Smarte Laser
Von den Grundlagen bis zur Anwendung: Wir forschen daran, Laser effizienter, robuster und kostengünstiger zu machen sowie neue Einsatzgebiete zu erschließen. Unsere smarten Laser sind maßgeschneidert für die jeweilige Anwendung in Industrie oder Wissenschaft, auf dem Mond oder in der Tiefsee. Dabei bilden wir den gesamten Entwicklungsprozess ab und optimieren diesen durch unsere smarten Optiken – immer mit dem Ziel, den besten Laser für die konkrete Herausforderung zu bauen.
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Dr. rer. nat. Jörg Neumann
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Smarte Laser in der Übersicht:
Laserentwicklung
In der Laserentwicklung liegt unser Schwerpunkt auf kompakten, robusten und hochspezialisierten Lasern, die mit diesen Spezifikationen kommerziell nicht erhältlich sind. Wir erforschen neuartige Laserkonzepte und setzen zum Teil selbstentwickelte Komponenten ein, um passgenaue Lösungen zu schaffen. Mit diesen grundlegenden Arbeiten schaffen wir die Basis für immer neue Anwendungsfelder.
Wir entwickeln gepulste und kontinuierlich emittierende diodengepumpte Festkörperlaser und Laserverstärker - häufig mit Frequenzkonversion – für Spezialanwendungen im Wasser, in der Luft oder im Weltraum. Um die Einsatzgebiete von Festkörperlasern zu erweitern, erproben wir neue Kristallmaterialien und Pumpkonzepte. Außerdem arbeiten wir an halbleiterbasierten Lasern zur zuverlässigen und kostengünstigen Erzeugung von Pikosekundenpulsen ohne Modenkopplung.
Um Wellenlängen im ultravioletten- (UV-) und mittleren Infrarot- (MidIR-)Bereich zu erzeugen, arbeiten wir an Anordnungen zur Frequenzkonversion. Diese erschließen eine Reihe von Anwendungen im Bereich der Lasermaterialbearbeitung und spektroskopischer Verfahren. Insbesondere wollen wir die Lebensdauer von Frequenzkonversionskristallen für den ultravioletten Spektralbereich verlängern. Außerdem beschäftigen wir uns mit der Erzeugung von Superkontinua und deren Charakterisierung.
Faserlaser und Faserverstärkersysteme sind effizient, robust und kostengünstig. Wir entwickeln diese beständig weiter, um die Einsatzbereiche aufzuweiten. So arbeiten wir an Systemen mit Ausgangswellenlängen von 1 µm, 1,5 µm und 2 µm sowie an einfrequenten Grundmode-Lasern für die optische Kommunikation oder die Gravitationswellendetektion. Um die Herstellung unserer hochintegrierten Faserverstärker zu beschleunigen und voranzutreiben, entwickeln wir selbst Anlagen zur Herstellung passgenauer Faserschmelzkomponenten.
Im Bereich Ultrakurzpulslaser entwickeln wir innovative und kompakte Femtosekunden-Faserlaseroszillatoren mit Ausgangswellenlängen von 1 µm, 1,5 µm und 2 µm. Dabei beschäftigen wir uns auch mit exotischen Wellenlängen wie 1,7 µm, beispielsweise für die Drei-Photonen-Mikroskopie. Wir entwickeln sowohl faser- als auch kristallbasierte Verstärkersysteme. Um kurze Pulse mit hoher Pulsenergie direkt aus dem Oszillator zu generieren, untersuchen wir auch völlig neue Pulserzeugungsmechanismen, zum Beispiel in Mamyshev-Oszillatoren.
Individualisierte Lasersysteme
Wir entwickeln Laser nicht nur grundlegengend weiter, sondern entwerfen und fertigen maßgeschneiderte innovative Lasersysteme für Spezialanwendungen. Wir kreieren passgenaue Laser für die Industrie oder die Wissenschaft mit dem Ziel die Grenzen des Möglichen zu überwinden. Insbesondere liegt unsere Expertise in Lasern für raue Umweltbedingungen.
Wir entwickeln industrietaugliche, maßgeschneiderte Lasersysteme für spezielle Anwendungsfälle, etwa für flugzeugbasiertes LiDAR, medizinische Therapien und Diagnostik sowie für die Lasermaterialbearbeitung. Wir realisieren neue, noch nicht kommerziell erhältliche, Spezifikationen, um den Laser als Werkzeug für völlig neue Prozesse einsetzen zu können. Dabei setzen wir bei grundlegenden Arbeiten zur Machbarkeit an, überführen die Erkenntnisse in Prototypen und begleiten die Umsetzung bis hin zur Marktreife. Selbstverständlich übernehmen wir auch den kompletten Technologietransfer zum Kunden und bieten außerdem eine Kleinserienfertigung im Hause an.
Ob für die Tiefsee oder den Weltraum: wir haben jahrzehntelange Erfahrung in der Entwicklung von robusten Lasern für raue Umweltbedingungen. Unser Fokus liegt dabei auf Sonderanfertigungen für die Wissenschaft. Wir bauen Laser z.B.: für die spektroskopischen Verfahren laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIBS) oder die Laserdesorption-Massenspektroskopie (LD-MS). Unsere LIBS-Laser sollen zukünftig wissenschaftliche Untersuchungen auf dem Tiefseegrund ermöglichen, die minimal in das Ökosystem eingreifen. Außerdem arbeiten wir an Lasern für Flugzeug-basierte LiDAR-Systeme, um Küsten- und Hafenlinien hochpräzise zu vermessen.
Für besondere Anwendungen in der Wissenschaft entwickeln wir hochspezialisierte, äußerst zuverlässige Lasersysteme. Für die erdgebundene Gravitationswellendetektion arbeiten wir daran, die Leistung einfrequenter Faserverstärker und faserbasierter Lasersysteme zu erhöhen. Unsere Laser machen ganz spezielle Aufgaben möglich, etwa Messungen im Weltraum, in den Lebenswissenschaften, in der Tiefsee oder in den Quantentechnologien. Häufig sind unsere Laser Unikate, aber wir fertigen auch Kleinserien.
Eine rein optische Kommunikation kann bisherige Datenübertragungsraten um das 10- bis 100-fache auf Terabit pro Sekunde erhöhen und gleichzeitig die Übertragungsqualität verbessern. Wir arbeiten an Verstärkersystemen für eine zukünftige optische Freistrahlkommunikation. Die Herausforderung ist dabei, gleichzeitig mehrere Wellenlängen in einem Verstärker zu hohen Leistungen verstärken zu können. Eingesetzt werden könnten optische Kommunikationssysteme zukünftig in Flugzeugen, auf Höhenplattformen oder in Bodenstationen für Weltraumkommunikation.
Analyse & Qualifizierung von Lasern
Um die Funktionalität von Lasersystemen sicherzustellen, begleiten wir den gesamten Entstehungsprozess von den ersten Papierstudien bis zum einsatzbereiten Lasersystem. Wir nutzen dafür Simulationen, führen Machbarkeitsstudien durch, prüfen einzelne Komponenten auf ihre Funktion und stellen mit Umwelttests sicher, dass der Laser auch außerhalb des Labors einwandfrei funktioniert. Um den stetig steigenden Anforderungen gerecht zu werden, evaluieren wir beständig unsere Methoden und entwickeln sie weiter.
Um schon vor dem Bau spezieller Laser valide Aussagen zu Machbarkeit und Eigenschaften zu bekommen, erarbeiten wir optische Entwürfe und simulieren Laserdesigns – auch um den Laser zu dimensionieren. Basierend auf diesen Erkenntnissen passen wir das mechanische Design darauf an, selbst bei besonderen Umweltbedingungen zuverlässig zu funktionieren. Mit optimalem Design ist es möglich, etwa variierende Umgebungstemperaturen zu tolerieren, so dass die Funktion unbeeinträchtigt bleibt. Dabei ist unser Anspruch, höchstmögliche Verlässlichkeit unserer Laser zu erreichen.
Wir führen vor Ort Umwelttest durch, um Lasersysteme oder Komponenten auf ihre Tauglichkeit für den speziellen Einsatz zu testen. In einer Thermal-Vakuumkammer realisieren wir aktive oder passive Tests mit Temperaturzyklen zwischen -70°C und +150°C. Uns steht weiterhin eine Klimakammer zur Verfügung, mit der wir Temperaturzyklen sogar bei einer definierten Luftfeuchte fahren können. Außerdem können wir an einem Vibrationsteststand prüfen, ob das entwickelte Lasersystem selbst starken Erschütterungen standhält. Damit simulieren wir den Transport und das Aufstellen im industriellen Umfeld, interessant ist dies aber auch für Weltraumtechnologien. Dabei passen wir unsere Ausrüstung fortlaufend an aktuelle Standards an.
Verläuft die Simulation erfolgreich, führen wir anschließend Machbarkeitsstudien durch, um das Laserdesign zu verifizieren. Dabei selektieren wir geeignete Materialien und Komponenten, bauen den Laserdemonstrator im Labor auf und charakterisieren diese hinsichtlich seiner Eigenschaften. Sollten kommerziell erhältliche Komponenten für den Einsatzzweck nicht ausreichen, entwickeln wir eigene Faser- oder andere optische Komponenten, um das Maximum etwa an Leistung oder Lebensdauer zu erreichen.
Für die optische Charakterisierung von Laserparametern stehen uns eine Reihe von State-of-the-Art-Geräten und Methoden zur Verfügung. Wir nutzen Spektrometer, um Ausgangswellenlängen exakt zu bestimmen. Die Leistung von Lasersystemen können wir im Bereich von nW bis kW messen, außerdem bestimmen wir sehr genau die Laserstrahlqualität sowie die Pulsdauer und sichern so die Qualität neuer Laser. Daneben führen wir Dauertests durch, um schon unter Laborbedingungen sicherzustellen, dass die Laser optimal und dauerhaft ihre Funktion erfüllen werden.
Prozess- und Systementwicklung für optische Systeme
Um Laboraufbauten in praxistaugliche optische Systeme zu überführen, entwickeln wir entsprechende Prozesse und Systeme. Dabei liegt unser Fokus darauf, Komponenten auf immer kleinerem Raum präzise zu montieren und zu fixieren – und so Vorarbeiten für die zukünftige integrierte Optik zu leisten.
Um die einzelnen Komponenten der Lasersysteme zu verbinden und im Gehäuse zu verankern, nutzen wir Klebe-, Klemm- und Lötprozesse und entwickeln diese beständig weiter. Die sichere Fixierung bildet dabei die Grundlage für den Einsatz in der Industrie und unter verschiedensten Umweltbedingungen. Unser Ziel ist es dabei, sichere, äußerst langlebige Verbindungen auch auf kleinem Raum zu erreichen.
Mit unserer Pick-and-Place-Anlage können wir auch kleinste Optiken präzise montieren. Wir arbeiten an automatisierten Verfahren, um Lasersysteme reproduzierbar aufzubauen und optimal zu justieren. Um Verbindungen auf immer kleineren Raum sicherzustellen, entwickeln wir Mikrolötprozesse. Außerdem beschäftigen wir uns mit automatisierter Fasereinkopplung, um entsprechende Baugruppen mit hoher Wiederholbarkeit herzustellen. Zukünftig wollen wir damit hocheffiziente Lasersysteme hochkompakt und reproduzierbar fertigen.