Um das Werkzeug Laser universell einsetzen zu können, sind applikationsangepasste Strahlformungs- und -führungsoptiken erforderlich. Diese absorbieren einen geringen Teil der Laserstrahlung, was eine inhomogene Erwärmung der optischen Komponenten zur Folge hat. Deren optische Eigenschaften ändern sich, da der Brechungsindex von der Temperatur abhängt und thermische Deformation auftritt. Für die Auslegung thermisch stabiler optischer Systeme bedarf es multiphysikalischer Simulationen. In dieser Arbeit werden thermooptische Effekte in drei Anwendungsbereichen untersucht, nämlich Selective Laser Melting (SLM), Einsatz von Kunststoffoptiken sowie Optiken für die Erzeugung hoher Harmonischer.
Bei der additiven Fertigung mittels SLM, auch bekannt als Laser Powder Bed Fusion (LPBF), treten verbreitet thermooptische Effekte auf, insbesondere wenn das Schutzglas während des Prozesses durch entstehenden Rauch oder Spritzer verschmutzt. Außerdem sind keine kommerziellen Messmittel verfügbar, um die transiente winkelabhängige Fokusverschiebung von SLM-Anlagen zu messen. Um diese Lücke zu schließen, wird die Fokusverschiebung für unterschiedliche Belichtungs- und Scanstrategien simuliert und verglichen. Die laterale Fokusverschiebung kann einen Schrumpf sowie eine Verschiebung der aufgebauten Strukturen verursachen.
Kunststoffoptiken werden aufgrund signifikanter thermooptischer Effekte bisher nicht zur Fokussierung von Laserstrahlung eingesetzt. In dieser Arbeit wird der Ansatz verfolgt, die thermooptischen Effekte durch eine an den Betriebspunkt, d. h. Laserleistung, Strahldurchmesser und Strahlprofil, angepasste Linsenform zu kompensieren. Simulationen zeigen, dass auf diese Weise für 10 W Laserleistung die thermisch induzierte Fokusverschiebung einer PMMA-Linse vollständig kompensiert werden kann.
Die mittleren Ausgangsleistungen von Ultrakurzpuls-Strahlquellen überschreiten mittlerweile 100 W. Aufgrund der großen Bandbreite können keine reinen Quarzglasoptiken eingesetzt werden. Um die Optiken gleichzeitig achromatisieren und athermalisieren zu können, wird ein neuartiger Simulationsansatz entwickelt. Hierzu werden eine thermomechanische Finite-Elemente-Analyse und eine optische Analyse auf der Basis von strahlen- und wellenoptischen Methoden gekoppelt. Unter Anwendung dieses Simulationsansatzes wird ein achromatisches Doublet aus Calciumfluorid und Quarzglas ausgelegt und analysiert. Potentielles Einsatzgebiet dieses Doublets ist die Erzeugung hoher Harmonischer.