Die Fraunhofer-Gesellschaft startet mit dem Cluster 'Advanced Photon Sources' ein ambitioniertes Vorhaben: Das Ziel ist die internationale Technologieführerschaft bei Lasersystemen, die mit ultrakurzen Pulsen (UKP) höchste Leistungen erreichen.

UKP-Laser kommen zum Beispiel für das Hochgeschwindigkeitsbohren von Kühlluftbohrungen in Turbinenschaufeln zum Einsatz. - (Bild: Fraunhofer ILT/Volker Lannert)

Die Projektpartner des Fraunhofer Cluster of Excellence 'Advanced Photon Sources' trafen sich zum Kick-off am 2. Mai 2018 in Aachen. Zu den Koordinatoren gehören: Cluster-Leiter Prof. Reinhart Poprawe, Fraunhofer ILT (vorne, 2.v.r.), und Prof. Andreas Tünnermann, Fraunhofer IOF (vorne, 2.v.l.). - (Bild: Fraunhofer ILT/M. Conrad-Franzen)

Am Fraunhofer IOF wird in der User Facility ein kohärent kombinierter UKP-Faserlaser der kW-Klasse bereitgestellt. - (Bild: Fraunhofer IOF)

So sieht der opto-mechanische Aufbau zum Einschreiben von Faser-Bragg-Gittern in Glasfasern mittels Ultrakurzpuls-Laserstrahlung aus. Diese Anwendung wird heute schon umgesetzt. - (Bild: Fraunhofer ILT/Volker Lannert)

Eine ähnliche 500 W-InnoSlab-UKP-Strahlquelle wird in der User Facility des Fraunhofer ILT für Applikationsuntersuchungen bereitgestellt. - (Bild: Fraunhofer ILT)

Das Fraunhofer ILT arbeitet schon lange an der Produktivitätssteigerung von UKP-Lasern. Dies ist zum Beispiel mit einem Scheiben-Verstärker mit 1,5 kW möglich. - (Bild: Fraunhofer ILT/Volker Lannert)

Fraunhofer entwickelt im Rahmen des Cluster of Excellence 'Advanced Photon Sources' eine neue Lasergeneration. Die neuen Systeme sollen alle bisherigen UKP-Laser um eine Größenordnung in der mittleren Laserleistung übertreffen. Gleichzeitig wird an der nötigen Systemtechnik sowie an möglichen Anwendungen in Industrie und Forschung gearbeitet.

Prof. Reinhart Poprawe, Leiter des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT gab dazu bei einer Kick-Off-Veranstaltung in Aachen gemeinsam mit Prof. Andreas Tünnermann, Leiter des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF, den Start für das Cluster.

"Wir treten mit zwölf Instituten an, um eine neue Lasergeneration für Industrie und Forschung zu entwickeln. 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", sagt der Leiter des Clusters, Prof. Poprawe.

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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, da 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.

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Im Hinblick auf wirtschaftliche Bearbeitungsgeschwindigkeiten beim Schneiden von ultraharten Keramikmaterialien und faserverstärkten Kunststoffen 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 es 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 10 Millionen Euro für die ersten drei Jahre sollen Strahlquellen für Applikationen 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. Der Anfang des Jahres gegründete Fraunhofer Cluster steht allen Fraunhofer-Instituten offen, derzeit sind zwölf Institute an diesem Vorhaben beteiligt.

Die Applikationsentwicklung zusammen mit den Fraunhofer-Instituten FEP, IAF, IIS, IKTS, IMWS, ISE, ISIT, ITWM, IWM und IWS 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.

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 Lithographie.

Auch für die Grundlagenforschung sind die neuen Laser interessant: Laser-Teilchenbeschleuniger als ein 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.

Die Synergien zwischen den Fraunhofer-Instituten machen es möglich, sowohl die Strahlquellen als auch die Prozesstechnik und viele Anwendungen auf internationalem Spitzenniveau zu entwickeln, um sie Partnern in Industrie und Forschung zur Verfügung zu stellen. Die Verfügbarkeit derartiger Hochleistungs-Ultrakurzpulslaser bietet die Chance, den Innovationsprozess im Technologieumfeld der Hochleistungslaser zu revolutionieren.

Platz 10: Noch relativ alltäglich ist das sogenannte ‚Extreme Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen‘ (EHLA). Mit dieser vom Fraunhofer ILT entwickelten Methode lassen sich Metallschutzschichten blitzschnell aufbringen. Das Verfahren ist eine umweltfreundliche Alternative zur Chrom(VI)-Beschichtung. – (Bild: Fraunhofer ILT)

Platz 9: Nicht ganz ernst zu nehmen ist diese Laser-Anwendung. Per Laserstrahl werden 100 in Reihe aufgestellte Luftballons zerschossen. Die ersten fünf Ballons hat der grüne Laserstrahl bereits zum Platzen gebracht. – (Bild: youtube/WorldScott)

Platz 8: In dieser Anwendung schützen Laser vor Produktpiraterie. Das Laser Zentrum Hannover (LZH) arbeitet an einem flexiblen Markier- und Identifikationsverfahren, um unter anderem hochwertige Medikamente in Glasampullen fälschungssicher zu machen. Das kann nicht nur vor wirtschaftlichen Schäden bewahren, sondern auch Leben retten. – (Bild: LZH)

Platz 7: Tief am Meeresgrund verbergen sich viele wertvolle Bodenschätze. Sie aufzuspüren ist mit hohem Aufwand und Kosten verbunden. Ein Forschungskonsortium arbeitet daher daran, ein laserbasiertes, autonomes System zu entwickeln, das zum Beispiel Manganknollen detektieren kann. Beteiligt ist an dem Forschungsprojekt unter anderem das Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung ‚Gemoar‘. - (Bild: Geomar/FrankMelzner)

Platz 6: Wenn sich die Rakete der europäisch-russischen Mission ExoMars 2020 auf den Weg zum roten Planeten macht, ist auch ein Laser aus Hannover mit an Bord. Der Laser ist Bestandteil eines Laserdesorptions-Massenspektrometers, das dabei helfen soll, die Marsoberfläche zu erkunden. - (Bild: LZH)

Platz 5: Bis jetzt sind Laserschwerter noch reine Fiktion und begeistern dennoch Kinogänger weltweit. Das britische Militär soll das nun ändern. So hat das britische Verteidigungsministerium laut Webseiten wie Focus oder Welt einen Auftrag an das Konsortium „Dragonfire“ erteilt, bis zum Jahr 2019 eine reale Laserwaffe zu entwickeln. Wir sind gespannt. - (Bild: Pixaby/ColiNOOB)

Platz 4: Hoch hinaus soll der Laser aus dem Forschungsprojekt ‚Britespace‘. Mit Hilfe einer Halbleiter-Laserquelle sollen dabei die Treibhausgase im Weltall und ihre Auswirkungen auf die Erde untersucht werden. – (Bild: Pixaby/Wikilmages)

Platz 3: Normales Laserschneiden ist eine Standardanwendung. Doch hier geht es um Laserschneiden unter Wasser. Ein neu entwickeltes Verfahren des Laserzentrums Hannover macht dies nun möglich. So können Taucher, die Reparaturarbeiten unter Wasser vornehmen müssen, beträchtlich schneller arbeiten. – (Bild: LZH)

Platz 2: Leben retten dank Laser. Bei Autounfällen könnte das in Zukunft wirklich werden. Denn in einem vom BMBF geförderten Forschungsprojekt entsteht gerade ein innovatives Lasersystem zur Rettung bei komplexen Unfallszenarien. Erforscht wird, ob eine kompakte Lasereinheit Einsatzkräften dabei helfen kann, verunfallte Fahrzeuge schneller zu öffnen und so die verunglückten Personen befreien zu können. – (Bild: Pixaby/pcdazero)

Platz 1: Auch beim Bomben entschärfen könnten Laser in Zukunft eine Rolle spielen. Noch immer schlummern Blindgänger aus früheren Zeiten an vielen Orten unter der Erde. Um diese Bomben zukünftig sicher entschärfen zu können, arbeitet das Laser Zentrum Hannover gemeinsam mit der LASER on Demand GmbH und dem Kampfmittelräumdienst Hamburg (KRD) an einer laserbasierten Deflagration. – (Bild: LZH)

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