bei gleichbleibend hoher Kantenqualität. In der Anwendung des Laserstrahlschweißens konnte eine Erhöhung der Prozessstabilität sowie eine Verringerung der Porosität der Schweißnaht nachgewiesen werden.

Autorenschaft: Claudia Reinlein, Paul Böttner

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Dynamischer Fokusspiegel für die Lasermaterialbearbeitung

Der dynamische Fokusspiegel (Abb. 1) dient zur schnellen Brennweitenänderung in optischen Systemen (Abb. 2) und kann beispielsweise zur schnellen Fokuslagenanpassung in Lasermaterialbearbeitungsmaschinen eingesetzt werden. Er besteht aus einem dünnen dielektrisch beschichteten Glassubstrat, welches mit einem piezoelektrischen Scheibenaktor verklebt wird und so einen unimorphen Spiegel bildet. Zur Verbesserung der Wärmeableitung und zur Erhöhung der Laserfestigkeit ist eine dünne Kupferschicht in den Spiegel integriert. Beim Anlegen einer Spannung an den Scheibenaktor zieht sich dieser zusammen und wölbt das Spiegelsubstrat auf (Abb. 2). Durch das besondere mechanische Design kann die plane Oberfläche des Spiegels auf Krümmungsradien von bis zu 3,4 Metern gewölbt werden.

In einem praktischen Nachweis wurde dieser Fokusspiegel (Abb. 1) mit einem kommerziellen Schneidkopf mit 100 mm Brennweite kombiniert. In diesem Aufbau wurde der kollimierte Laserstrahl einer Multimode Laserquelle unter 45° vom Fokusspiegel abgelenkt und anschließend vom Schneidkopf fokussiert. Durch die Auslenkung des Spiegels wurde bei gleichbleibender Strahlqualität eine Brennweitenänderung von 3,6 mm erzielt. Die Größe der Brennweitenänderung wird hierbei maßgeblich durch die nominelle Brennweite der Schneidoptik sowie den Krümmungsradius des Fokusspiegels bestimmt. Bei Kombination mit einem nominellen 200 mm Schneidkopf sind sogar 20 mm Brennweitenänderung erzielbar.

Neben dem Arbeitsbereich wurde auch die Spiegeldynamik charakterisiert und mithilfe eines modulierten Ansteuerungssignals optimiert. Der Fokusspiegel erreicht Antwortzeiten von weniger als 2 ms für einen Vollhub und ist damit deutlich schneller als vergleichbare kommerzielle adaptive Fokussierspiegel. Dadurch soll für den Anwender eine Zeitersparnis im Vergleich zu bestehenden Lösungen für adaptive Spiegel oder Linsenschieber/-steller erzielt werden.

Als Anwendungsbereich sehen wir vorwiegend laserbasierte Schneid- und Schweißapplikationen. Grundlage hierfür sind die enorme Brennweitenänderung sowie die herausragenden thermischen Eigenschaften des Spiegels, die einen problemlosen Einsatz bis 6 kW Laserleistung (Dauerstrich) bei 1064 nm Wellenlänge ermöglichen. Hierbei zeigt sich ein sehr geringer und leistungsunabhängiger Einfluss der Spiegeloberfläche auf die Strahlqualität. Die Beugungsmaßzahl M² wird durch den Einsatz des Fokusspiegels im Mittel von 2 (nur Laser) auf 3 angehoben.

Der Spiegel ist für 1“ Strahldurchmesser ausgelegt und kann über kommerzielle 3‘‘ Halter in Bearbeitungsköpfe integriert werden. Eine anwenderbezogene Anpassung hinsichtlich der Spiegelbeschichtung, der Strahlapertur oder eine Auslegung des Spiegels als 90° Umlenkspiegel ist möglich.

Autorenschaft: Teresa Kopf, Claudia Reinlein

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Adaptiv optisches System für Weltraum-Erde Laserkommunikation

Im Rahmen eines ESA StarTiger-Projektes wurde ein Breadboard entwickelt, um Laserkommunikation mit Unterstützung durch adaptive Optik (AO) zu untersuchen. Abbildung 2 zeigt das untersuchte Szenario zwischen ESAs optischer Bodenstation auf Teneriffa und einem geostationären Laserkommunikationssatelliten. Dieser Satellit emittiert einen Laserstrahl (Downlink), der bis zum Auftreffen auf die Atmosphäre beugungsbegrenzt ist. Erst die atmosphärischen Turbulenzen zwingen dem Downlink Wellenfrontaberrationen auf, die zu Strahlwandern, Strahlverbreiterung und Aberrationen höherer Ordnung führen. In dem vorliegenden Szenario läuft ein weiterer Laserstrahl (Uplink) von der Bodenstation zum Satelliten. Dabei passiert dieser die Atmosphäre vergleichbar zum Downlink, so dass am Satelliten ein verzerrter Strahl eintrifft, der zu einer verschlechterten Effizienz der Kommunikationsverbindung führt. Zusätzlich muss ein Vorhaltewinkel des Uplinks mit berücksichtigt werden. Dessen Ursprung liegt in der endlichen Lichtgeschwindigkeit und der Relativgeschwindigkeit von Bodenstation und Satellit. Die Bodenstation muss auf einen zukünftigen Punkt auf der Satellitentrajektorie zielen, um zu sichern, dass der Uplink das Teleskop des Satelliten trifft. Abbildung 1 zeigt das entwickelte Breadboard, welches aus einem deformierbaren Spiegel, einem schnellen Kippspiegel und einem Shack-Hartman Sensor besteht, die geregelt betrieben werden, um Aberrationen zu kompensieren, die von einem geätzten Aberrationsemulator induziert werden.

Im Gegensatz zum Stand der Technik nutzt dieses 1 kHz schnelle AO-System den Downlink, um die atmosphärischen Aberrationen zu messen. Auf Basis dieser Daten wird der Uplink, der zum Satelliten läuft, vorkompensiert und das Strehlverhältnis S des Uplinks (als Maß für die Qualität des Strahls) am Satelliten von S = (4 ± 4) % ohne Kompensation auf S = (28 ± 15) % mit Kompensation und Vorhaltewinkel verbessert.

Innerhalb von nur 9 Monaten entwickelte das Fraunhofer IOF, zusammen mit der TU Ilmenau und der FSU Jena das in Abbildung 2 gezeigte Breadboard mit einem in Echtzeit geregelten AO-System. Damit erfolgt für das beschriebene Szenario ein Machbarkeitsnachweis für effiziente Vorkompensation. Tatsächlich werden in diesem Aufbau Uplink und Downlink kompensiert. Weiterhin ist der Aufbau für 1064 nm und 1550 nm beugungsbegrenzt, um eine Untersuchung dieser beiden typischen Laserkommunikationswellenlängen zu ermöglichen. Daneben kann auch der Einfluss des Vorhaltewinkels auf die Kompensationseffizienz flexibel untersucht werden. Der entwickelte InGaAs-basierte Wellenfrontsensor arbeitet mit beiden Wellenlängen und niedrigsten Lichtintensitäten, um später in der eigentlichen Applikation eingesetzt zu werden.

Autorenschaft: Claudia Reinlein, Nina Leonhard, René Berlich, Stefano Minardi (FSU Jena), Alexander Barth (TU Ilmenau)

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Weiterführende Informationen

Zukunftstechnologien

Verschaffen Sie sich einen Überblick über das gesamte Leistungsspektrum unserer wissenschaftlichen Abteilung »Zukunftstechnologien« am Fraunhofer IOF.

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