Untersuchung der Laser-induzierten Zerstörschwelle von Strahlführungskomponenten zur Ausarbeitung materialspezifischer Messroutinen
Creators: name: Kiedrowski, Kevin
Publisher: name: Hannover : Institutionelles Repositorium der Leibniz Universität Hannover
Year: 2024
Subjects: subject: Laser-induced damage threshold
subject: polymer optical fiber
subject: hybrid mirrors
subject: Laser-induzierte Zerstörschwelle
subject: polymere optische Faser
subject: Hybridspiegel
subject: Dewey Decimal Classification::500 | Naturwissenschaften

description: Moderne optische Strahlführungssysteme werden für zahlreiche Laseranwendungen benötigt. Diese Systeme können sowohl aus optischen Fasern bestehen als auch über einen Freistrahlansatz mittels mehrerer Spiegel realisiert werden. Somit kann die Übertragung von Laserstrahlung aufgrund der Fasereigenschaften räumlich flexibel und kompakt gestaltet werden bzw. zwischen zwei Spiegeln weitere für die Anwendung essentielle Optiken in den Strahlengang implementiert werden. Eine typische moderne Anwendung bestehend aus zwei Spiegeln ist die positionsgenaue Bestrahlung einer Fläche mittels eines Galvanometer-Scanners. Unabhängig von der Anwendung müssen optische Komponenten eine möglichst lange und sichere Betriebsdauer gewährleisten, um einen ungeplanten Prozessausfall zu verhindern und den einhergehenden Kosten- und Zeitaufwand zu reduzieren. Diesbezüglich ist die Laser-induzierte Zerstörschwelle (LIDT) die wichtigste Kenngröße zur Charakterisierung einer optischen Komponente, um eine dauerhafte Prozesstauglichkeit bei gegebenen Laserparametern abzuschätzen. Entsprechend wurden in der Vergangenheit zur Vereinheitlichung der Messroutine und des Vergleichs zwischen mehreren Institutionen geeignete Normen erarbeitet. Die rapide Entwicklung leistungsstärkerer Lasersysteme, kompakter werdende optische Systeme, steigende Komponentenqualität sowie die Anwendung alternativer Materialien führen jedoch zu Abweichungen im Zerstörverhalten und den Auswirkungen einzelner Zerstörungen, auf denen die Messprinzipien aufgebaut wurden. Aus diesen Gründen werden in dieser Arbeit geeignete Messroutinen zur Bestimmung der LIDT präsentiert, welche insbesondere den speziellen Zerstörcharakteristiken moderner optischer Komponenten gerecht werden. Die Studien sind auf die Nanosekunden-gepulste Bestrahlung von polymeren optischen Fasern sowie die Laser-induzierte Zerstörung von optischen Spiegeln mittels Laserstrahlung mit Ausgangsleistungen im Kilowattbereich fokussiert. Diese Komponenten sind wegen ihres Zerstörverhaltens von besonderem Interesse. Die Zerstörung von Polymeren findet im Nanosekunden-gepulsten sichtbaren Bereich typischerweise im Volumen statt und führt bei optischen Fasern zur Berücksichtigung der komplexen und stetig variierenden Intensitätsverteilung während der Propagation. Im Gegensatz dazu ist die Zerstörung im Dauerstrichbereich auf thermische Phänomene zurückzuführen. Jedoch basieren die Näherungen zur Beschreibung des Zerstörverhaltens auf große optische Komponenten und einem vergleichsweise kleinem Strahldurchmesser, weswegen die Approximationen nur begrenzt auf die heutzutage relativ kleinen Spiegel anzuwenden sind. Die Resultate bezüglich dieser genannten wissenschaftlichen Herausforderungen und die Erarbeitung verlässlicher Messroutinen sind in der vorliegenden Arbeit detailliert dargestellt. Eine verlässliche Bestimmung der LIDT mittels der angepassten Messroutinen und entsprechender Evaluation der Daten wurde im Rahmen dieser Arbeit für die beiden Probenarten demonstriert. Das Zerstörverhalten der polymeren optischen Fasern in Abhängigkeit der komplexen Intensitätsverteilung während der Propagation innerhalb der Faser konnte nachgewiesen werden, und die Ursache wird auf aus der Literatur bekannte Zerstörmechanismen polymerer Materialien zurückgeführt. Die Untersuchungen von Spiegeln mittels kontinuierlicher Laserstrahlung zeigten einen grundlegend thermischen Mechanismus. Aufgrund der hohen Qualität der Komponenten wird die rein intrinsische Zerstörung in Einzelfällen von der erhöhten Absorption von Fehlstellen dominiert. In praxisnahen Messungen mittels eines Galvanometer-Scanner konnten unter den kritischsten Bedingungen lokale thermische Materialänderungen, welche den Prozess nicht einschränkten, nachgewiesen werden.
description: Modern optical laser beam guidance systems are necessary for many laser applications. These systems can consist of optical fibers as well as free space approaches using mirrors. Thus the transfer of the laser beam can be realised spatially flexible utilizing waveguide properties or rather quickly adaptable allowing other optical components to be implemented in the beam path. A typical application is for instance a galvo scanner consisting of two mirrors allowing the precise irradiation of the area of interest. Optical components need to guarentee a safe and long-lasting operating time independent of the usage to prevent unscheduled process failure reducing accompanying cost and time expenses. With regards to this, the laser-induced damage threshold (LIDT) is one of the most important physical quantities to characterize the long-term process suitability of an optical component for given laser parameters. Consequently, detailed standards were developed in the past to create a unified measurement routine allowing a straight-forward comparison between multiple institutes. However, laser systems with increasing output power are developed each year, the optical systems are getting more compact, the components quality rises and different as well as novel materials are used. This leads to deviations in the damage behavior and the impact of single laser-induced damage sites on the components properties on which the measurement routines are based on. For these reasons, this work presents suitable measurementroutines to determine the LIDT of modern optical components which have relatively specific damage characteristics. The investigations are focused on the nanosecond pulse induced damages in polymer optical fibers, as well as the thermal-driven damage mechanism of optical mirrors by continuous wave lasers with powers of several kilowatts. These components are of high interest due to their damage behavior. Damages usually occur in polymer materials in the nanosecond pulse visible range in the bulk material which requires the consideration of the complex varying intensity distriution during the propagation within the fiber. In contrast, the damage behavior of mirrors in the continuous wave regime is governed by thermal mechanisms but previous approv ximations are not suitable regarding todays small optical components. The results regarding these scientific challenges and the development of suitable measurement routines are presented in detail in this work. A reliable determination of the LIDT using an adapted measurement procedure and a corresponding evaluation of the data was demonstrated in the studies for two beam guiding components. The damage behavior of polymer optical fibers in dependence of the complex intensity distribution along the fiber was observed, and the cause is led back to damage mechanisms reported in the literature. The investigations of mirrors under continuous wave laser irradiation show a fundamentally thermal mechanism. Due to the high quality of the mirrors the pure instrinsic damage behavior is dominated in some cases by the absorption of defects. Application-driven studies using a galvo scanner under its most critical conditions proofed the generation of locally thermal-driven material modifications, which however did not limit the process.