InnoSlab-Laser-Konzept mit 2. Preis des Berthold Leibinger Innovationspreises 2012 ausgezeichnet

Hinter der Bezeichnung Innoslab steckt eine Laserplattform für einen diodengepumpten Festkörperlaser, dessen laseraktives Medium ein plattenförmiger (englisch »slab«), etwa ein Millimeter dicker Kristall ist. Wie die ebenfalls diodengepumpten Scheiben- und Faserlaser ermöglicht das Innoslab-Konzept, hohe mittlere Leistung und Strahlqualität zu erreichen.

Das Innoslab-Konzept unterscheidet sich von seinen Verwandten im Aufbau durch die Geometrie. Sie liegt zwischen den Extremen dünne Scheibe mit großem Querschnitt einerseits und lange Faser mit kleinem Querschnitt andererseits. Nicht allein geometrisch, sondern auch bei den Lasereigenschaften liegen InnoSlab-Strahlquellen zwischen den Extremen. Daher sind ihre Einsatzgebiete überall da, wo ein Mittler zwischen den ausgezeichneten aber teils konträren Eigenschaften von Scheiben- und Faserlasern gesucht wird. Besonders häufig ist dies bei Kurz- und Ultrakurzpulslasern sowie bei spektral reinen Lasern mit hoher Leistung der Fall. Anwendungen liegen im Bereich der industriellen Mikrobearbeitung, bei sensorischen Anwendungen wie dem Lidar oder der photoakustischen Diagnose.

Der diodengepumpte Slablaser

Die zugrunde liegende Geometrie des Slabs ist nicht neu. Mit den steigenden Leistungen von Festkörperlasern stieg das Interesse an Slablasern schon in den 1980er Jahren. Bei den bis dahin stabförmigen Laserkristallen trat bei hohen Leistungen das Problem der thermischen Linse und von Depolarisation auf. Dies sind störende Phänomene, welche die Anwendung in der Praxis einschränkten. Doch hohe Leistungen blieben zunächst ohnehin eine Domäne der Gaslaser, bis schließlich Diodenlaser die wesentlich ineffizienteren Lampen als Pumpquelle der Festkörperlaser ersetzten. Das Pumpen mit Diodenlasern, also die Zufuhr der Energie in den Kristall zur Umwandlung in Laserlicht, erhöhte seit den 1990er Jahren nicht nur die Energieeffizienz der Festkörperlaser, sondern brachte auch neue Konzepte wie den Scheiben- und den Faserlaser hervor.

Am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT widmeten sich Peter Loosen, Leiter der Abteilung Strahlquellenentwicklung, und sein Mitarbeiter Keming Du entgegen dem Mainstream der Entwicklung des diodengepumpten Slablasers. Bis dahin hatten zahlreiche andere Arbeitsgruppen weltweit noch keine kommerziell relevante Umsetzung dieses Konzepts gefunden, und es galt als wenig erfolgsversprechend. Du hatte dann aber die entscheidende Idee, welche den InnoSlab von allen anderen Slabkonzepten unterscheidet: Der Kristall selbst bildet nicht, wie bis dahin üblich, die Begrenzung des Laserlichts innerhalb der Strahlquelle, sondern der Laserstrahl breitet sich beim Durchgang im Kristall frei aus. Mit diesem Patent von 1996 eliminierte Du alle bis dahin auftretenden Probleme der Slab-Festkörperlaser. Mit einem weiteren wichtigen Patent dehnten Du und Loosen das Konzept 1998 auf Verstärker aus.
Erfolgreiche Markteinführung

Drei Jahre später begann Du die Kommerzialisierung des Konzeptes mit dem Start-up-Unternehmen Edgewave. Eine prominente Anwendung der ersten Edgewave-Laser war das populäre Glasinnengravieren, mit dem sich dreidimensionale Bilder in einem Glaskörper erzeugen lassen. Nach diesem ersten Erfolg ging die Entwicklung am Fraunhofer ILT weiter. Als Nachfolger von Peter Loosen, mittlerweile Inhaber des Lehrstuhls für Technologie Optischer Systeme an der RWTH Aachen University und stellvertretender Institutsleiter des Fraunhofer ILT, treibt inzwischen Hans-Dieter Hoffmann die Entwicklung in Richtung Kurz- und Ultrakurzpulserzeugung und -verstärkung voran.

Kontinuierliche Weiterentwicklung

Parallel findet die Weiterentwicklung der Strahlquellen bei Edgewave statt. Keming Du, Daijun Li, Alexander Schell und Rüdiger Haas leisteten entscheidende Beiträge zur erfolgreichen kommerziellen Umsetzung von Innoslab-Lasern. So konnte in einem vom Deutschen Bundesministerium für Bildung und Forschung finanzierten Verbundprojekt mit der ILT-Arbeitsgruppe um Marco Höfer erstmals der Einsatz von Pikosekundenlasern mit bis zu 400 Watt Laserleistung für die Bearbeitung von Prägewalzen mit höchster Präzision und Bearbeitungsgeschwindigkeit demonstriert werden.

Am Fraunhofer ILT gelang es im gleichen Zeitraum der Arbeitsgruppe um Peter Rußbüldt erstmals, die Ausgangsleistung von Ultrakurzpulslasern auf mehr als ein Kilowatt mittlere Laserleistung zu steigern. Wesentlichen Anteil an diesen Arbeiten hatten Torsten Mans und Johannes Weitenberg. Im Jahr 2010 trug diese Arbeit weitere kommerzielle Früchte des innovativen Konzeptes: Torsten Mans und Claus Schnitzler gründeten mit Jan Dolkemeyer das Start-up-Unternehmen Amphos.

Unter der Leitung von Reinhart Poprawe und Peter Loosen sieht das Fraunhofer ILT sein Konzept noch immer nicht ausgereizt. Viele Anwendungen warten noch auf die passende Strahlquelle und deren Adaption an neue Herausforderungen. Solch eine Anwendung ist der Einsatz von Strahlquellen in der Klimaforschung. Gemeinsam mit dem Partner EADS ASTRIUM und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt entwickelt das Fraunhofer ILT Strahlquellen für ein satellitenbasiertes Lidar-System, das die Verteilung klimarelevanter Spurengase wie Methan und CO2 global messen soll. Hier konnten die ILT-Mitarbeiter Jörg Luttmann und Jens Löhring mit ihren Arbeiten die hervorragenden energetischen und spektralen Eigenschaften von Innoslab-Lasern für diese Anwendung nachweisen.

So arbeiten die Preisträger des 2. Preises beim Berthold Leibinger Innovationspreis 2012 an der Weiterentwicklung des Innoslab-Konzepts und seiner Anwendungen. Zusammen mit den Inhabern der Basis-Patente, Du und Loosen, ehrt die Jury insgesamt 13 Mitglieder der Projektgruppe »InnoSlab-Laser« für Ihre Forschung, Entwicklung und erfolgreiche Vermarktung dieses innovativen Laserkonzepts.

Berthold Leibinger Innovationspreis

Seit 2000 zeichnet der Berthold Leibinger Innovationspreis alle zwei Jahre Arbeiten zur Lasertechnik aus, die praxisnahe Erkenntnisse schaffen und diese zielgerichtet für die Umsetzung einer neuen Technik anwenden. Er wird international ausgeschrieben. Aus den Bewerbungen und Vorschlägen nominiert die Jury acht Kandidaten, die in einer Jury-Sitzung ihre Arbeiten persönlich präsentieren. Alle Nominierten erhalten die Auszeichnung der Nominierung, die ausgewählten Preisträger erhalten ihre Preise während einer Preisverleihung.
Die Jury (Stand 20102):

Stephen Anderson, Industrie-/Marktstrategie, SPIE-The international society for optics and photonics
Prof. Dr. med. Hans-Peter Berlien, Chefarzt der Abteilung für Lasermedizin, Elisabeth Klinik Berlin
Prof. Dr.-Ing. Hubertus Christ, Ehemaliges Vorstandsmitglied der ZF Friedrichshafen AG und ehem. Präsident des VDI
Prof. Dr. Theodor Hänsch, Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Prof. Dr.-Ing. Helmut Hügel, Universität Stuttgart, Institut für Strahlwerkzeuge
Prof. Dr. Ursula Keller, Eidgenössische Technische Hochschule Zürich, Institut für Quanten-Elektronik
Prof. Dr. med. John Stuart Nelson, Ärztlicher Direktor des Beckmann Laser Institute
Prof. Dr. Hans-Jürgen Quadbeck-Seeger, Ehem. Mitglied des Vorstandes der BASF AG verantwortlich für Forschung
Prof. Dr. Orazio Svelto, Technische Universität Mailand, Fakultät für Physik
Prof. Dr.-Ing. Hans-Jürgen Warnecke, Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung
Ansprechpartner Berthold Leibinger Stiftung

Dipl.-Phys. Sven Ederer
Projektleiter Innovations-/Zukunftspreis
Telefon +49 7156 303-35202
sven.ederer@leibinger-stiftung.de
Johann-Maus-Str. 2
71254 Ditzingen

Weitere Ansprechpartner

Dipl.-Ing. Hans-Dieter Hoffmann
Leiter des Kompetenzfeldes Laser und Laseroptik
Telefon +49 241 8906-206
hansdieter.hoffmann@ilt.fraunhofer.de
Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT
Steinbachstraße 15
52074 Aachen

Dr. Peter Rußbüldt
Leiter der Gruppe Ultrakurzpulslaser
Telefon +49 241 8906-303
peter.russbueldt@ilt.fraunhofer.de
Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT
Steinbachstraße 15
52074 Aachen