Tailored Light – Licht nach Maß: Präzisionssysteme für Optik und Mechanik aus Jena

Die „LASER.World of Photonics“ ist die weltweit führende Messe für Lasertechnik und Optische Technologien. Sie findet vom 18.-21. Juni 2007 auf der Neuen Messe in München statt. Das Jenaer Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF präsentiert neue technologische Entwicklungen für innovative optische Systeme, von Faserlasern, über Terahertz-Messsysteme bis hin zu komplexen opto-elektro-mechanischen Baugruppen. Die Entwicklungen betreffen die gesamte Prozesskette vom Design über die Entwicklung von Fertigungsverfahren für optische und mechanische Komponenten bis hin zur Systemintegration und dem Bau von Prototypen.

Laserforschung: hohe Leistung auf den Punk gebracht

Die Produktion mit Lasertechnik erscheint dem Betrachter überaus beeindruckend: das Licht trifft stets punktgenau auf das Werkstück und bahnt sich scheinbar mühelos seinen Weg durchs Metall, Schweißnähte und Markierungen entstehen. Der Laserstrahl scheint stets genau die Aufgaben zu erfüllen, für die er vorgesehen ist. Diese Perfektion ist das Ergebnis jahrelanger Forschungsarbeit von Unternehmen und Instituten.

Und die Entwicklung bleibt nicht stehen. Momentan bahnt sich bei den Laserquellen ein Technologiesprung an. Faserlaser bieten im Vergleich zu konventionellen Technologien gewaltige Einsparpotenziale und generieren immer neue Anwendungen. Neben dem hohen Wirkungsgrad sind es vor allem die thermische und mechanische Stabilität, die geringe Baugröße und die Skalierbarkeit, die Faserlaser so attraktiv für die Fertigung machen. Sei es Markieren, Beschriften, Materialabtragung oder -strukturierung oder auch das Schweißen, in sämtlichen Bereichen bieten Faserlaser die gewünschten Leistungen und Strahlqualitäten. Eine Besonderheit in der Geschichte der Lasertechnik.

Das Fraunhofer IOF zeigt ein Faserlasersystem zur Mikrostrukturierung, das gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik in Dresden entwickelt wurde. Das System zeichnet sich durch eine hohe mittlere Leistung von etwa 30 W, eine hohe Pulswiederholrate bis 100 kHz und extrem kurze Pulse bei nahezu beugungsbegrenzter Strahlqualität aus. Durch den Kurzpulsbetrieb (Pulsdauer im ns-Bereich) ist eine schädigungsarme präzise Strukturierung von unterschiedlichen Materialien möglich. Dabei ist das System sehr kompakt. Die hervorragenden Parameter des Systems konnten durch ein neuartiges Faserdesign erzielt werden: eine durch Mikrostrukturierung erzeugte photonische Kristallfaser mit dem Außendurchmesser eines Stab-Lasers von wenigen Millimetern und einer Länge von einigen 10 Zentimetern, die die Wellenleiterstrukturen für Pump- und Laserstrahlung enthält.

Damit ein Laser allerdings zu einem effizienten Werkzeug wird, ist eine ganze Reihe an komplizierten Schritten notwendig. Die im Strahl enthaltene Energie muss optimal geführt, gebündelt und geformt werden. Diese Aufgabe übernimmt die Optik. Linsen, Prismen, Spiegel und andere Elemente geben dem Laserstrahl seine Richtung, Form und Leistungsdichte.

Im Fokus des Laserstrahls wird oftmals eine sehr homogene Leistungsdichte gefordert mit einem rechteckigen Strahlprofil, einer so genannten „Top-hat“ Verteilung. Das Fraunhofer IOF hat eine neuartige Strahlformungsoptik entwickelt, mit der eine herausragend homogene Verteilung des Laserstrahls erzielt wird. Diese sogenannten cMLA Strahlhomogenisierer basieren auf irregulären Linsenarrays. Anders als bei den bisher genutzten regulären Arrays entstehen hier keine Interferenzen, die zu unerwünschten Intensitätsspitzen führen können. Wieder ein kleiner Schritt hin zum perfekten Laserlicht.

Bildgebendes Terahertz-System auf der Basis von Ultrakurzpuls-Faserlasern

Terahertz (THz) -Strahlung (Wellenlängenbereich: 30 Mikrometer bis 3 Millimeter) durchdringt Papier, trockenes Holz sowie die meisten Kunststoffe und besitzt eine hohe Sensitivität bezüglich Wasser. Ihre Nutzung bietet neue Möglichkeiten in der Messtechnik, bspw. die Untersuchung von Verbundmaterialien bezüglich Delaminationen oder Inhomogenitäten oder auch die Prüfung von Substanzen auf Verunreinigungen oder Wassergehalt. Mit THz-Strahlung lassen sich organische Substanzen, Medikamente oder illegale Drogen detektieren. Um bestehende Laborsysteme für den THz-Bereich in industrietaugliche Systeme für das Sicherheits- und Qualitätsmanagement zu überführen, gilt es, die Leistungsübertragung, Abbildungsqualität und Kompaktheit der Systeme zu optimieren. Durch Nutzung von Ultrakurzpuls-Faserlasern zur Erzeugung der THz-Strahlung werden die Systeme robuster und kompakter. Das Fraunhofer IOF stellt ein industrienahes THz-Messsystem für die Aufnahme von Transmissionsbildern an Prüflingen aus Kunststoff vor.

Hochgenaue Spiegelbaugruppen für Weltraumanwendungen

Am Fraunhofer IOF werden hochpräzise Metallspiegel mit komplexen Oberflächen designed und mittels Ultrapräzisions-Diamantdrehen gefertigt und in optische Systeme integriert. Hinsichtlich Rauheit und Formgenauigkeit genügen diese Spiegelbaugruppen höchsten Anforderungen der Luft- und Raumfahrt sowie der Astronomie. Sie müssen über lange Zeiträume ein Höchstmaß an Stabilität und Formgenauigkeit aufweisen und zugleich den Belastungen beim Raketenstart standhalten. Um das Gewicht der Spiegel möglichst gering zu halten, wurde ein spezielles Verfahren entwickelt, bei dem Material von den Seiten so herausgearbeitet wird, dass zwischen Spiegel- und Rückfläche eine in sich orthogonale Säulenstruktur entsteht, die die Steifigkeit des Spiegels nicht beeinträchtigt.

Mikro- und Nanostrukturen auf bis zu 12″ großen Flächen

Mikro- und nanostrukturierte Optiken bilden Schlüsselkomponenten moderner optischer Systeme. Mittels Elektronenstrahllithographie im „Center for Advanced Micro- and Nano-Optics“ des Fraunhofer IOF hergestellte dielektrische und metallische Kompressionsgitter sowie computergenerierte Hologramme für die Prüfung von asymmetrischen Linsen oder für die Erzeugung von Farbbildern werden gezeigt.

Fasergekoppeltes Lasermodul

Die Integration unterschiedlicher optischer, elektrooptischer, elektronischer und mikromechanischer Bauteile stellt große Herausforderungen an die mikrooptische Systemtechnik. Innovative Ansätze für Aufbautechnologien, wie etwa die Verwendung keramischer Substrate als Systemplattformen, integrierte Fassungen für Optikkomponenten und flussmittelfreie Lötverfahren ermöglichen kundenspezifische und kosteneffiziente Lösungen zum Aufbau miniaturisierter und hochkomplexer Systeme. Gezeigt wird ein fasergekoppeltes Lasermodul für Beleuchtungszwecke.

Lasergespleißte Optiken

Fügeverfahren, insbesondere Laserstrahllöten und Laserspleißen stellen Schlüsseltechnologien für den Aufbau optischer Systeme dar. Das Laserspleißen – ein zwischenschichtfreies Fügeverfahren – ermöglicht hochgenaue, kompakte und stabile Systemaufbauten, die zudem den hohen thermischen Belastungen standhalten, wie sie z.B. beim Einsatz in der Lasertechnik entstehen. Gezeigt werden lasergespleißte Single- und Multimodefasern.

Mikrodisplaybasierte optische Systeme

Medizin- und messtechnische Applikationen stellen verschiedenste Anforderungen an optische und optomechanische Systeme sowie an das Design solcher Systeme. Neuartige selbstleuchtende OLED-Mikrodisplays bieten zudem neue Möglichkeiten im Bereich der Head-Mounted-Displays (HMD). Vorgestellt wird ein kundenspezifisches mikrodisplaybasiertes Visualisierungssystem für den Einsatz in der Magnetoenzephalographie, das den aktuellen Stand der Technik der diesbezüglichen Optik-Systementwicklung markiert und die technologischen Möglichkeiten aufzeigt.

Farbsehende Facettenaugenkamera (Machine Vision)

Die technologische Nachbildung eines Facettenauges ermöglicht die Herstellung extrem flacher Bilderfassungssysteme mit hohem Anwendungspotenzial: Sicherheits- und Überwachungstechnik, Machine Vision und Automotive. Gezeigt wird ein extrem flaches Kamerasystem mit einer Gesamtdicke von weniger als 0,5 Millimeter, das auf einem farbsehenden Facettenaugenobjektiv mit großem Gesichtsfeld und einem kommerziellen Bildsensor basiert.

Kompakte LED-Lichtquellen

Moderne Licht emittierende Dioden, kurz LEDs, sind hocheffiziente Lichtquellen für eine Vielzahl von Anwendungen wie z.B. Beleuchtung, Bildprojektion und Messtechnik. Um das Potenzial optimal auszuschöpfen und eine homogene Ausleuchtung zu erzielen, werden spezielle Primär- und Sekundäroptiken benötigt. Gezeigt werden verschiedene am Fraunhofer IOF entwickelte und hergestellte LED-Strahlformungsmodule zur homogenen Ausleuchtung unterschiedlich geformter Flächen. Highlight ist die Abbildung über die Beleuchtung einer komplexen Freiformfläche mit nm-Genauigkeit. Die Freiformflächen werden am Fraunhofer IOF berechnet und mittels Ultrapräzisions-Diamantdrehen gefertigt.

AR-hard und AR-plas – Funktionalisierung transparenter Kunststoffe

Präzisions- und Gebrauchsoptiken aus transparenten Kunststoffen ersetzen heute an vielen Stellen optische Bauteile aus Glas. Sie können kostengünstig z. B. durch Spritzgussverfahren oder Heißprägen hergestellt werden. Die für High-End-Produkte immer häufiger geforderte optische Funktionalisierung wie Entspiegelung sowie verbesserte Kratzschutz- und Barriereeigenschaften sind zu einem wesentlichen Faktor im Verdrängungswettbewerb mit den klassischen Glasoptiken geworden. Am Fraunhofer IOF wurde ein spezielles Interferenzschichtsystem AR-hard? entwickelt, das gleichzeitig reflexionsmindernd wirkt und mechanischen Schutz bietet. Eine hochinteressante Alternative zur Entspiegelung durch Interferenzschichten stellt die Erzeugung einer speziellen Subwellenlängen-Oberflächenstruktur mit Antireflexeigenschaften, einer so genannten Mottenaugenstruktur, dar. Das Verfahren AR-plas?, das ein niederenergetisches Plasma zur Erzeugung der strukturierten Kunststoffoberfläche verwendet, wurde am IOF entwickelt.

EUV-Schwarzschildobjektiv

Schwarzschild-Objektive werden wegen ihrer großen Apertur, der Freiheit von chromatischen Aberrationen und ihrer hohen mechanischen Stabilität zunehmend zur Strahlformung im extrem ultravioletten (EUV) Wellenlängenbereich und im weichen Röntgenbereich eingesetzt. Da EUV- und Röntgenstrahlung in Luft absorbiert wird und die Eindringtiefe nur wenige Hundert Nanometer beträgt, muss die Strahlführung im Vakuum mit Hilfe refraktiver Optiken erfolgen. Je nach Richtung des Strahlengangs können die Objektive zur Vergrößerung (z. B. Mikroskopie) oder Verkleinerung (z. B. EUV-Lithographie bei 13,5 nm) eingesetzt werden.

Optische Messsysteme zur Schicht-, Oberflächen-, Volumencharakterisierung

Das Monitoring dynamischer Prozesse stellt große Herausforderungen an moderne Beschichtungstechnologien. Überwacht werden soll z. B. die Oberflächenmodifikation durch Plasmaätzen oder das Wachstum von Interferenzschichtsystemen. Hierfür wurde am Fraunhofer IOF das Breitband Monitoring System „Optimon“ entwickelt. Das System dient zur Überwachung der spektralen Performance von komplexen Schichtsystemen während der Herstellung. Damit ist das Monitoring auf bewegten Substraten möglich.

Demonstriert werden zudem die Kompetenzen des Fraunhofer IOF auf dem Gebiet der Charakterisierung optischer Oberflächen und Schichten sowie in der Volumencharakterisierung und Prozessoptimierung.

Das Fraunhofer IOF finden Sie in Halle B2, Stand 261

Für weitere Fragen steht Ihnen Dr. Brigitte Weber zur Verfügung.
Telefon: 03641 – 807 440, Mobiltelefon: 0160/ 8865 908