NANOPOL

Polarisationsempfindlicher Wellenfrontsensor auf Basis von "Nano-Gittern" zur Charakterisierung thermischer Aberrationen

Laserstrahlung als Werkzeug

Eine genaue Kenntnis von Strahlpro l, Wellenfront und Polarisationszustand bildet in vielen Fällen die Grundlage für den erfolgreichen und langzeitstabilen industriellen Einsatz von Laserstrahlung. Von besonderer Bedeutung ist die Kontrolle über den Strahl beim Betrieb von Hochleistungslasern z.B. in der Materialbearbeitung, wo die thermische Linse von Strahlführungs- und Fokussierungs-Optiken eine erhebliche Abweichung der Strahlparameter von angepeilten Prozesswerten zur Folge haben kann. Aufgrund der komplexen und transienten Natur thermisch induzierter Effekte decken etablierte Messverfahren nur Teilaspekte der Problematik ab, was z.B. für die zeitaufgelöste Analyse der Spannungs-Doppelbrechung und damit verbundener Wellenfront-Deformationen in thermisch belasteten Optiken relevant ist. Das im Verbundprojekt NANOPOL angestrebte echtzeitfähige Messverfahren zur umfassenden, quantitativen Lichtfeldanalyse könnte Hemmnisse beim industriellen Einsatz von Hochleistungslasern deutlich reduzieren. Aufgrund technologischer und ökonomischer Alleinstellungsmerkmale des Messsystems kann das Verbundprojekt zur Festigung und zum Ausbau der optischen und messtechnischen Industrie in Deutschland beitragen.

Sensorkonzept mit verbesserter Leistungsfähigkeit

Im NANOPOL-Verbund soll auf der Basis innovativer Subwellenlängen-Strukturen ein polarisationssensitiver Wellenfrontsensor entwickelt werden, der eine hochauflösende Lichtfeldanalyse und daraus die Bestimmung und Überwachung prozessrelevanter Strahlparameter in Echtzeit gestattet. Auf Grundlage dieser Daten soll eine Reduzierung thermisch induzierter Aberrationen erfolgen, und zwar sowohl in laseroptischen Systemen als auch für konkrete Laser-Bearbeitungsprozesse in industriellen Produktionsanlagen. Für die hochaufgelöste Echtzeit-Erfassung aller relevanter Strahlkenngrößen soll ein auf dem Wellenfront-Krümmungssensor beruhendes Messprinzip weiterentwickelt und um die ortsaufgelöste Bestimmung des Polarisationszustandes erweitert werden. Dazu ist als polarisierendes Element ein Array von Sub-Wellenlängen-Gitterstrukturen aus Aluminium auf einem Quarzglassubstrat vorgesehen, das auf lithographischem Wege hergestellt werden soll. Die Elementarzelle dieses Nanogitter-Arrays besteht aus 4 Gittern mit unterschiedlicher Orientierung, die genau 4 Pixel des verwendeten CCD-Detektors abdecken. Mit dem neuen Sensor kann die Wellenfrontrekonstruktion wahlweise für jede Polarisationsrichtung separat oder unter Mittelung über die 4 Teilgitter erfolgen. Zudem besteht die Möglichkeit, den Polarisationszustand lokal über die Bestimmung der Stokes-Parameter zu charakterisieren.

Da Systeme zur kombinierten Echtzeitmessung von Strahlpro l, Wellenfront und Polarisationszustand von Laserstrahlung bisher kommerziell nicht angeboten werden, bestehen hier aussichtsreiche Marktchancen. Mögliche Interessenten sind sowohl im Industrieumfeld (z.B. Hersteller und Anwender von Hochleistungs-Festkörperlasern, Diodenlasern und entsprechender Optiken) wie auch im Forschungssegment bei der Untersuchung innovativer Strahlquellen (Diodenlaser, Laser mit radialer oder tangentialer Polarisation etc.) angesiedelt. Darüber hinaus sind zusätzliche Informationen über die Polarisation als Input für das numerische Design komplexer Optiken relevant.

Ansprechpartner

Dipl.-Phys.Lars Unnebrink
+49 211 6214-598

Projektdetails

Koordinator

Dr.Otto Märten
Primes GmbH Meßtechnik für die Produktion mit Laserstrahlung
Max-Planck-Str. 2, 64319Pfungstadt
+49 6157 9878-113

Projektvolumen

1,67 Mio € (Förderquote 73%)

Projektdauer

01.02.2017 - 30.09.2020

Projektpartner

Primes GmbH Meßtechnik für die Produktion mit LaserstrahlungPfungstadt
Laser-Laboratorium Göttingen e.V.Göttingen
Sill Optics GmbH & Co. KGWendelstein
Gesellschaft für Angewandte Mikro- und Optoelektronik mit beschränkter Haftung - AMO GmbHAachen