iLik – Immersive Linsenkühlung zur Reduzierung thermischer Effekte bei hohen Laserleistungen
Im Projekt iLik werden zwei technische Ansätze zur Reduzierung thermischer Effekte in optischen Elementen entwickelt. Im Fokus steht dabei eine innovative Methodik zur Wärmeabfuhr aus dem Volumen einer Linse bzw. eines Spiegels mithilfe eines zuvor als geeignet identifizierten Kühlfluids. Ziel ist es, sowohl hochsensible optische Systeme und Laserprozesse als auch Anwendungen mit zeitlich variierender hoher Leistung thermisch zu stabilisieren. Auf diese Weise soll die Skalierung von Hochleistungsoptiken für den kommerziellen und wissenschaftlichen Einsatz ermöglicht werden – sowohl durch Miniaturisierung als auch durch eine Steigerung der Leistungsfähigkeit.
Projektlaufzeit
⏱ 2,5 Jahre
Projektverantwortliche/r
👤 RWTH Aachen Lehrstuhl für Technologie Optischer Systeme (TOS)
Beteiligte Partner
👥 4
Kerninhalte & Mehrwert
Herausforderung & Mission
Bei der Transmission durch eine Linse, bzw. bei der Reflexion an einem Spiegel, wird grundsätzlich ein Teil der Laserleistung im Material absorbiert. Die dadurch entstehende Erwärmung führt in Abhängigkeit vom Strahlprofil zur Ausbildung eines radialen Temperaturgradienten, der wiederum zu Oberflächendeformationen und bei transmissiven Optiken zusätzlich zu einer Variation des Brechungsindexes führt.
Da diese thermischen Störeinflüsse die optische Leistung reduzieren können, wird der Ansatz verfolgt, den radialen Temperaturgradienten durch eine Kühlung des optischen Elements zu reduzieren. Die Kühlung soll dabei immersiv erfolgen, mittels eines thermisch und optisch geeigneten Kühlfluids im Volumen einer Linse bzw. eines Glasspiegels. Die immersive Kühlung im Volumen der Optik stellt dabei eine Schlüsseltechnologie für weitere technische Umsetzungsprojekte dar. Insbesondere soll durch diesen innovativen Ansatz der breite Bedarf an einer Reduzierung von thermischen Fokusverschiebungen und Aberrationen bedient werden.
Zentrale Ziele
Identifizierung geeigneter Kühlfluide und Materialpaarungen
Herstellung einer immersiv gekühlten Linse sowie eines immersiv gekühlten Spiegels
Reduzierung thermischer Fokusverschiebungen und Aberrationen bei hohen, zeitlich variierenden Laserleistungen
Relevanz & Zielgruppe
Eine thermische Stabilisierung von optischen Elementen ermöglicht die Steigerung der Belastbarkeit und zeitlichen Stabilität von Hochleistungsoptiken für kommerzielle und wissenschaftliche Anwendungen bei hohen Laserleistungen. Dies führt einerseits zu einer Steigerung der einsetzbaren Laserleistung in der Lasermaterialbearbeitung, was wiederum zu einer Produktivitätssteigerung führt. Zusätzlich profitieren Hochtechnologiebereiche wie die Laserfusionsforschung oder Elektronenbeschleunigerstrecken (z. B. DESY) von thermisch stabilisierten Hochleistungsoptiken. Andererseits ermöglicht die thermische Stabilisierung die Miniaturisierung großer und komplexer optischer Systeme (z. B. für EUV-Stepper), was sowohl Kostenreduktionen als auch eine höhere Flexibilität mit sich bringt.
Innovation & Besonderheiten
Im Stand der Technik wird die absorbierte Energie in optischen Elementen üblicherweise über den Rand oder den Oberflächen der jeweiligen Optik abgeführt.
Der innovative Kühlansatz im Projekt iLik basiert dagegen auf einer immersiven Kühlung im Volumen von optischen Elementen:
Bei transmissiven optischen Elementen, wie z.B. Linsen, wird ein geeignetes Kühlfluid durch einen dünnen Spalt geführt, der zwischen einer Linse und einem planparallelen Glasfenster entsteht (Ansatz 1).
Bei reflektiven optischen Elementen, wie z.B. Umlenkspiegeln, wird das Kühlfluid durch einen optimierten Kühlkanal geführt, der im Glasvolumen dicht unter der gekrümmten Spiegeloberfläche gefertigt wird (Ansatz 2).
Im Gegensatz zu bekannten Methoden (z.B. Heizdrähte in Lithografieobjektiven) gibt es keine absorbierenden oder abschattenden Komponenten im Strahlengang, sodass der Laserstrahl nicht behindert wird.
Bestehende Ansätze mit statischen Fluiden erfordern eine identische Temperaturverteilung im Fluid und Glas. Um die Anforderungen an die thermo-optischen Eigenschaften des Kühlfluides (u.a. der Brechungsindex) zu reduzieren, wird der Laserstrahl über die plane Seite der immersiv gekühlten Linse eingekpoppelt, sodass die Brechung an der Glas-Fluid-Grenzfläche minimiert wird. Zudem werden Dichte- und Temperaturgradienten im Fluid durch die aktive Strömung reduziert was den Einfluss auf die Strahlpropagation verringert.
Zeitleiste, Ergebnisse & Medien
Ausblick & nächste Schritte
Zum Projektstart werden geeignete Kühlfluide sowohl für den Ansatz der immersiv gekühlten Linse als auch für den Ansatz des immersiv gekühlten Glasspiegels identifiziert und charakterisiert.
Diese werden anschließend in einer Wechselwirkungsanalyse mit potentiellen Werkstoffen für die mechanische Einfassung sowie mit optischen Gläsern und Beschichtungen untersucht.
Parallel wird ein Simulationsmodell entwickelt, mit dem Strömungskanalgeometrien für einen effizienten Wärmeabtrag bei gleichzeitig minimalen Einfluss auf den Strahlengang optimiert werden kann.
Ergänzend werden zur Validierung der Kühlkonzepte im Verlauf des Projektes geeignete Messverfahren identifiziert.
Das Ergebnis (Geplanter Output)
Zwei Demonstratoren (Linse & Spiegel) inkl. Charakterisierungsmessstand
Beteiligte Partner
Clean-Lasersysteme GmbH
PHOTONICPARTS
Pulsar Photonics
RWTH Aachen - Lehrstuhl für Technologie Optischer Systeme TOS
Häufige Fragen
Die Projekte werden im Rahmen des Programms „ – Wandel durch Innovation in der Region" des BMFTR gefördert. Der Projektträger ist das Forschungszentrum Jülich.