620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Adaptive laser resonators with deformable MOEMS mirrors under closed-loop control are discussed and experimental results are presented. The requirements for deformable mirrors and for closed-loop control systems of these mirrors are analyzed. Several deformable mirrors have been characterized and the results are presented. Currently available membrane mirrors deform under laser load and need further development before they can be used for aberration correction of solid state lasers above some tens of Watts. Nevertheless, the results are encouraging and the requirements are within reach of currently available technology. Finally, we demonstrate an Nd.YVO4-laser with a closed-loop adaptive resonator and more than 6 W of output power. The closed-loop system was able to compensate artificially introduced aberrations from a phase plate.
The spatially varying intensity in a standing wave resonator leads to spatial hole burning in the gain medium of a laser. The spatial hole burning changes the gain of different longitudinal modes and can thus determine the optical spectrum of the laser. We simulate this longitudinal mode competition in standing wave resonators of thin-disk lasers. The resulting optical spectra of the laser are compared to measured optical spectra. We examine two types of resonators: I-resonators and V-resonators with different angles of incidence. In V-resonators, the non-normal incidence of the laser beam on the disk lifts the degeneracy of the polarization. Experiments show that the slight gain advantage for the p-polarization does not lead to polarized emission. For both types of resonators, the measured spectra are in good agreement with the simulated ones. The simulations allow to study the influence of spectral intra-cavity losses on the optical spectrum of a thin-disk laser.
We present a novel pump concept that should lead to single-frequency operation of thin-disk lasers without the need for etalons or other spectral filters. The single-frequency operation is due to matching the standing wave pattern of partially coherent pump light to the standing wave pattern of the laser light inside the disk. The output power and the optical efficiency of our novel pump concept are compared with conventional pumping. The feasibility of our pump concept was shown in previous experiments.
Novel unimorph deformable mirror with monolithic tip-tilt functionality for solid state lasers
(2011)
We present a new type of unimorph deformable mirror with monolithic tip-tilt functionality. The tip-tilt actuation is based on a spiral arm design. The mirror will be used in high-power laser resonators for real-time intracavity phase control. The additional tip-tilt correction with a stroke up to 6 μm simplifies the resonator alignment significantly. The mirror is optimized for a laser beam footprint of about 10 mm. We have modeled and optimized this mirror by finite element calculations and we will present design criteria and tradeoffs for this mirrors. The mirror is manufactured from a super-polished glass substrate with very low surface scattering and excellent dielectric coating.
Over the past 5 years we have developed a new type of unimorph deformable mirror. The main advantages of this mirror technology are · very low surface scattering due to the use of superpolished glass · excellent coatings, even suitable for high power lasers, can be applied · active diameter of the mirrors can be between 10 mm and 100 mm · large strokes can be achieved even for small mirror diameters · integrated monolithic tip/tilt functionality based on a spiral arm design We have modeled these mirrors by analytical models as well as by the finite element method. This allows us to quickly design new mirrors tailored to specific applications. One example is a mirror for laser applications that has a diameter of 10 mm and can achieve a stroke in defocus mode of 5 μm. The stroke for these mirrors scales as the square of the mirror diameter, meaning that we can achieve, for example, a stroke of 125 μm for a mirror of 50 mm diameter. We will present design criteria and tradeoffs for these mirrors. We characterize our mirrors by the maximum stroke they can deliver for various Zernike modes, under the boundary condition that the Zernike mode has to be created with a certain fidelity, usually defined by the Maréchal criterion.
The actuator pattern of an adaptive mirror determines the amplitudes and the fidelities of the mirror deformations that can be achieved. In this study, we analyze and compare different electrode patterns of piezoelectric unimorph deformable mirrors using a numerical finite element model. The analysis allows us to determine the optimum actuator pattern, and it is also applicable to bimorph mirrors. The model is verified by comparing its predictions with experimental results of our prototype of a novel unimorph deformable mirror.
We present a novel unimorph deformable mirror with a diameter of only 10 mm that will be used in adaptive resonators of high power solid state lasers. The relationship between applied voltage and deformation of a unimorph mirror depends on the piezoelectric material properties, layer thicknesses, boundary conditions, and the electrode pattern. An analytical equation for the deflection of the piezoelectric unimorph structure is derived, based on the electro-elastic and thin plate theory. The validity of the proposed analytical model has been proven by numerical finite-element modelling and experimental results. Our mirror design has been optimized to obtain the highest possible stroke and a high resonance frequency.
We have developed a new type of unimorph deformable mirror, designed to correct for low-order Zernike modes. The mirror has a clear optical aperture of 50 mm combined with large peak-to-valley Zernike amplitudes of up to 35 μm. Newly developed fabrication processes allow the use of prefabricated super-polished and coated glass substrates. The mirror's unique features suggest the use in several stronomical applications like the precompensation of atmospheric aberrations seen by laser beacons and the use in woofer-tweeter systems. Additionally, the design enables an efficient correction of the inevitable wavefront error imposed by the floppy structure of primary mirrors in future large space-based telescopes. We have modeled the mirror by using analytical as well as finite element models. We will present design, key features and manufacturing steps of the deformable mirror.
Mit wenigen Ausnahmen wird im elektrischen Versorgungssystem die Pumpspeichertechnik zur Pufferung größerer Abweichungen zwischen momentanem Stromverbrauch und -erzeugung und zur zeitlichen Verschiebung von Lasten eingesetzt. Erste großtechnische Anlagen wurden bereits Ende der zwanziger Jahre des letzten Jahrhunderts in Deutschland gebaut, um die Auslastung thermischer Kraftwerke gleichmäßiger zu ermöglichen. Pumpspeicherwerke bieten sich somit als Referenztechnologie an, mit der sich neue Entwicklungen messen müssen. Ein Überblick.
Eine besonders von Wassermangel betroffene Region ist das Bundesland Afar im Nordosten Äthiopiens. In diesem Gebiet befindet sich das Dorf Hidmo. Mittels Geldern aus der Entwicklungshilfe hat die äthiopische Regierung dort ein Schulgebäude errichten lassen, damit die Kinder aus der Umgebung der allgemeinen Schulpflicht nachkommen können. Es wurde aber vergessen, Geld für eine Wasser-und Sanitärversorgung einzuplanen, diese wäre notwendig, da die nächste Wasserstelle 500 m weit entfernt ist. Im Rahmen dieser Arbeit soll auf Vorplanungsniveau untersucht werden, inwiefern es möglich ist, Niederschlagswasser zu speichern, welches den Schülern als Wasserquelle dient und welche Sanitärsysteme dafür in Frage kommen. Zum einen sollen diese das Ausbreiten von Krankheiten verhindern und zum anderen die knappe Ressource Wasser schonen. Zusätzlich soll versucht werden, Bewässerungswasser bereit zu stellen, zur Bewässerung eines schuleigenen Nutzgartens, der dazu dienen soll, die Kinder in sparsamen Bewässerungsmethoden zu schulen. Der Wasserspeicher soll nur Brauchwasser zum Händewaschen und zu Bewässerungszwecken liefern. Trinkwasser soll mittels einer Rohrleitung aus der vorhandenen, 500m von der Schule entfernten, Wasserquelle bezogen werden. Zur Auswahl sollen nur angepasste Technologien kommen, vorwiegend einfach gehalten, dem Prinzip der Kreislaufwirtschaft nahekommend.
Auf Basis der Wirtschaftschulen und der Technischen Schulen des Kreises Steinfurt wurde im Laufe des Forschungsprojektes ein Konzept zur integralen Sanierung von Schulen erarbeitet. Zu Beginn des Projektes wurde eine umfangreiche Bestandsaufnahme der betrachteten Schulen vorgenommen. Hierzu erfolgten messtechnische Untersuchungen in ausgewählten Räumen der Schulen als auch Befragungen der am Schulbetrieb beteiligten Gruppen. Die messtechnischen Untersuchungen umfassten die Raumluftsituation, die Raumtemperatur, die Akustik und die Beleuchtungssituation. Mittels Fragebogen wurde das subjektive Emp-finden der Schüler und Lehrkräfte bezüglich der Raumluft, Akustik, Beleuchtung und Behag-lichkeit erfasst. (Abschnitt 1.1.6, S. 14 und Abschnitt 1.3 bis 1.5, ab S. 33) Die Raumtemperaturen, die Akustik und die Beleuchtungssituation zeigten sich sowohl bei den Messungen als auch in den Befragungen überwiegend als nicht auffällig. Eine gravieren-de Ausnahme hiervon stellten die Raumtemperaturen in den EDV-Räumen der Wirtschaft-schulen dar. Die inneren Wärmelasten durch den Betrieb der Computer lassen die Tempera-tur in den Räumen im Sommer auf unerträgliche Temperaturen ansteigen. Im Rahmen des Projektes wurde daher in einem EDV-Raum die Wirksamkeit einer Kühldecke und einer Schwerkraftkühlung messtechnisch untersucht. Beide Kühlsysteme wurden mittels Kühlwas-ser aus Erdsonden betrieben und waren in der Lage, die Temperatur im EDV-Raum im akzeptablen Bereich zu halten. (Kapitel 5, S. 143) Im Hinblick auf die Überhitzung der Räume und den Stromverbrauch von Computern als Ein-zelplatzlösung wurden die Vorteile des Green-IT bezüglich der Behaglichkeit, des Stromver-brauchs und der Wirtschaftlichkeit im Zusammenhang mit Schulen herausgestellt. (Abschnitt 6.2.1, S. 187) Die Raumluftsituation stellte sich in fast allen untersuchten Situationen als mangelhaft her-aus. Das Ergebnis bestätigt Untersuchungsergebnisse anderer Institutionen im In- und Aus-land und verlangt einen Paradigmenwechsel bezüglich der Belüftung von Schulräumen. Wei-tergehende messtechnische Untersuchungen an einem Proberaum der Technischen Schulen zeigten, dass auch die Lüftung über gekippte Fenster unzureichend ist (Abschnitt 1.3.5, S. 44 bzw. Abschnitt 6.2.5, S. 200). Alles in allem ist bei normaler Personenzahl in einem Klassen-raum eine mechanische Lüftung unerlässlich. In den Technischen Schulen werden diese Er-kenntnisse durch den Einbau von lüftungstechnischen Anlagen umgesetzt. Nach Abschluss von Sanierungsmaßnahmen an den Wirtschaftsschulen wurden erneut akus-tische Messungen in Klassenräumen durchgeführt. Es zeigte sich, dass die vor der Sanierung guten Ergebnisse sich durch akustisch wirksame Wandpaneele erneut einhalten lassen. Das Ergebnis bestätigt, dass pflegeleichte, schallharte Böden in Kombination mit durchdachten akustischen Maßnahmen problemlos funktionieren. Die energetische Sanierung von Gebäuden setzt einen bekannten Ist-Zustand des spezifischen Energieverbrauchs voraus, um Zielstellungen für die durch die Sanierung zu erwartenden Einsparungen formulieren zu können. Erhebungen bei den kommunalen Schulträgern sollten dazu dienen, diesen Ist-Zustand der Schulen zu beschreiben und den energetischen Erfolg bereits durchgeführter Sanierungen zu dokumentieren. Es stellte sich heraus, dass die Dokumentation der entsprechenden Daten bei den Schulträgern in den überwiegenden Fäl-len nicht vorliegen und auch nicht bereitgestellt werden können. Wesentliche Ursachen hier-für sind die Personalsituation und fehlendes Energiemanagement in den Verwaltungen. Der im Arbeitsplan vorgesehenen Erstellung einer Datenbank zu Sanierungsauswirkungen auf den Energieverbrauch von Schulen fehlte damit die Basis. Die zeitliche Entwicklung der spezifischen Energieverbräuche konnte für einige Schulen zusammengetragen werden. (Ab-schnitt 1.2, S. 23; Kapitel 1, S. 85 und Kapitel 3, S. 103) Die Erstellung des Sanierungskonzeptes für die Wirtschaftsschulen war zu Projektbeginn be-reits erfolgt. Im Rahmen des Projektes wurden die anstehenden und darüber hinausgehen-den Sanierungsschritte mittels dynamischer Simulationsrechnungen hinsichtlich ihrer ener-getischen Auswirkungen beurteilt und wirtschaftlich bewertet. Darüber hinaus konnten mit der dynamischen Simulationsrechnung Energieeinsparpotenziale aufgezeigt werden, die mit-tels Optimierung der Betriebstechnik erreicht werden können. (Abschnitt 6.1.4, S. 168) Im Rahmen des Sanierungskonzeptes der Technischen Schulen wurde für die Frischluftzufuhr und Temperierung der Klassenräume nach einem kombinierten, alternativen System ge-sucht. Daraus entwickelte sich die Klimawand. Diese benötigt aufgrund der flächigen Ausfüh-rung in Verbindung mit unterstützenden Konvektionsströmungen in Konvektionsschächten zur Temperierung nur geringe Über- bzw. Untertemperaturen. Gleichzeitig wird die Klimawand für die Frischluftzufuhr mit einem zentralen Belüftungssystem kombiniert. Die Klimawand ist unauffällig, robust mit geringem Platzbedarf und ist somit weitestgehend aus dem Wirkungsbereich der Schüler ausgenommen. (Abschnitt 6.2.3, S. 192) Das Sanierungskonzept der Technischen Schulen wurde im Rahmen des Projektes erstellt. Die jetzt beginnende bautechnische Umsetzung des Konzeptes beinhaltet die wesentlichen Ergebnisse des Projektes. Der Einbau von lüftungstechnischen Anlagen sowie die mittels dy-namischer Simulation erarbeitete bauphysikalische Optimierung sind Ergebnisse der Projekt-arbeit. Die dynamische Simulation hat sich als starkes und wichtiges Werkzeug bezüglich der Erstellung von Sanierungskonzepten erwiesen (Abschnitt 6.1.2, S. 157 und Abschnitt 6.1.4, S. 168). Durch die Sanierung wird der spezifische Primärenergiebedarf der Technischen Schulen von 73 auf rund 25 kWh pro Quadratmeter und Jahr sinken.
Immer mehr Menschen nutzen das Internet für private oder geschäftliche Zwecke. Immer mehr Firmen und Behörden wissen die Vorteile des Intranets zu schätzen. An vielen Stellen werden heutzutage die Vorteile von beiden Netzen verknüpft, um möglichst effektives Arbeiten zu ermöglichen; Stichworte sind E-Mail, Online-Shopping, Online-Banking, Internet-Surfing, Datenkonsistenz, verteilte Systeme und Client-Server-Architekturen. Immer weniger Menschen sind jedoch in der Lage, die komplexen Strukturen, die diese neuen Techniken mit sich bringen oder durch die sie erst möglich werden, zu durchschauen. Auf der Gegenseite der vielen Vorteile, die diese nahezu grenzenlosen Kommunikationsmöglichkeiten bieten, stehen viele nicht zu unterschätzende Sicherheitsrisiken. Anders als bei den positiven Seiten dieser Entwicklung wissen aber viele Benutzer nichts von den Risiken oder unterschätzen und ignorieren diese. In dieser Diplomarbeit können aufgrund der knapp bemessenen Zeit, vorgesehen für die Diplomarbeit an der Fachhochschule sind etwa drei Monate, keine eigenständigen Untersuchungen über Viren oder andere Bedrohungen von Computersystemen durchgeführt werden. Diese Untersuchungen werden durch eine systematische Recherche, vor allem im Internet, ersetzt. Die Diplomarbeit soll zeigen, dass es sowohl im homogenen wie auch in einem heterogenen Umfeld - der Windows NT Server steht in einem UNIX-dominierten Netzwerk - möglich ist, mit geringem finanziellen und personellen Aufwand einen "relativ" sicheren Netzwerkserver mit Internetanbindung aufzubauen, welcher sowohl Angriffen von innen als auch von außen in einem gewissen Rahmen widerstehen kann. Vollkommene Sicherheit gibt es nicht und maximale Sicherheit wird man in diesem Zeit- und Kostenrahmen nicht erreichen können. Zu erreichen ist aber ein wesentlich höherer Sicherheits-Level als ihn Windows NT standardmäßig mit sich bringt.
Astronomy is driven by the quest for higher sensitivity and improved angular resolution in order to detect fainter or smaller objects. The far-infrared to submillimeter domain is a unique probe of the cold and obscured Universe, harboring for instance the precious signatures of key elements such as water. Space observations are mandatory given the blocking effect of our atmosphere. However the methods we have relied on so far to develop increasingly larger telescopes are now reaching a hard limit, with the JWST illustrating this in more than one way (e.g. it will be launched by one of the most powerful rocket, it requires the largest existing facility on Earth to be qualified). With the Thinned Aperture Light Collector (TALC) project, a concept of a deployable 20 m annular telescope, we propose to break out of this deadlock by developing novel technologies for space telescopes, which are disruptive in three aspects: • An innovative deployable mirror whose topology, based on stacking rather than folding, leads to an optimum ratio of collecting area over volume, and creates a telescope with an eight times larger collecting area and three times higher angular resolution compared to JWST from the same pre-deployed volume; • An ultra-light weight segmented primary mirror, based on electrodeposited Nickel, Composite and Honeycomb stacks, built with a replica process to control costs and mitigate the industrial risks; • An active optics control layer based on piezo-electric layers incorporated into the mirror rear shell allowing control of the shape by internal stress rather than by reaction on a structure. We present in this paper the roadmap we have built to bring these three disruptive technologies to technology readiness level 3. We will achieve this goal through design and realization of representative elements: segments of mirrors for optical quality verification, active optics implemented on representative mirror stacks to characterize the shape correction capabilities, and mechanical models for validation of the deployment concept. Accompanying these developments, a strong system activity will ensure that the ultimate goal of having an integrated system can be met, especially in terms of (a) scalability toward a larger structure, and (b) verification philosophy.
Zu den Versuchen existieren Versuchsanleitungen, die die Grundlage zum Versuchsthema, die Geräteliste, die Versuchsschaltungen, die Meßaufgaben und die Fragen zur Auswertungen enthalten. Von den Praktikumsteilnehmern sind die theoretischen Grundlagen der einzelnen Versuche anhand der Versuchsanleitungen und ggf. weitergehender Fachliteratur jeweils vor dem Versuch selbständig zu erarbeiten. Stellt der Praktikumsleiter bei der Versuchsbesprechung fest, daß die Teilnehmer einer Gruppe die Grundlagen des aktuellen Versuches nicht beherrschen, so wird diese Gruppe i.a. von der momentanen Durchführung des Versuches ausgeschlossen und muß diesen Versuch an einem Nachholtermin durchführen.
Diese Vorlesung Grundlagen der Elektrotechnik im Studiengang Physikalische Technik beruht im wesentlichen auf den Büchern [MP92], [CW92] und [FB82]. [MP92] Anfängern, besser Fachfremden ist ein Studium von [MP92] empfohlen, das für Studenten des Fachbereiches Wirtschaft ausgelegt ist. [CW92] Bei vorhandenen Grundkenntnissen bietet sich [CW92] an, das über den Stoff der Vorlesung hinaus die Elektrotechnik theoretisch erläutert. [FB82] Aus dem Bereich Maschinenbau kommt [FB82], das für den Teil der elektrischen Maschinen als Vorlage diente. Es kann aber auch Fachfremden für ein allgemeines Verständnis empfolen werden.
Die vorliegende Praktikumsanleitung ist in wesentlichen Teilen in Inhalt und Layout überarbeitet worden. Dazu haben neben Kollegen auch Studenten beigetragen, deren Ergebnisse Sie nun nutzen können. Um die Qualität weiter zu sichern und den Nutzen zu steigern, bitten wir Sie um folgende Mitarbeit: Sollten Sie bei der Vorbereitung Ihres 1. Versuches inhaltliche Fehler oder Rechtschreib- und Grammatikfehler feststellen, so teilen Sie uns diese bitte mit. Sollten Sie nach Abschluß des Praktikums Wünsche oder Anregungen haben, so teilen Sie uns diese bitte ebenfalls mit.
We have developed a new type of unimorph deformable mirror for the correction of low-order Zernike modes. The mirror features a clear aperture of 50 mm combined with large peak-to-valley amplitudes of up to 35 μm. Newly developed fabrication processes allow the use of prefabricated, coated, super-polished glass substrates. The mirror's unique features suggest the use in several astronomical applications like the compensation of atmospheric aberrations seen by laser beacons, low light astronomy, and the use in woofer-tweeter systems. Additionally, the design enables an efficient correction of the inevitable wave-front error imposed by the floppy structure of primary mirrors in future large space telescopes. We have modeled the mirror by using analytical as well as finite element models. We will present design, key features and manufacturing steps of the deformable mirror.
Characterization of a miniaturized unimorph deformable mirror for high power cw-solid state lasers
(2012)
We have developed a new type of unimorph deformable mirror for real-time intra-cavity phase control of high power cw-lasers. The approach is innovative in its combination of super-polished and pre-coated highly reflective substrates, the miniaturization of the unimorph principle, and the integration of a monolithic tip/tilt functionality. Despite the small optical aperture of only 9 mm diameter, the mirror is able to produce a stroke of several microns for low order Zernike modes, paired with a residual static root-mean-square aberration of less than 0.04 µm. In this paper, the characteristics of the mirror such as the influence functions, the dynamic behavior, and the power handling capability are reported. The mirror was subjected to a maximum of 490 W of laser-light at a wavelength of 1030 nm. Due to the high reflectivity of over 99.998 percent the mirror is able to withstand intensities up to 1.5 MW/cm2.
Large space telescopes made of deployable and lightweight structures suffer from aberrations caused by thermal deformations, gravitational release, and alignment errors which occur during the deployment procedure. An active optics system would allow on-site correction of wave-front errors, and ease the requirements on thermal and mechanical stability of the optical train. In the course of a project funded by the European Space Agency we have developed and manufactured a unimorph deformable mirror based on piezoelectric actuation. The mirror is able to work in space environment and is designed to correct for large aberrations of low order with high surface fidelity. This paper discusses design, manufacturing and performance results of the deformable mirror.
We have developed and manufactured a unimorph deformable mirror for space telescopes based on piezoelectric actuation. The mirror features 44 actuators, has an aperture of 50 mm, and is designed to reproduce low-order Zernike modes with a stroke of several tens of µm. We assessed the space compliance by operating the mirror in thermal vacuum, and exposing it to random and sinusoidal vibrations, as well as to ionizing irradiation. Additionally, the operational life time and the laser power handling capability were tested. The mirror was successfully operated in thermal vacuum at 100 K. We report on the conducted tests and the methods used to evaluate the mirror´s performance, and discuss the compliance with the demanded requirements