Ultrakurze Laserpulse für Wissenschaft und Industrie

Forschung Kompakt Sonderausgabe / 8.5.2012

Je kürzer die Pulsdauer, desto präziser arbeitet das Laserwerkzeug. Mit ultrakurzen Laserpulsen eröffnen sich neue Anwendungen in Medizin oder Materialbearbeitung. Denn dank der kurzen Pulse erwärmt sich das bearbeitete Material kaum noch.

Bild: Preisträger
© Foto Dirk Mahler/Fraunhofer

Entwickelt wurde die Plattform, auf der ultrakurze Laserpulse erzeugt werden, von einem interdisziplinären Team aus Fraunhofer sowie mehreren Verbundpartnern aus Wissenschaft und Wirtschaft: 1. Reihe (vlnr): Dr. Daijun Li, EdgeWave GmbH, Andreas Vernaleken, Max-Planck-Institut für Quantenoptik MPQ, Hans-Dieter Hoffmann, Fraunhofer ILT, Matthias Winzen, Fraunhofer ILT, Rudolf Meyer, Fraunhofer ILT, 2. Reihe (vlnr): Dr. Peter Rußbüldt, Fraunhofer ILT, Dr. Jan Dolkemeyer, Amphos GmbH, Johannes Weitenberg, Fraunhofer ILT, 3. Reihe: (vlnr): Dr. Ioachim Pupeza, Max-Planck-Institut für Quantenoptik MPQ, Guido Rotarius, Fraunhofer ILT, Martin Traub, Fraunhofer ILT, Dr. Torsten Mans, Amphos GmbH, Marco Höfer, Fraunhofer ILT.

Lasertechnik verwendet Licht. Licht lässt sich schnell und präzise ablenken, formen und fokussieren. Pulst man Laserlicht und verkürzt die Pulsdauer immer weiter, arbeitet das Laserwerkzeug noch präziser. Ein Vorteil: Das bearbeitete Material erwärmt sich immer weniger. Deshalb sind ultrakurze Pulse mit hoher Leistung ideal für die Medizin, etwa bei Schädeloperationen, da die Hirnhaut nicht geschädigt wird, oder beim Abtragen von Tumorgewebe, um umgebendes Gewebe und Blutgefäße zu schonen. Aber auch in der Materialbearbeitung wird diese Präzisionstechnik geschätzt, zum Beispiel beim Bearbeiten von Glas: Mit Laser lassen sich schmale Lautsprecherschlitze in Smartphone-Displays schneiden.

Die genauere und schonendere Bearbeitung hochempfindlicher Materialien durch ultrakurze Laserpulse ist seit Jahren anerkannt. Bisher mangelte es aber häufig an Leistung. Die neu-entwickelte Laser-Plattform löst dieses Problem mit dem INNOSLAB-Verstärker als Herzstück. Um eine Laserkristall-Platte – den Slab – gruppieren sich vier Spiegel. An den beiden gegenüberliegenden Seiten des Slabs tritt ein Pumpstrahl ein. Ultrakurze Laserpulse passieren durch wiederholtes Umlenken über die Spiegel mehrmals den Slab. Dabei wird jedes Mal Energie vom Pumpstrahl auf die Laserpulse übertragen, bis die gewünschte Leistung erreicht ist.

Entwickelt wurde diese Plattform vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT in Aachen und zusammen mit mehreren Verbundpartnern aus Wissenschaft und Wirtschaft weiter verfeinert: dem Lehrstuhl für Lasertechnik der RWTH Aachen University, dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik MPQ in München sowie den Unternehmen Jenoptik AG, EdgeWave und Amphos – die letzten beiden sind Ausgründungen des ILT.

Um neue Märkte für Lasersysteme mit ultrakurzen Wellenlängen zu erschließen, musste das Entwicklerteam die mittlere Laserleistung von Ultrakurzpuls-Strahlquellen steigern – bis in den Bereich einiger 100 Watt. Denn höhere Leistung ermöglicht höhere Produktionszahlen in der Wirtschaft und kürzere Messzeiten bei wissenschaftlichen Experimenten. Zwei Verbundprojekte drehten sich zwischen 2008 und 2011 um die Entwicklung der neuen Strahlquelle: Im Projekt PIKOFLAT, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF geförderte wurde, ging es um die Strukturierung von Druck- und Prägewerkzeugen. Ziel war hierbei, die Bearbeitungszeiten zu reduzieren und gleichzeitig die Qualität deutlich zu steigern. Das Ergebnis ist zum Beispiel die Fertigung von Prägewalzen, mit denen besonders feinstrukturierte Kunstlederoberflächen für den Automotive Bereich gefertigt werden. Im zweiten Verbundprojekt KORONA kooperierte Fraunhofer eng mit dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching bei München und mit der RWTH Aachen University. Gemeinsam entwickelten die Wissenschaftler eine kompakte Strahlquelle, deren besonders kurzwelliges Licht die Untersuchung von Nanostrukturen ermöglicht.

Für ihre hervorragende standort- und themenübergreifende Zusammenarbeit zum Thema Laserplattform zur Skalierung der Leistung ultrakurzer Laserpulse erhält das Team den Wissenschaftspreis des Stifterverbandes.