Methoden zur Regelung von adaptiven optischen Systemen in Hochleistungslaserresonatoren

• Antragsteller: Professor Dr. Thomas Graf; Professor Dr.-Ing. Oliver Sawodny
• Fachliche Zuordnung: Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 257920601

Ziel des vorliegenden Forschungsvorhaben ist es, die erarbeiteten Konzepte, die für Dauerstrich-Laser (engl. continuous-wave-Laser, cw-Laser) entwickelt wurden, hin zur transversalen Strahlformung modengekoppelter Oszillatoren zu erweitern und damit Potentiale von resonatorinternen adaptiven Optiken in modengekoppelten Lasern zu untersuchen. Die Erzeugung ultrakurzer Laserpulse erfordert eine kohärente Überlagerung longitudinaler elektromagnetischer Moden und verlangt es, nichtlineare optische Effekte, welche inhärent mit intensitäts-sensitiven Arbeitspunkten einhergehen, in der Modellierung zu berücksichtigen. Für die (primär mit Hilfe von sättigbaren Absorbern) modengekoppelten Lasersysteme sollen Methoden für eine modellbasierte Regelung erarbeitet werden, die eine Skalierbarkeit auf den Hochleistungsbetrieb erlauben. Damit sollen die adaptiven optischen Elemente – neben der Strahlformung – auch dem Stabilisieren gewünschter Arbeitspunkte dienen, um so auch die systematische Planung von Anfahrvorgängen von Kerr-Lens-gekoppelten Resonatoren und Chirped-Pulse Oszillatoren zu ermöglichen. Hierzu muss das transiente Übertragungsverhalten von modengekoppelten, adaptiven Resonatoren untersucht werden, welches durch komplexe Ortsdynamiken gekennzeichnet ist.Aus den bisherigen Untersuchungen geht hervor, dass sich im Kontext des optisch-adressierten deformierbaren Spiegeldesigns fundamentale systemdynamische Fragestellungen im Gebiet der verteiltparametrischen Regelungs- und Steuerungstheorie ergeben. Die physikalische Kopplung von thermo-optischen und thermo-elastischen Effekten verursacht ein ausgeprägtes örtliches Übertragungsverhalten. Mittels late-lumping Steuerungs- und Regelungskonzepten kann dieses explizit berücksichtigt werden, da der aus Adressierung resultierende verteilte Eingriff nicht diskretisiert werden muss. Somit können Aussagen über die Eingangs-Ausgangs-Dynamik und die Entkoppelbarkeit des unendlich-dimensionalen Mehrgrößensystems in Abhängigkeit der Ortscharakteristik des verteilt wirkenden Steuereingriffs abgeleitet werden. Ferner sollen weitergehende Fragestellungen wie die Sensor- und Aktorplatzierung, respektive die Rekonstruierbarkeit resonatorinterner Störungen durch die modellbasierte Methodik untersucht werden. Im Sinne der lasertechnischen Anwendung erlauben es die gewählten Methoden ein tiefergehendes Systemverständnis zu erlangen und geeignete Ansätze zur Regelung des transienten und stationären Übertragungsverhalten zu entwickeln. Das geplante Forschungsvorhaben ist somit der erste Schritt, den Bedarf an Kompensationsstrategien für modengekoppelte Laser zu decken, um die Technologie nachhaltig effizienter und flexibler zu gestalten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen