Modeling and compensation of thermally induced optical effects in highly loaded optical systems

Thermische Linsenwirkung in optischen Systemen zur Führung und Formung von Laserstrahlung ist nach wie vor ein aktuelles Thema, das Forschung und Anwendung vielfach tangiert. Die Entwicklung thermisch stabiler optischer Systeme erfordert, aus ingenieurswissenschaftlicher Sicht, heutige Modelle dahingehend zu erweitern, dass eine vollständige Modellierung thermischer Linsen ermöglicht wird, um damit eine Systemoptimierung bereits in der Designphase zu ermöglichen. Im Rahmen dieser Dissertation wurde erstmalig ein allgemeingültiges Modell zur Beschreibung thermischer Linsenwirkung bei beliebigen Temperaturverteilungen entwickelt, welches über numerische Methoden eine mathematisch gültige und physikalisch präzise Kopplung thermo-mechanischer und optischer Simulationspakete ermöglicht. Darauf aufbauend wurden simulative und experimentelle Untersuchungen zu thermischen Linsen durchgeführt und davon ausgehend Methodiken zur Kompensation thermischer Linsenwirkung sowie zur Ableitung von Materialdaten aus der gezielten Kombination von Mess- und Simulationsdaten entwickelt.

Thermal lensing in optical systems for laser beam guiding and shaping is a highly up-to-date topic touching many fields of science and application. The development of thermally stable optical systems requires, from an engineering point of view, the improvement of current simulation models to enable a comprehensive modeling of thermal lensing in order to enable the optimization of optical systems in the early design stage. For the first time, this dissertation enables a holistic modeling of thermal lensing due to arbitrary temperature profiles based on numerical methods for a mathematically and physically valid coupling of thermo-mechanical and optical simulation tools. Based on these developments, simulative and experimental analyses of thermal lensing are conducted and methodologies for the compensation of thermal lensing and the derivation of material data based on a sophisticated combination of measured and simulated values are derived.