Methoden zur Regelung von adaptiven optischen Systemen in Hochleistungslaserresonatoren
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der Einsatzbereich von Hochleistungslasern ist vielfältig und schließt zahlreiche Verfahren zur Materialbearbeitung ein. Da in der Industrie hohe Qualitätsanforderungen bestehen, wird über einen großen Ausgangsleistungsbereich gute Strahlqualität gefordert. Der Vision nach einem flexiblen und universellen Werkzeug, stehen prinzipbedingte leistungsabhängige Störquellen entgegen. In vielen Fällen wird weniger als die Hälfte der zugeführten Leistung in nutzbare Laserstrahlung umgesetzt, wodurch mit Störleistungen in derselben Größenordnung der nutzbaren Laserleistung zu rechnen ist, welche die Strahlqualität und den Wirkungsgrad bei hohen Ausgangsleistungen weiter mindern und außerhalb der Laserstrahlquelle nicht oder nur unzureichend korrigiert werden können. Die Verwendung adaptiver optischer Aktoren innerhalb des Lasers verspricht ein großes Potential zur Kompensation dieser Störungen. Dennoch steht deren Anwendung in Hochleistungslasern aufgrund der starken physikalischen Kopplung aller Komponenten erst am Anfang. Folglich wirft der Themenkomplex zahlreiche Forschungsfragen an der Schnittstelle zwischen Laser- und Systemtechnik auf. Im Rahmen des vorliegenden Forschungsprojekts wurden pneumatisch sowie optisch adressierte deformierbare Spiegel entwickelt und deren pneumatisches sowie thermo-mechanisches Verhalten sowie der Einfluss ihrer variablen Brechkraft auf das optische System detailliert modelliert und analysiert. Mithilfe einer zielgerichteten Modellordnungsreduktion wurden die Aktortechnologien in einen modelbasierten Regelkreis sowie einer Steuerung integriert. Dabei konnte im Zusammenspiel mit der Schätzung thermisch-induzierter Störgrößen sowohl simulativ als auch experimentell eine deutliche Strahlqualitätssteigerung über einen großen Leistungsbereich nachgewiesen werden. Darüber hinaus wurde die Stabilisierbarkeit mehrerer Strahlparameter im Resonator mit Hilfe mehrerer pneumatischer Aktoren experimentell nachgewiesen, was den Grundstein für einen leistungsskalierbaren gepulsten Laserbetrieb setzt. Zusätzlich wurden Konzepte zur Pulsdauerregelung erarbeitet und nichtlineare Effekte zwischen transversaler Lasermoden höherer Ordnung untersucht.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Designing pneumatically actuated deformable mirrors: control of circular plates with varying thickness. 2019 American Control Conference (ACC) (2019, 7), 614-619. IEEE.
Schmidt, Kevin; Raisch, Adrian & Sawodny, Oliver
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Energy-optimal disturbance feedforward control for constrained deformable mirrors with thermoelastic actuation. 2019 IEEE International Conference on Systems, Man and Cybernetics (SMC) (2019, 10), 107-112. IEEE.
Schmidt, Kevin; Graf, Thomas; Ahmed, Marwan Abdou & Sawodny, Oliver
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Entwurf deformierbarer Spiegel für den Einsatz in Hochleistungslasern. tm - Technisches Messen, 86(3), 121-130.
Schmidt, Kevin; Piehler, Stefan; Dannecker, Benjamin; Dietrich, Tom; Raisch, Adrian; Graf, Thomas; Abdou Ahmed, Marwan & Sawodny, Oliver
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Inversion of coupled parabolic PDEs with distributed acting inputs for feedforward controlling thermoelastic deformations. 2019 American Control Conference (ACC) (2019, 7), 3883-3888. IEEE.
Schmidt, Kevin & Sawodny, Oliver
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On compensating thermal lensing in high-power lasers using intra-cavity deformable mirrors. IFAC-PapersOnLine, 52(15), 1-6.
Schmidt, Kevin; Dietrich, Tom; Dannecker, Benjamin; Graf, Thomas; Ahmed, Marwan Abdou & Sawodny, Oliver
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“Störgrößenkompensation und Strahlformung durch deformierbare Spiegel in Hochleistungslasern”, 53. Regelungstechnisches Kolloquium, Boppard, Germany, 2019
Sawodny, K. & Schmidt, O.
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Towards adaptive high-power lasers: Model-based control and disturbance compensation using moving horizon estimators. Mechatronics, 71(2020, 11), 102441.
Schmidt, Kevin; Beirow, Frieder; Böhm, Michael; Graf, Thomas; Abdou Ahmed, Marwan & Sawodny, Oliver
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“Störgrößenkompensation und Strahlformung für adaptive Hochleistungslaser durch deformierbare Spiegel“; Dissertation, Shaker Verlag, 2020, ISBN: 978-3-8440-7664-6
Schmidt, K.
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Closed-loop controlled compensation of thermal lensing in high-power thin-disk lasers using spherically deformable mirrors. Laser Physics Letters, 18(2), 025002.
Beirow, Frieder; Schmidt, Kevin; Sawodny, Oliver; Graf, Thomas & Ahmed, Marwan Abdou
