Algorithmen zur automatisierten Justage mikrooptischer Komponenten

Die automatisierte, aktive Justage von mikrooptischen Kollimationslinsen (FACLinsen) für Hochleistungs-Diodenlaserbarren stellt aufgrund der erforderlichen Positioniergenauigkeit im Sub-Mikrometerbereich, der bis zu sechs Freiheitsgrade und der komplexen Abhängigkeit zwischen der Linsenfehlstellung und der Leistungsdichteverteilung im Nah- und Fernfeld eine Herausforderung dar. In der vorliegenden Arbeit wird ein Algorithmus zur automatisierten, aktiven Justage von mikrooptischen Komponenten für Hochleistungs-Diodenlaserbarren am Beispiel der FAC-Linse entwickelt. Im Gegensatz zu bestehenden, iterativen Verfahren basiert der vorgestellte Algorithmus auf der quantitativen Vorhersage und definierten Korrektur der Fehlstellungen (prädiktive Justage).
Im ersten Teil der Arbeit werden unterschiedliche Typen von kommerziell erhältlichen FAC-Linsen und Hochleistungs-Diodenlaserbarren hinsichtlich optischer und geometrischer Eigenschaften charakterisiert. Anschließend wird ein wellenoptisches Modell zur Berechnung und Beschreibung der Leistungsdichteverteilung im Nah- und Fernfeld hinter fehlgestellten FAC-Linsen entwickelt. Ein wesentlicher Schritt zur Vereinfachung der Modellierung ist die Segmentierung der FAC-Linse. Dabei wird die sechsdimensionale Fehlstellung der FAC-Linse auf dreidimensionale Fehlstellungen von einzelnen FAC-Linsensegmenten abgebildet. Die Berechnung der Leistungsdichteverteilung im Nahfeld erfolgt mittels skalarer Beugungstheorie. Die Leistungsdichteverteilung im Fernfeld wird über Fourier-Propagation berechnet. Aus den Nah- und Fernfeldverteilungen lassen sich charakteristische Merkmale (Strahlschwerpunkt, Strahldurchmesser, Poyntingfehler und Restdivergenzwinkel) in Abhängigkeit der Fehlstellungen ableiten. Daraus folgen in bestimmter Reihenfolge eindeutige Beziehungen zwischen Merkmalen und Fehlstellungen. Aus der Reihenfolge der Eindeutigkeit wird ein idealisierter Justagealgorithmus für ein einzelnes FAC-Linsensegment abgeleitet. Darauf basierend erfolgt die Entwicklung eines Justagealgorithmus für den realen Fall einer FAC-Linse. Zur experimentellen Verifikation der Justagealgorithmen wird ein Demonstrator-System entwickelt und aufgebaut, welches ein motorisiertes Mehrachspositioniersystem und ein Bildverarbeitungssystem zur simultanen Analyse der Nah- und Fernfeldverteilung enthält. Der entwickelte Justagealgorithmus wird über eine Ablaufsteuerung auf dem Demonstrator-System ausgeführt und exemplarisch mit vier verschiedenen Kombinationen aus eng tolerierten FAC-Linsen und Hochleistungs-Diodenlasern demonstriert. Die Ergebnisse zeigen eine mittlere Prozessdauer des automatisierten Justageablaufs von 20 bis 25 Sekunden. Gegenüber bestehenden Verfahren wird die Prozessdauer damit um ca. 30% reduziert. Die translatorischen Fehlstellungen der FAC-Linse werden bis auf 0,8 µm korrigiert. Gemessen an der Standardabweichung der Ergebnisse weist der automatisierte Justageablauf eine um 70% höhere Reproduzierbarkeit auf als vergleichbare manuelle Justageabläufe.
In zukünftigen Untersuchungen kann erarbeitet werden, inwieweit der vorgestellte Algorithmus auf die Justage von weniger eng tolerierten bzw. ähnlichen mikrooptischen Bauteilkombinationen im Bereich der Hochleistungs-Diodenlaser angewendet und angepasst werden kann. Insbesondere Strahltransformations-Optiken für Hochleistungs-Diodenlaserbarren stellen aufgrund der komplexen Nah- und Fernfeldverteilung eine interessante Anwendung dar. Die erzielte Prozessdauer wird durch die Genauigkeit des verwendeten Mehrachspositioniersystems und durch die Leistungsfähigkeit des Anlagenrechners begrenzt. Durch die Verwendung eines Hexapod-Systems mit deutlich höherer Positioniergenauigkeit sowie einer optimierten Bildverarbeitung ist eine Prozessdauer von weniger als 10 Sekunden realistisch.