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Montage nichtlinearer optischer Kristalle für den Einsatz in der Luft- und Raumfahrt

Shaker,
Buch
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Kurzbeschreibung

Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer Löttechnologie für nichtlineare optische Kristalle für Hochleistungslaser. Die zu erzielenden Form- und Lagetoleranzen sowie mechanische Belastungen der Kristalle stellen dabei einen zentralen Arbeitspunkt dar.
Bei der Untersuchung der Montage von optischen Komponenten werden mehrere Strategien betrachtet. Die Vorhaltestrategie erweist sich als geeignetste. In Kombination mit einer lokalen Kühlung werden die geforderten Toleranzen von 100 µrad unterschritten.
Das Fügen von nichtlinearen Kristallen mittels Lot wird durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten α entlang unterschiedlicher Kristallachsen erschwert. Der BBO-Kristall ist aufgrund seiner mechanischen Eigenschaften rissempfindlich. Zum Fügen kann eine geeignete Kombination von Material und Struktur gefunden und das Ergebnis am Beispiel einer funktionsfähigen Pockelszelle demonstriert werden.
Zur effizienten Frequenzkonversion muss die Temperaturverteilung im LBO-Kristall homogen sein. Aus diesem Grunde wird der Kristall flächig verlötet. Die Konversionseffizienz ist mit 67% auf dem Niveau der heute eingesetzten geklemmten Systeme.
Zur Untersuchung der technischen Eignung der Löttechnologie für den Aufbau von TGG-Kristallen werden Polarisationsmessungen herangezogen. Dabei zeigt sich, dass der Gangunterschied R bei gelöteten Kristallen kleiner als bei geklebten Kristallen ist.
Die Analyse der optischen Eigenschaften des KTP-Kristalls zeigt die technische Anwendbarkeit der Löttechnologie. Bei optischen Tests werden ein ungelöteter und ein gelöteter KTP-Kristall miteinander verglichen. Die optische Leistung POpt beider analysierter Kristalle unterscheidet sich im Rahmen der Messtoleranz nicht.

Details
Schlagworte
Hauptbeschreibung

Titel: Montage nichtlinearer optischer Kristalle für den Einsatz in der Luft- und Raumfahrt
Autoren/Herausgeber: Heinrich Faidel
Aus der Reihe: Berichte aus der Lasertechnik
Ausgabe: 1. Auflage

ISBN/EAN: 9783844033021

Seitenzahl: 117
Format: 21 x 14,8 cm
Produktform: Taschenbuch/Softcover
Gewicht: 176 g
Sprache: Deutsch

Mittels eines Weltraum-gestützten LIDAR-Systems (Light Detection and Ranging) kann eine globale Analyse von Gasen wie Wasserdampf, Methan oder CO2 in der Atmosphäre stattfinden. Das Verständnis der Prozesse in der Atmosphäre könnte durch eine umfassende Datenbasis verbessert werden. Damit würde eine Überprüfung und Verbesserung der Klimamodelle und somit eine präzisere Prognose ermöglicht.
Der Einsatz im Weltraum stellt hohe Anforderungen bezüglich thermischer und mechanischer Wechsellasten. Dabei sind Fragestellungen hinsichtlich der Zuverlässigkeit bei Betriebsdauern von mindestens drei Jahren ohne Einbuße in Pulsenergie und Strahlqualität von besonderer Bedeutung. Auch wenn bereits einfachere Systeme im Orbit vorhanden sind, so besteht für die geplanten, erheblich komplexeren Systeme die Notwendigkeit zur Weiterentwicklung kritischer Komponenten.
Die Untersuchung der Montage von optischen Komponenten wird mit Hilfe eines speziell dafür konstruierten Ofens durchgeführt. Dabei werden mehrere Strategien betrachtet. Die Vorhaltestrategie erweist sich als geeignetste für die Montage von toleranzunempfindlichen Komponenten. In Kombination mit einer lokalen Kühlung werden die geforderten Toleranzen von 100 µrad unterschritten.
Das Fügen von nichtlinearen Kristallen mittels Lot wird durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten ? entlang unterschiedlicher Kristallachsen erschwert. Der BBO- Kristall ist aufgrund seiner mechanischen Eigenschaften rissempfindlich. Zum Fügen kann eine geeignete Kombination von Material und Struktur gefunden und das Ergebnis am Beispiel einer funktionsfähigen Pockelszelle demonstriert werden. Damit wird gezeigt, dass gleichzeitig die Randbedingungen hinsichtlich elektrischer Kontaktierung und Hochspannungsisolation erfüllt werden.
Der LBO-Kristall ist bedingt durch seine mechanischen Eigenschaften unkritischer als der BBO- Kristall. Zur effizienten Frequenzkonversion muss die Temperaturverteilung im LBO-Kristall homogen sein. Aus diesem Grunde wird der Kristall flächig verlötet. Die Konversionseffizienz ist mit 67% auf dem Niveau der heute eingesetzten geklemmten Systeme.
Zur Untersuchung der technischen Eignung der Löttechnologie für den Aufbau von TGG- Kristallen werden Polarisationsmessungen herangezogen. Dabei zeigt sich, dass der Gangunterschied R bei gelöteten Kristallen kleiner als bei geklebten Kristallen ist. Die Verteilung entlang der Kristallfacette ist gleichmäßiger. Beides ist vorteilhaft für die Eigenschaften optischer Isolatoren.
Der KTP-Kristall wird ähnlich wie der LBO-Kristall zwischen zwei Heizbacken montiert. Sowohl die Untersuchung der mechanischen Festigkeit des KTP-Kristalls nach dem Temperaturzyklustest, als auch die Analyse der optischen Eigenschaften zeigen die technische Anwendbarkeit der Löttechnologie. Bei optischen Tests werden ein ungelöteter und ein gelöteter KTP-Kristall miteinander verglichen. Die optische Leistung POpt beider analysierter Kristalle unterscheidet sich im Rahmen der Messtoleranz nicht.
Die löttechnische Montage von nichtlinearen Kristallen ermöglicht in der Zukunft die Realisierung vollständig gelöteter Lasersysteme. Dabei kann auf vibrationsempfindliche Klemmoder ausgasungsbehaftete Klebetechnik verzichtet werden. Im Vergleich zu Klebeverbindungen ermöglichen Lötverbindungen außerdem eine erheblich höhere Leitfähigkeit für Wärme und elektrischen Strom. Sowohl die Leistungsfähigkeit als auch die Lebensdauer der Instrumente kann dadurch erhöht werden. Neben der höheren mechanischen Festigkeit bietet die Löttechnik den Vorteil des Wiederaufschmelzens der Verbindung. Die bereits gefügte optische Komponente kann nachjustiert werden. Eine Kombination von Loten mit unterschiedlichen Schmelztemperaturen während des Lötprozesses kann die Stabilität der Baugruppe erhöhen und die Montage im Lasersystem vereinfachen.

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