UKP-Lasertechnik Fraunhofer entwickelt neue Lasergeneration

Kohärent kombinierter UKP-Faserlaser der kW-Klasse, wie er am Fraunhofer IOF in der User-Facility bereitgestellt wird

Fraunhofer hat das neue Cluster of Excellence „Advanced Photon Sources“ gegründet. Ziel ist es, Lasersysteme zu entwickeln, die mit ultrakurzen Pulsen (UKP) höchste Leistungen erreichen und die alle bisherigen UKP-Laser in der mittleren Laserleistung deutlich übertreffen sollen.

Wir treten mit zwölf Instituten an, um eine neue Lasergeneration für Industrie und Forschung zu entwickeln«, erklärt Prof. Reinhart Poprawe, Leiter des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT und Leiter des Clusters. »Geplant ist eine disruptive Technik, auf deren Basis die Anwendungsbereiche für Lasertechnik deutlich erweitert werden – von der Skalierung ultrapräziser Fertigungsverfahren bis zur Erschließung neuer Pulsdauer- und Wellenlängenbereiche für die Forschung.«

Was können UKP-Laser?

UKP-Laser erzeugen im Fokus selbst bei vergleichsweise kleinen Pulsenergien extrem hohe Intensitäten. Lange Zeit wurden sie lediglich in der Grundlagenforschung eingesetzt. Die Entwicklung hocheffizienter, leistungsstarker Pumpdioden ermöglichte die Nutzung neuer Lasermedien, insbesondere Ytterbium-dotierter Fasern und Kristalle. Darauf basierende UKP-Laser haben in den letzten Jahren mittlere Laserleistungen und eine Robustheit erreicht, die auch industrielle Anwendungen möglich machen.

Für Anwendungen in der Mikromaterialbearbeitung haben UKP-Laser zwei wesentliche Vorteile: Einerseits können sie praktisch alle Materialien bearbeiten. Anderseits ist der Abtrag besonders präzise und dadurch schonend, weil durch die ultraschnelle Wechselwirkung kaum Wärme im angrenzenden Material verbleibt. Deshalb waren diese Laser schon früh für die Medizintechnik interessant, beispielsweise für Augenoperationen durch das Femto-Lasik-Verfahren.

Leistungssteigerung bis in den 10-kW-Bereich

Im Hinblick auf wirtschaftliche Bearbeitungsgeschwindigkeiten beim Schneiden ultraharter Keramikmaterialien und faserverstärkter Kunststoffe reicht die Leistung aktueller UKP-Laser der 100-W-Klasse oft nicht aus. Getrieben durch die Anwendungspotenziale in der Industrie und den Bedarf der Grundlagenforschung, haben sich die „Advanced Photon Sources“-Partner zum Ziel gesetzt, die mittlere Leistung der UKP-Quellen an den Fraunhofer-Instituten ILT und IOF bis in den 10-kW-Bereich zu erhöhen.

Mit einem Budget von zehn Millionen Euro für die ersten drei Jahre sollen entsprechende Strahlquellen entwickelt und erprobt werden. An den beiden Instituten werden noch 2018 Applikationslabore eingerichtet, damit die weiteren Partner frühzeitig mit der Entwicklung der Systemtechnik und innovativen Anwendungen beginnen können. Die Applikationsentwicklung zielt darauf ab, neue Prozesse zu untersuchen und bekannte Verfahren zu industriell relevanten Durchsätzen zu bringen. Beispiele reichen von der Mikrostrukturierung und Oberflächenfunktionalisierung von Solarzellen, ultraharten Keramiken und Batteriekomponenten bis hin zum Schneiden von Gläsern und Leichtbau-Materialien.

Vielfältigste Anwendungen

Neben Durchbrüchen in der ultrapräzisen Fertigung mit hoher Produktivität ist mit den Strahlquellen auch die Erzeugung kohärenter Strahlung bis in den weichen Röntgenbereich geplant – mit Photonenflüssen, die um zwei bis drei Größenordnungen über den bisher erreichten liegen. Damit sollen im Bereich der Materialwissenschaften Anwendungen wie die Generierung und Untersuchung neuartiger Materialien etabliert werden. Darüber hinaus ergeben sich neue Möglichkeiten für die Bildgebung biologischer Proben oder im Halbleiter-Bereich sowie für die Lithografie.

Doch auch für die Grundlagenforschung sind die neuen Laser interessant: Laser-Teilchenbeschleuniger zum Beispiel sind leistungsstärker, wesentlich kleiner und können dadurch sogar in bestehende Labore integriert werden. Zudem können diese sogenannten „Secondary Sources“ auch Gebiete wie die Materialforschung und Medizintechnik maßgeblich beflügeln.