Thermo-mechanical design, realization and testing of screen-printed deformable mirrors

Reinlein, Claudia GND

Die primäre Zielstellung dieser Dissertation ist die Entwicklung ungekühlter, unimorph deformierbarer Spiegel (DM) zum Ausgleich thermischer Linsen in Hochleistungslasersystemen. Die sekundäre Zielstellung ist die Entwicklung eines Herstellungsprozesses für DM, der hauptsächlich auf Waferleveltechnologien beruht und somit manuelle Prozesse reduziert.Der DM besteht aus einem Spiegelsubstrat auf dessen Rückseite eine piezoelektrische Schicht zwischen zwei Elektroden aufgebracht ist. Diese Art von Spiegeln wurde bereits erfolgreich in Hochleistungslasersystemen eingesetzt. Eine weitere Erhöhung der Laserleistungsdichte erfordert jedoch neue thermische Kompensationstechniken, bei der die Spiegelperformance nicht durch Temperaturschwankungen in der Spiegelbaugruppe vermindert wird.Ein hierfür entwickeltes Mehrlagendesign integriert mehrere Schichten in den Spiegelaufbau, dessen thermo-mechanische Parameter sich vom Substrat und der piezoelektrischen Schicht unterscheiden. Mittels analytischen Methoden und der Methode der finiten Elemente wurde eine Optimierung im Hinblick auf großen piezoelektrischen Hub und optimierte thermisch-induzierte Deformation durchgeführt. Diese wird entweder durch eine homogene Temperaturveränderung in der Spiegelmembran oder durch Absorption von Laserstrahlung generiert. Die dabei hervorgerufenen Veränderungen werden abhängig von Diskontinuitäten der piezoelektrischen Schicht, den mechanischen Randbedingungen, der spiegelnden Kupferschichtdicke und der Spiegelfassungsmaterialen simuliert.Ein aus sechs Arbeitsschritten bestehende Herstellungsprozess für DM mit siebgedruckter piezoelektrischer Aktorstruktur wurde entwickelt. Fünf Schritte sind davon auf Waferlevel prozessierbar. Einzig die Bearbeitung der Spiegelfläche mittels eines ultrapräzisen Drehprozesses ist keine Serienfertigung. Im Gegensatz zum Stand der Technik für DM ist die elektrische Verdrahtung der strukturierten Elektroden auch auf Waferlevel prozessierbar und das Spiegelsetup ist monolithisch.Thermisch induzierte Deformationen durch homogene Temperaturveränderung kann durch eine sog. zero deflection Konfiguration ausgeglichen werden. Laserinduzierte Deformationen werden mit gegenläufigen, thermisch homogen induzierten Deformationen kompensiert. Dieser Ansatz wird als Compound loading bezeichnet und in einem praktischen Spiegelaufbau umgesetzt. Im realisierten DM wird eine Deformation, induziert durch 1.3 W absorbierte Laserleistung, über eine homogene Temperaturerhöhung um 34 K kompensiert. Damit wird gezeigt, dass die entwickelten und vorwiegend mit parallelen Fertigungstechnologien hergestellten Spiegel für Hochleistungslaseranwendungen geeignet sind.

Abstract: The primary objective of this thesis is the development of non-cooled deformable unimorph mirrors (DM) for thermal lensing compensation in high-power laser systems. The secondary objective is the development of a manufacturing regime that consists mainly of batch-fabrication and reduced manual processes. The DM consists of a mirror substrate with a piezoelectric layer sandwiched between two electrodes, bonded on the mirror’s rear surface. These types of mirror have been successfully integrated into high-power laser systems; however, further increase in laser power requires new thermal compensation techniques in which the DMs performance is not affected by temperature changes in the mirror assembly.To achieve this objective, a multi-layer design was studied. The multi-layer design integrates several layers with thermo-mechanical parameters that differ from the substrate and the active layer into the mirror set-up. Beginning with this set-up, an optimization is performed with regard to the required large piezoelectric stroke and low thermally-induced deflection by analytical and finite element modelling. The thermally-induced deflection of the multi-layer is distinguished by their source into homogeneous thermal loading and inhomogeneous laser loading. The mirror response upon piezoelectric activation and both thermal loadings was simulated with respect to piezoelectric layer discontinuity, different mechanical boundary conditions, reflective copper-layer thickness, and mirror mount materials.The manufacturing regime of screen-printed piezoelectric DM is developed. The manufacturing process comprises six steps out of which five are batch-fabrication techniques. The mirror surface finishing by means of an ultraprecise turning process alone does not involve batch fabrication. In contrast to state-of-the-art deformable mirror technologies, the electric wiring of the addressing electrodes of the deformable mirror is also batch-fabricated and the mirror set-up is monolithic.The thesis presents possible concepts to compensate for thermally-induced mirror deformation. Thermally-induced deformation by homogeneous loading is balanced by the zero deflection configuration of the multi-layer. The compensation for laser-induced deformation can be achieved by homogeneous thermal loading that can compensate as the deformation caused by the loading opposes the laser-induced deformation. This approach is referred to as compound loading, and it is investigated in a practical mirror set-up. Here, a 1.3-W absorbed laser power is compensated by a 34-K homogeneous loading. It is concluded that the developed and mainly batch-fabricated DM are suitable for high-power laser applications.

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Reinlein, Claudia: Thermo-mechanical design, realization and testing of screen-printed deformable mirrors. 2012.

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