JAHRBUCH 2010 - Laser Zentrum Hannover e.V.JAHRBUCH 2010 research I development I consulting Wir forschen und entwickeln. Für Ihren Erfolg. Laser Zentrum Hannover e.V. Hollerithallee

JAHRBUCH 2010research I development I consulting

Wir forschen und entwickeln. Für Ihren Erfolg.

Laser Zentrum Hannover e.V.

Hollerithallee 8

D - 30419 Hannover

Telefon +49 511 2788-0

Telefax +49 511 2788-100

[email protected]

www.lzh.de

Gefördert durch:

JAHRBUCH 2010research I development I consulting

1. Rückblick auf das Jahr 2010

2. Organisation – Aufbau und Schwerpunkte

2.1 Ziele und Schwerpunkte des LZH

2.2 Organisation

2.2.1 Mitglieder

2.2.2 Kuratorium

2.2.3 Vorstand

2.2.4 Verabschiedung und Verleihung des Nds.

Verdienstordens an Prof. Dr.-Ing. H. Haferkamp

2.2.5 Geschäftsführer

2.2.6 Abteilungsleiter

2.2.7 Organigramm

3. Wirtschaftliche Entwicklung

3.1 Gliederung der Einnahmen

3.2 Personalentwicklung

3.3 Anzahl weiblicher Mitarbeiter

4. Abteilungen und Gruppen

4.1 Berichte aus den Abteilungen und Gruppen 2010

4.1.1 Abteilung Laserkomponenten

4.1.2 Abteilung Laserentwicklung

4.1.3 Abteilung Nanotechnologie

4.1.4 Abteilung Technologien für Nicht-Metalle

4.1.5 Abteilung Produktions- und Systemtechnik

4.1.6 Abteilung Werkstoff- und Prozesstechnik

4.1.7 Abteilung Biomedizinische Optik

4.1.8 Stabsabteilung

4.1.9 Abteilung Zentrale Dienste

4.2 Preise und Auszeichnungen

4.3 Akademische Arbeiten

4.4 Mitarbeit in Gremien /

Mitglied in Netzwerken

4.5 Vorlesungen und Seminare

5. LZH Laser Akademie

6. Veranstaltungen

6.1 Messeteilnahmen 2010

6.2 Parlamentarischer Abend

6.3 Glasworkshop

6.4 Prominente Gäste aus Politik

und Wirtschaft

7. Veröffentlichungen

7.1 Publikationen

7.2 Pressemitteilungen

8. Technische Ausstattung

8.1 Lasersysteme

8.2 Beschichtungsanlagen

8.3 Optikcharakterisierung

8.4 Labore: Laserentwicklung

8.5 Mess- und Analysegeräte

2 3

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INHALTSVERZEICHNIS

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Rückblick auf das Jahr 20104 Rückblick auf das Jahr 2010 54 5

1. RÜCKBLICK AUF DAS JAHR 2010

Das Jahr 2010 war geprägt von der Reminiszenz an eine

wissenschaftliche Großtat - die Erfindung des Lasers vor

50 Jahren. Am 16. Mai 1960 hat der inzwischen verstorbe-

ne amerikanische Physiker Theodore Harold Maiman den

ersten funktionierenden Laser realisiert, einen Rubinlaser,

dessen Details am 6. August 1960 in „Nature“ beschrieben

wurden. Eine neue Technologie versprach 1960 die Welt zu

verändern. Man sagte, sie werde bald Augen heilen, Signa-

le übertragen und Werkstücke bohren, schneiden oder ver-

schweißen können.

Die neue Technologie eröffnete im Zuge ihrer Weiterent-

wicklung immer weitere Anwendungsmöglichkeiten. Das

wissenschaftliche Potenzial und der wirtschaftliche Nutzen

wurden in Hannover frühzeitig erkannt - von drei Hochschul-

lehrern an der Universität Hannover, die in den Fachgebie-

ten Maschinenbau, Fertigungstechnik und Physik ausgewie-

sen waren. Es handelte sich um die Professoren Haferkamp,

Tönshoff und Welling, die mit der Niedersächsischen Wirt-

schaftsministerin Birgit Breuel 1986 das Laser Zentrum

Hannover e.V. zur Erforschung und Weiterentwicklung der

Lasertechnik und Optik sowie deren Umsetzung in die prak-

tische Anwendung gründeten. Seitdem ist das LZH in einem

kontinuierlichen Aufwärtstrend zu einem bedeutenden Pfei-

ler in der niedersächsischen und deutschen Forschungs-

landschaft geworden. Das Institut genießt aufgrund seiner

Alleinstellungsmerkmale auf dem Gebiet der Entwicklung

von Lasersystemen, Laserkomponenten, der Nanotech-

nologie und der Medizintechnik heute weltweite Anerken-

nung. Ein wichtiger Schlüsselfaktor für den Erfolg war die

seit Beginn existierende interdisziplinäre Zusammenarbeit

zwischen Naturwissenschaftlern und Ingenieuren, die es er-

möglicht hat, das Thema in voller Breite zu erschließen und

voranzutreiben. Ein weiterer wesentlicher Vorteil des auße-

runiversitären LZH ist das Vorhalten der gesamten Techno-

logiekette im Bereich der Lasertechnik, dies insbesondere

im Hinblick als anwendungsorientierter Ansprechpartner

für die Wirtschaft.

Das Jahr 2010 stand für das Laser Zentrum Hannover mit

der konjunkturellen Erholung ganz im Zeichen wirtschaft-

licher Aktivitäten und wissenschaftlicher Exzellenz, wobei

die integrale Beteiligung des LZH an den Exzellenzclustern

Quest und Rebirth besonders hervorzuheben ist. Mehrere

Sonderforschungsbereiche, Projekte der EU und Verbund-

forschungsvorhaben, an denen das LZH maßgeblich beteiligt

ist, waren im vergangenen Jahr weitere sichtbare Aushänge-

schilder des Instituts. Dem LZH ist es zusammen mit dem

Deutschen Institut für Kautschuktechnologie e.V. im Jahr

2010 gelungen aus Mitteln der Volkswagenstiftung ein Pro-

jekt - Nanostrukturierte Polymere für Anwendungen in der

Optik - zu generieren. Ein außerordentlicher Erfolg für die

in Hannover ansässigen Institute und für das LZH ein ab-

teilungsübergreifendes Großprojekt mit enormer Tragweite.

Mit innovativen Impulsen für unsere großindustriellen und

mittelständischen Auftraggeber konnte sich das Laser Zen-

trum in 2010 insbesondere in den Segmenten Raumfahrt-

Laser für die Mars-Mission, und Luftfahrt - Bearbeitung

von CFK Verbundwerkstoffen, als kompetenter Partner in

Deutschland und international für zukünftige Herausforde-

rungen weiterempfehlen und im Projektvolumen deutlich

zulegen.

Eine neue Fachabteilung “Technologien für Nichtmetalle“

wurde eigens eingerichtet, um Themenfelder wie Glasbe-

arbeitung, Photovoltaik und Verbundwerkstoffe und hier

insbesondere CFK, die bislang abteilungsübergreifende

Schwerpunkte bildeten, in einer Organisationseinheit zu

konzentrieren.

Im Zuge der strategischen Neuausrichtung des Instituts

wurde das Versuchsfeld restrukturiert. Während der Exci-

merlaser-Bereich vollständig zurückgebaut wurde, kamen

Laseranlagen für die Photovoltaik-Prozessierung und die

CFK-Bearbeitung, zwei Lasersinteranlagen und eine neue

Laserschneideanlage sowie ein Nanotom hinzu.

Organisation – Aufbau und Schwerpunkte 7Rückblick auf das Jahr 201066 7

2. ORGANISATION – AUFBAU UND SCHWERPUNKTE

2.1 Ziele und Schwerpunkte

Am 20. Juni 1986 konstituierte sich das Laser Zentrum Han-

nover e.V. (LZH) unter der Schirmherrschaft des Ministeri-

ums für Wirtschaft, Technologie und Verkehr des Landes Nie-

dersachsen in der Rechtsform eines eingetragenen Vereins.

Aufgabe des Vereins ist die selbstlose Förderung der ange-

wandten Forschung auf dem Gebiet der Lasertechnologie. Zu

diesem Zweck übernimmt das LZH:

Forschungs- und Entwicklungsvorhaben in den Bereichen

Laserentwicklung und Laseranwendung

Technische und wissenschaftliche Beratungen mit dem

Ziel, Forschung und Praxis zusammenzuführen

Industrienahe Ausbildung von Fachkräften für die Ent-

wicklung, Anwendung und Bedienung von Lasersystemen

Das LZH unterhält enge Kooperationen mit der Leibniz Uni-

versität Hannover und den Technischen Universitäten Braun-

schweig und Clausthal, um den Wissenschaftsstandort Nie-

dersachsen zu stärken. In der Laserentwicklung hat das LZH

Schwerpunkte bei Lasern für industrielle und medizinische

Anwendungen, Gravitationswellendetektoren sowie für Welt-

raumanwendungen gesetzt. Viele Produktionsprozesse im

Automobil- und Flugzeugbau basieren auf Entwicklungen

des LZH. In der Mikro- und Nanotechnologie werden im LZH

entwickelte kompakte und kostengünstige Femtosekunden-

laser für extrem präzise Strukturierungsaufgaben eingesetzt.

Im Bereich der Medizintechnik werden diese Quellen für oph-

thalmologische und andere Anwendungen benötigt.

Die hohe Reputation, die das LZH über Niedersachsen hi-

naus in Deutschland und auch im amerikanischen und asiati-

schen Raum genießt und die vielen hundert neu geschaffenen

Arbeitsplätze im Land durch nunmehr 18 Institutsausgrün-

dungen, haben im vergangenen Jahr dazu geführt, dass 2010

vier Landesminister und mehrere Staatssekretäre im LZH zu

Gast waren, um sich von dem Leistungsspektrum und der In-

novationskraft des Instituts ein eigenes Bild zu machen. Jah-

reshighlight der politischen Öffentlichkeitsarbeit des Instituts

war ein Parlamentarischer Abend, der von mehreren Minis-

tern und zahlreichen Landtagsabgeordneten besucht wurde.

Im Dezember wurde im Beisein des Niedersächsischen Mi-

nisters für Wirtschaft, Arbeit und Verkehr, Herrn Jörg Bode,

unser Gründungs- und langjähriges Vorstandsmitglied

Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. med. h.c. Heinz Haferkamp

in einer Festveranstaltung mit namhaften Repräsentanten,

Freunden und langjährigen Weggefährten aus dem Vorstand

des Laser Zentrum Hannover e.V. verabschiedet.

Wir blicken zurück auf ein turbulentes und erfolgreiches Jahr

2010 und freuen uns gemeinsam mit Ihnen, liebe Freunde,

Geschäftspartner und Förderer des LZH auf ein neues Jahr

2011 mit neuen Zielen und Herausforderungen, die wir mit

großem Vertrauen in die Zukunft beherzt angehen und mit

lebendiger Dynamik und Tatkraft meistern werden.

Dr. Dietmar Kracht Klaus Ulbrich

2.2 Organisation

2.2.1 Mitglieder

Im Berichtszeitraum hatte das LZH 79 Mitglieder aus der

Industrie sowie zahlreichen Hochschulen und Forschungs-

einrichtungen. Satzungsgemäß fand am 19. November 2010

eine Mitgliederversammlung statt.

Organisation – Aufbau und Schwerpunkte

WissenschaftlicherGeschäftsführer LZH

KaufmännischerGeschäftsführer LZH

Organisation – Aufbau und Schwerpunkte8 Organisation – Aufbau und Schwerpunkte 9

2010 gehörten dem Kuratorium folgende Mitglieder aus Politik, Wirtschaft und Wissenschaft an:

Prof. Dr. Dr.-Ing. Dr. h.c. Klaus E. Goehrmann

Vorsitzender des Kuratoriums

International Neuroscience Institute (INI)

Hannover GmbH

Dipl.-Vw. Helmut Heyne

Stellvertretender Vorsitzender des

Kuratoriums

Niedersächsisches Ministerium für

Wirtschaft, Arbeit und Verkehr

Dr.-Ing. Joachim Balbach

Laser Produkt GmbH

Prof. Dr.-Ing. Erich Barke

Präsident der Gottfried Wilhelm Leibniz

Universität Hannover

Volker Brockmeyer

Qioptiq Photonics GmbH & Co. KG

Prof. Dr. rer. nat. Thomas Hanschke

Präsident der Technischen Universität

Clausthal

Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Jürgen Hesselbach

Präsident der Technischen Universität

Braunschweig

Dr. Willem Hoving

XiO Photonics bv

Dr.-Ing. Volker Kaese

Volkswagen AG, Leiter des Konzern-

und Markenlabors

Dr. Frank Korte

Micreon GmbH

Dr.-Ing. Benedikt Ritterbach

Salzgitter Mannesmann Forschung

GmbH

Ehrenmitglied im Kuratorium:

MD i. R. Klaus Stuhr

2.2.2 Kuratorium

Das Kuratorium legt die Schwerpunkte der Wissenschafts-

und Forschungspolitik des Instituts fest und unterstützt

die Institutsleitung u. a. beim Aufbau und der Pflege von

Kontakten zu Verbänden, Unternehmen und Forschungsein-

richtungen aus angrenzenden Themenfeldern.

2.2.3 Vorstand

Der Vorstand ist gesetzlicher Vertreter des Vereins.

Im Jahr 2010 gehörten dem Vorstand folgende Personen an:

Prof. Dr.-Ing. Heinz Haferkamp

(bis 19.11.2010)


Prof. Dr. rer. nat. Uwe Morgner

Gottfried Wilhelm Leibniz Universität

Hannover

Institut für Quantenoptik

Dr. rer. pol. Volker Schmidt

NIEDERSACHSENMETALL

Prof. Dr.-Ing. Volker Wesling

TU Clausthal

Institut für Schweißtechnik und Tren-

nende Fertigungsverfahren

Prof. Dr. rer. nat. Wolfgang Ertmer

Vorstandssprecher


Hannover

Institut für Quantenoptik

Dr. rer. nat. Dietmar Kracht

Geschäftsführender Vorstand


Prof. Dr.-Ing. Ludger Overmeyer


Hannover

Institut für Transport- und Automa-

tisierungstechnik

Dipl.-Verw. (FH) Klaus Ulbrich

Geschäftsführender Vorstand


Organisation – Aufbau und Schwerpunkte10 Organisation – Aufbau und Schwerpunkte 11

2.2.4 Feierliche Verabschiedung und Verleihung des niedersächsischen Verdienstordens an Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. med. h.c. Heinz Haferkamp

Am 19. November 2010 wurde der LZH-Gründer Professor

Heinz Haferkamp im Rahmen einer Festveranstaltung mit

über 60 hochrangigen Gästen aus Politik, Wirtschaft und dem

LZH feierlich verabschiedet.

In Anerkennung herausragender Leistungen für die Wissen-

schaft in Niedersachsen verlieh Wissenschaftsministerin

Frau Professor Johanna Wanka Professor Haferkamp nur

drei Tage später das Verdienstkreuz 1. Klasse des Nieder-

sächsichen Verdienstordens des Landes Niedersachsen.

Wirtschaftsminister Jörg Bode (l.) und LZH-Gründer Prof. Dr.-Ing. Heinz Haferkamp (r.) bei der feierlichen Verabschiedung von Prof. Hafer-kamp aus dem Vorstand am 19. November 2010.

Am 22.11.2010 verlieh Wissenschaftsministerin Professor Johanna Wanka (l.) Professor Haferkamp (r.) den Verdienstorden des Landes Niedersachsen.

(v.l.n.r.) Bei der feierlichen Verabschiedung von Prof. Haferkamp aus dem LZH-Vorstand am 19. November 2010: Prof. Dr. rer. nat. Thomas Hanschke (Präsident der TU Clausthal), Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Jürgen Hesselbach (Präsident der TU Braunschweig), Prof. Dr.-Ing. Heinz Haferkamp (LZH-Gründer), Prof. Dr.-Ing. Erich Barke (Präsident der Leibniz Universität Hannover) und Prof. Dr. med. Dieter Bitter-Suermann (Präsident der Medizinischen Hochschule Hannover)

2.2.5 Geschäftsführer

LaserkomponentenProf. Dr. Detlev Ristau

Werkstoff- und ProzesstechnikDr.-Ing. Dirk Herzog

(bis 28.02.2010)

LaserentwicklungDr. Jörg Neumann

NanotechnologieProf. Dr. Boris Chichkov

Biomedizinische OptikProf. Dr. Alexander Heisterkamp

(seit 01.10.2010)

Produktions- undSystemtechnikDr. Rainer Kling

StabsabteilungDipl.-Soz. Klaus Nowitzki

2.2.6 Abteilungsleiter

Technologien für Nicht-MetalleDr. Uwe Stute (seit 01.04.2010)

Zentrale DiensteDipl.-Bw. (FH) Dirk Wiesinger

Werkstoff- und ProzesstechnikDr.-Ing. Dipl.-Chem.

Stephan Barcikowski (seit 01.03.2010)

Biomedizinische OptikProf. Dr. Holger Lubatschowski

(bis 30.09.2010)

Dr. rer. nat. Dietmar Kracht Dipl.-Verw. (FH) Klaus Ulbrich

Organisation – Aufbau und Schwerpunkte12 Organisation – Aufbau & Schwerpunkte12 Wirtschaftliche Entwicklung 13

Die wirtschaftliche Entwicklung des Laser Zentrum Hannover

e.V. im Jahr 2010 wird anhand der nachfolgenden Ergebnis-

rechnung aufgezeigt.

Die betriebliche Leistung betrug im Jahr 2010 Mio. € 17,152

(Vorjahr: Mio. € 17,613). Diese beinhaltet den Umsatz, der

sich aus den Projekterträgen durch die Industrie, Bund, Land,

EU und sonstige in Höhe von Mio. € 15,052 (Vorjahr: Mio. €

15,513) sowie der Grundfinanzierung durch das Land Nieder-

sachsen in Höhe von Mio. € 2,100 (Vorjahr: Mio. € 2,100)

zusammensetzt.

Der Umsatz ging im Vergleich zum Vorjahr um 3% (Vorjahr:

10 %) zurück. Die Eigenfinanzierungsquote lag bei 88 %

(Vorjahr: 88 %). Für die Arbeitssicherheit und den Brand-

schutz im LZH wurden seitens des Wirtschaftsministeriums

des Landes Niedersachsen Projektmittel in Höhe von T€ 155

(Vorjahr: T€ 35) zur Verfügung gestellt.

Die Aufwendungen für Investitionen betrugen insgesamt Mio.

€ 3,486 (Vorjahr: Mio. € 3,048). Der Anteil der Investitionen

an den Gesamtaufwendungen betrug im Geschäftsjahr 2010

19 % (Vorjahr: 17 %).

Im Jahr 2010 wurden am LZH 117 Forschungs- und Entwick-

lungsvorhaben bearbeitet. Es kamen in 2010 29 F&E-Vorha-

ben, davon sieben im europäischen Rahmen, zur Bewilligung

(s. Bild Seite 14 „Gliederung der Einnahmen“).

3. WIRTSCHAFTLICHE ENTWICKLUNG

18.000

16.000

14.000

12.000

10.000

8.000

6.000

4.000

2.000

0

2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010

Umsatzentwicklung 2003 - 2010 (in T€)

ZENTRALE DIENSTEDirk Wiesinger

Verwaltung TechnikHolger Beckmann Frank Otte

ITTorialei Ahmadi

STABSABTEILUNGKlaus Nowitzki

Communications Aus- undSilke Kramprich Weiterbildung Markus Klemmt

KURATORIUMIndustrie, Hochschulen, Nieder-sächsisches Wirtschaftsministerium

MITGLIEDERIndustrie, Hochschulen,Forschungseinrichtungen

LASER-KOMPONENTENProf. Dr. Detlev Ristau

LASER-ENTWICKLUNGDr. Jörg Neumann

NANO-TECHNOLOGIEProf. Dr. BorisChichkow

TECHNOLOGIEN FÜR NICHT-METALLEDr. Uwe Stute

PRODUKTIONS- &SYSTEMTECHNIKDr. Rainer Kling

WERKSTOFF- &PROZESSTECHNIKDr.-Ing. Stephan Barcikowski

BIOMEDIZINISCHEOPTIKProf. Dr. AlexanderHeisterkamp

BeschichtungenDr. Stefan Günster

CharakterisierungHolger Blaschke

Prozess-entwicklungDr. Henrik Ehlers

Ultrafast PhotonicsDr. Dieter Wandt

Solid-State PhotonicsHakan Sayinc

Space TechnologiesDr.-Ing. ChristianKolleck

Single FrequencyLasersDr. Peter Weßels

Femtosecond Laser TechnologyJürgen Koch

NanolithographieDr. Ulf Hinze

NanophotonicsDr. Carsten Reinhardt

GlasDr.-Ing. Lars Richter

PhotovoltaikDr.-Ing. Oliver Haupt

VerbundwerkstoffeDr. Fabian Fischer

Maschinen und SteuerungenJörg Hermsdorf

MikrotechnikUlrich Klug

Fügen und Trennen von MetallenPeter Kallage

NanomaterialienDr. Philipp Wagener

Oberfl ächentechnikSonja Dudziak

SicherheitstechnikDr. Michael Hustedt

FACHABTEILUNGEN

VORSTAND UND GESCHÄFTSFÜHRUNGProf. Dr. Wolfgang Ertmer (Sprecher)

Dr. Dietmar Kracht (geschäftsführend)

Dipl.-Verw. (FH) Klaus Ulbrich (geschäftsführend)

Prof. Dr.-Ing. Heinz Haferkamp (bis 19.11.10)

Prof. Dr. Uwe Morgner


Dr. Volker Schmidt


CENTRAL SERVICESDirk Wiesinger

Administration TechnicsHolger Beckmann Frank Otte

ITTorialei Ahmadi

BUISNESS DEVELOPMENT & COMMUNICATIONS Klaus Nowitzki

Communications Training &Silke Kramprich Education Markus Klemmt

CURATORSHIPIndustry, universities, Lower Saxony Ministry of Economic Affairs, Labor and Transport

MEMBERSHIPIndustry, universities, research institutes

LASER-COMPONENTSProf. Dr. Detlev Ristau

LASER-DEVELOPMENTDr. Jörg Neumann

NANO-TECHNOLOGYProf. Dr. BorisChichkow

TECHNOLOGIES FORNON-METALSDr. Uwe Stute

PRODUCTION &SYSTEMSDr. Rainer Kling

MATERIALS &PROCESSESDr.-Ing. Stephan Barcikowski

BIOMEDICAL OPTICSProf. Dr. AlexanderHeisterkamp

CoatingsDr. Stefan Günster

CharacterizationHolger Blaschke

Process DevelopmentDr. Henrik Ehlers

Ultrafast PhotonicsDr. Dieter Wandt

Solid-State PhotonicsHakan Sayinc

Space TechnologiesDr.-Ing. ChristianKolleck

Single FrequencyLasersDr. Peter Weßels

Femtosecond Laser TechnologyJürgen Koch

NanolithographyDr. Ulf Hinze

NanophotonicsDr. Carsten Reinhardt

GlassDr.-Ing. Lars Richter

PhotovoltaicsDr.-Ing. Oliver Haupt

CompositesDr. Fabian Fischer

Machines and ControlsJörg Hermsdorf

MicrotechnologyUlrich Klug

Joining and Cutting of MetalsPeter Kallage

Nano-MaterialsDr. Philipp Wagener

Surface TechnologySonja Dudziak

Safety TechnologyDr. Michael Hustedt

R&D DEPARTMENTS

BOARD OF DIRECTORS AND MANAGEMENTProf. Dr. Wolfgang Ertmer (Chairman)

Dr. Dietmar Kracht (executive)

Dipl.-Verw. (FH) Klaus Ulbrich (executive)

Prof. Dr.-Ing. Heinz Haferkamp (until Nov.19th,2010)

Prof. Dr. Uwe Morgner


Dr. Volker Schmidt


2.2.7 Organigramm

Organigramm des Laser Zentrum Hannover e.V. (Stand Dezember 2010)

Organization Chart of the Laser Zentrum Hannover e.V. (December 2010)

Wirtschaftliche Entwicklung14 Wirtschaftliche Entwicklung 15

3.1 Gliederung der Einnahmen

20102010

3.2 Personalentwicklung

Die Aufteilung der Mitarbeiter im LZH ist in der folgenden Grafik dargestellt.

3.3 Anzahl weiblicher Mitarbeiter im LZH

28%

5%

4%

21%

24%

6%

12%

26%

4%

3%

22%

29%

12%

4%

2009 2010

Industrie/-Beteiligung

EU

AIF

DFG

BMBF

Sonstige

Grundlast

250

200

150

100

50

0

2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010

Gastwissenschaftler

Wissenschaftliche Hilfskräfte

Wissenschaftliche Mitarbeiter

Technisches Personal

Administration

45

40

35

30

25

20

15

10

5

02005 2006 2007 2008 2009 2010

Anza

hl d

er M

itarb

eite

rinn

en

Anza

hl d

er M

itarb

eite

r

Abteilungen und Gruppen16 Abteilungen und Gruppen 17

4. ABTEILUNGEN UND GRUPPEN

4.1.1 Abteilung Laserkomponenten

Arbeitsschwerpunkte der Abteilung:

Entwicklung von Beschichtungsprozessen auf dem Gebiet

der optischen Dünnschichttechnologie für Anwendungen

der Präzisionsoptik, Lasertechnik und Konsumoptik sowie

Komplettlösungen für hochpräzise Prozesskontrollkon-

zepte auf der Grundlage von in-situ Messverfahren

Grundlagenforschung und Modellstellungen zu Prozess-

konzepten und Schichtbildungsmechanismen sowie fort-

geschrittene Analytik zur Bestimmung von Zustandspara-

metern in Ionenprozessen

Optikcharakterisierung nach internationalen Standards für

technologisch anspruchsvolle Anwendungen vom EUV bis

in den FIR-Spektralbereich sowie der Aufbau und die Ent-

wicklung von Messgeräten zur Optikcharakterisierung

Entwicklung und Herstellung anwendungsspezifischer

Beschichtungslösungen für die Lasertechnik und moderne

Optik

Der Ursprung der Abteilung Laserkomponenten findet sich

zu Beginn der 1970er Jahre in der Arbeitsgruppe „Dielektri-

sche Schichten“ des Instituts für Quantenoptik der Universi-

tät Hannover. Im Zuge der inzwischen mehr als dreißigjähri-

gen Forschungstätigkeiten, wurden wichtige Beiträge zu der

Entwicklung von ionengestützten Beschichtungsverfahren

(IAD) und Ion Beam Sputtering (IBS) Prozessen sowie zur

hochpräzisen Kontrolle von Beschichtungsabläufen und zur

Charakterisierung von Laserkomponenten geleistet.

Neben dem Beschichtungsbereich umfasst die umfangreiche

Labor- und Reinrauminfrastruktur normgerechte Charakte-

risierungseinrichtungen für Übertragungseigenschaften vom

VUV- bis in den FIR-Spektralbereich, für optische Verluste,

laserinduzierte Zerstörschwellen und die Stabilität optischer

Komponenten.

Im Vordergrund aktueller Forschungsarbeiten der Abtei-

lung Laserkomponenten stehen komplexe Schichtsysteme

für Hochleistungs-Lasersysteme sowie die optische Mess-

und Inspektionstechnik. Neben neuen Prozesskonzepten und

innovativen Kontrollverfahren für Beschichtungsprozesse hat

das LZH Kompetenzen in der Programmierung von optischen

Monitorsystemen sowie von hochpräzisen Anlagensteuerun-

gen aufgebaut.

Mit diesen Entwicklungen wurden neue Wege für die kontrol-

lierte Herstellung von ternären Schichtphasen und von Struk-

turen mit einer kontinuierlichen Variation des Brechwerts

eröffnet. Viele Ansätze im Bereich der Grundlagenforschung

konzentrieren sich gegenwärtig auf ein Verständnis der bis-

her wenig erforschten Eigenschaften solcher Schichtstruk-

turen mit definierten Mischphasen. In jüngster Zeit werden

insbesondere Modellstellungen zum Wachstum optischer

Schichten unter definierten Prozessbedingungen erarbeitet.

Hierzu zählt die Wechselwirkung von wachsenden Schichten

mit hochenergetischen Komponenten, wie sie bei modernen

Ionenprozessen auftreten. Wissenschaftliches Neuland wird

gegenwärtig mit der Erkundung neuer Prozesskonzepte für

die Herstellung von Schichten mit eingebetteten Nanoparti-

keln betreten.

Die Optimierungsarbeiten in der Prozessentwicklung werden

unterstützt durch eine umfangreiche Optikcharakterisierung,

die auch als Serviceleistung zur Bestimmung der optischen

Verluste, der laserinduzierten Zerstörschwellen und von wei-

teren Qualitätsmerkmalen angeboten wird.

Vor dem breiten Erfahrungshintergrund ihrer Forschungs-

arbeiten, bietet die Abteilung Beschichtungen nach Kun-

denwunsch in kleinen Losgrößen an. Außerdem steht das

Know-how für die Einrichtung von Beschichtungsprozessen,

für Beratungen sowie Qualitätsbeurteilungen zur Verfügung.

Die Abteilung ist weiterhin im Bereich der Entwicklung von

Standards für die Prüfung und Bemusterung von optischen

Komponenten tätig.

Geschäftsbeziehungen bestehen hier auf internationaler Ebe-

ne und werden teilweise durch Vertriebsgesellschaften un-

terstützt. Insbesondere finden die VUV-Spektralphotometer,

Breitbandspektrometer für die Prozesskontrolle sowie Auf-

bauten der Abteilung LK nach ISO-Standards Einsatz in

Industrieunternehmen und Forschungseinrichtungen vie-

ler Länder. Im internationalen Rahmen werden neben For-

schungsprojekten auch Beratungsleistungen durchgeführt,

die sowohl eine Qualitätsbeurteilung von Dünnschichtprodukten,

als auch die Einrichtung von Beschichtungsprozessen abdecken.

Nicht zuletzt konnte im Rahmen des Exzellenzclusters QUEST

(Quantum Engineering and Space Time Research) eine Ar-

beitsgruppe „Advanced Materials“ eingerichtet werden, die

sich auf Grundlagenforschung im Bereich der Ionenstrahl-

Zerstäubungsprozesse konzentriert.

4.1 Berichte aus den Abteilungen und Gruppen 2010

ABTEILUNGSLEITER

Prof. Dr. Detlev Ristau

Tel.: +49 511 2788-240, E-Mail: [email protected]


Aktuelle wissenschaftliche Arbeiten und Projekte:

Modellierung des Schichtwachstums

Mit dem Ziel eines tiefgreifenden Prozessverständnisses, wird

im Rahmen des BMBF Projekts PluTO das Wachstum dünner

optischer Funktionsschichten auf atomarer Ebene simuliert.

Aus den modellierten Strukturen sollen relevante Schichtpa-

rameter, wie Dichte und Rauheit, aber auch optische Eigen-

schaften, wie der Brechungsindex, abgeleitet werden.

2010 standen hier vor allem molekulardynamische (MD) Si-

mulationen des Wachstums von Titandioxid im Vordergrund,

für das bereits semiempirisch gewonnene Wechselwirkungs-

potentiale verfügbar sind. Diese klassischen Potentiale sind

Voraussetzung für die Untersuchung der zeitlichen Dynamik

eines aus mehreren tausend Atomen bestehenden Ensembles

aus Sauerstoff und Titan. MD-Simulationen ermöglichen es

unter anderem, die Deposition von gesputterten Targetato-

men auf dem bereits abgeschiedenen Schichtsystem zu si-

mulieren. Außerdem erlaubt es diese Methode, den Einfluss

der kinetischen Energie auf die Schichtstruktur, ausgelöst

durch auf die Oberfläche auftreffende Teilchen, genauer zu

untersuchen. Hierbei finden insbesondere die bei dem IBS-

Prozess auftretenden charakteristischen Energie- und Win-

kelverteilungen Berücksichtigung.

Parallel zu den theoretischen Arbeiten werden die Eingangs-

größen für die Simulation mit vielfältigen in-situ-Charakte-

risierungsmethoden in IBS-Prozessumgebungen experimen-

tell bestimmt.

MD-Simulation der Deposition eines Titanatoms auf einem TiO2-Ensemble

Untersuchung der räumlichen Ausdehnung der Wechselwirkungszone bei der Deposition eines Titanatoms mit einer kinetischen Energie von 10eV.

BBM-System: Modul zur automatisierten Reoptimierung.

GRUPPENLEITER

Dr. Henrik Ehlers


Arbeitsschwerpunkte der Gruppe:

Prozessentwicklung auf dem Gebiet der optischen Dünn-

schichttechnologie für Anwendungen der Präzisionsoptik,

Lasertechnik und Konsumoptik

Thermisches Verdampfen im Vakuum

Reaktive ionengestützte Prozesskonzepte (IAD, Ion Assis-

ted Deposition)

Ionenstrahlzerstäuben (IBS, Ion Beam Sputtering)

Optimierung von Beschichtungsverfahren, Erprobung

neuer Prozessansätze, z. B. für Rugate-Filter mit konti-

nuierlichem Brechzahlverlauf

In-situ-Prozesskontrolle, Sensorik

Adaptierung von Prozesskomponenten, z. B. Ionenquellen

(Plasmaanalytik)

Qualifizierung neuer Materialien, z. B. Mischmaterialien,

Kunststoffe, multifunktionale Schichten: photokatalytische

Aktivität („Selbstreinigung“)

Software-Tools: Design, Simulation, Qualitätssicherung

Umsetzung und Beratung für die industrielle Fertigung,

Technologiestudien

Gruppe Prozessentwicklung (Abteilung Laserkomponenten)

Schichtdickenbestimmung und Prozesskontrolle

Im Jahr 2010 konnte das am LZH entwickelte Breit Band Mo-

nitoring BBM-System zur hochpräzisen Prozesskontrolle in

seiner Funktionalität deutlich erweitert werden. Das BBM-

Funktionsprinzip basiert auf breitbandigen Transmissions-

spektren, die während des Prozesses direkt an den zu be-

schichtenden Substraten aufgenommen werden.

Die Weiterentwicklung des Grundmoduls ermöglicht heu-

te eine in-situ-Schichtdickenbestimmung. Daneben wurde

eine Simulationsumgebung geschaffen, in der Schichtde-

signs maximaler Stabilität selektiert werden können. Mit Hilfe

einer dritten Komponente wurde außerdem die Ausbeute

signifikant erhöht: Eine automatisierte Reoptimierung ana-

lysiert laufend die Abweichungen der Schichtdicken im Na-

nometerbereich und übernimmt nach dem Auftreten von

kritischen Schichtdickenfehlern die Anpassung des verblei-

benden Schichtdesigns.

Mit ihren drei aufeinander abgestimmten Modulen ermög-

licht die BBM-Kontrolle die Herstellung hochkomplexer

Schichtsysteme für neue wissenschaftliche und wirtschaftli-

che Anwendungsfelder.



Die Charakterisierung qualitativ hochwertiger optischer

Funktionskomponenten, die vorwiegend ihren Einsatz als

Resonatoroptiken in Hochleistungslasern oder als strahl-

führende bzw. strahlformende Elemente in entsprechenden

Systemen finden, besitzt seit vielen Jahren einen ungebro-

chen hohen Stellenwert. Dieses Interesse spiegelt sich auch

in der Gruppe Charakterisierung wider: 2010 wurden eine

ganze Reihe hochpräziser Messsysteme für das Qualitäts-

management, sowohl im industriellen Umfeld als auch in

Forschungseinrichtungen, installiert. Der Fokus richtete sich

hierbei auf die Bestimmung der optischen Verluste an opti-

schen Materialien.

So wurde beispielsweise ein Konzept für die Partikeldetek-

tion an optischen Oberflächen umgesetzt, das die Analyse

eines vollständigen Testobjektes innerhalb kurzer Zeit er-

möglicht. Die Apparatur gestattet sowohl Aussagen über

die Größenverteilung von Partikeln, als auch über die Inho-

mogenität von Beschichtungen. In Kombination mit einem

Partikelmonitor, der direkt im Rezipienten eingesetzt wird

und den Einfluss apparatebedingter Kontaminationen durch

Partikel detektiert, ist die Analyse und somit die Optimierung

von Beschichtungsprozessen hinsichtlich der Verunreinigung

durch Partikel möglich. (Projekt „PartiPro“, gefördert von der

Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen

(AiF).)

Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeitsgruppe ist die Untersu-

chung strahlungsinduzierter Phänomene an optischen Kom-

ponenten. Die Expertise, die in den vergangenen Jahren auf

dem Gebiet der Charakterisierung der zugrunde liegenden

Wechselwirkungsmechanismen erarbeitet wurde, findet in

einem Projekt zu weltraumbasierten Lasersystemen Anwen-

dung. Im Rahmen der experimentellen Untersuchungen wer-

den Messverfahren, wie beispielsweise Fluoreszenzanalyse

und XUV-Spektroskopie, eingesetzt, die eine Identifizierung

bislang unbekannter chemischer Elemente, funktionaler

Gruppen oder gar der atomaren Struktur gestatten.

GRUPPENLEITER

Dipl.-Phys. Holger Blaschke



Entwicklung und Optimierung messtechnischer Verfahren

für die hochpräzise Charakterisierung optischer Kompo-

nenten

Entwicklung und Fertigung wissenschaftlicher Geräte

gemäß Kundenwunsch zur Bestimmung optischer Para-

meter im Spektralbereich 2 nm bis 10,6 µm

Qualifizierung neuer Optikmaterialien

Spektroskopie (Transmission, Reflexion) im Bereich VUV

(Vakuumultraviolett) bis hin zu weicher Röntgenstrahlung

Bestimmung optischer Verluste mit einer Nachweisgrenze

von 100 ppb gemäß ISO 11551 (Absorption) und ISO 13696

(totale Streuung)

Prüfung der Strahlungsfestigkeit und Langzeitstabilität

optischer Materialien gemäß ISO 11254

Prüfung nicht-optischer Eigenschaften funktioneller

Oberflächen hinsichtlich Kontamination (z. B. durch

Partikel) und Umweltverträglichkeit (gemäß MIL-C-48497a)

Analyse (Kontamination, Ausgasverhalten, strahlungs-

induzierte Zerstörschwelle) optischer Komponenten unter

dem Einfluss von Hochvakuum, z. B. für Weltraum-basierte

Anwendungen

Evaluation messtechnischer Fragestellungen, Machbar-

keitsstudien

Bereitstellung eines Mess-Services für externe Kunden

Gruppe Charakterisierung (Abteilung Laserkomponenten)

Streulichtkartierung eines Schichtsystems (IBS-Verfahren). Materialien: HfO2 & SiO2, TS-Grundwert 182 ppm, Testwellenlänge 532 nm

Herriot-Zelle für den laser-spektroskopischen Spurengasnachweis

Messapparatur zur Untersuchung strahlungsinduzierter Mechanismen unter Vakuumbedingungen oder Testgasatmosphäre



Entwicklung und Herstellung optischer Funktions-

schichten

Multilayerdesignentwicklung für Optiken zum Einsatz in

Lasersystemen, Messtechnik, Astronomie und

Wissenschaft

Auswahl geeigneter Depositionsverfahren

Vergütung von Lasermaterialien und SHG Kristallen mit

dielektrischen Beschichtungen

Vergütung von Faserfacetten mit Anti-Reflexions- und High

Finesse HR-Beschichtungen

Vergütung von Quarz und Glas, sowie CaF² und BaF²

Substraten mit komplexen Schichtdesigns

Deposition diskreter Schichtsysteme

Deposition von Gradientenschichten und Rugatefiltern

Deposition von Mischmaterialien mit einstellbarem

Brechungsindex

Herstellung von lötfahigen Metall-Dielektrika-

Übergängen

Machbarkeitsstudien zur Optikentwicklung

Bereitstellung eines leistungsfähigen Services zur Konzep-

tion und schnellen Realisierung von neuen Optiklösungen

zur Verfügung für Systementwickler und Grundlagen-

forscher

Gruppe Beschichtungen (Abteilung Laserkomponenten)


Die Entwicklung und Herstellung optischer Funktions-

schichten steht im Zentrum der Arbeiten der Gruppe Be-

schichtungen. Es wurden speziell angepasste und optimierte

Schichtsysteme für Anwendungen im Spektralbereich vaku-

um-ultraviolette Strahlung bis mittleres Infrarot (130 nm – 5

µm) realisiert. Schlüsselparameter dabei ist die jeweils zur

Aggregation der Teilchen zur Verfügung stehende Energie.

Zur Deposition der Schichtsysteme kamen komplementäre

Beschichtungsverfahren zum Einsatz: So stehen Ionen Strahl

Zerstäubungsanlagen (Ion Beam Sputtering IBS), Systeme

zum ionengestützten Aufdampfen und konventionelle Elekt-

ronen-Beam bzw. Verdampfungsanlagen zur Verfügung. Da-

neben werden DC/RF Sputtersysteme zur Deposition von Me-

tallschichten aber auch dielektrischer Materialien eingesetzt.

Alle Anlagen zur Herstellung komplexer Schichtsysteme

sind mit BBM-Systemen ausgestattet. Die Multilayerstruk-

turen werden damit automatisch, sicher und äußerst stabil

mit Schichtzahlen bis in den dreistelligen Bereich produziert.

Mit der vorhandenen Systemtechnik können zahlreiche An-

forderungen für Optikanwendungen realisiert werden. In

Zusammenarbeit mit den Anwendern wurden Lösungen für

Optiksysteme aus verschiedensten Bereichen, wie zum Bei-

spiel Lasertechnik, Halbleitertechnik, Messtechnik, Astrono-

mie oder Beleuchtungssysteme, entwickelt. Dieser Geste-

hungsprozess umfasst jeweils die Umsetzung der optischen

Spezifikation in ein Schichtdesign und die anschließende

Beschichtung selbst. Wichtige Parameter sind dabei die op-

tische Qualität, die Leistungsfestigkeit und Umweltstabilität,

aber natürlich auch die Kosten des Produktionsprozesses.

Die Gruppe Beschichtungen stellt dem Systementwickler und

Grundlagenforscher einen leistungsfähigen Service zur Kon-

zeption und schnellen Umsetzung von neuen Optiklösungen

zur Verfügung.

Ionenstrahl einer Radiofrequenz (RF) Ar-Quelle mit Dreigitter-Extraktionssystem

Depositionsverfahren

Ionenstrahlsputtern (IBS)

Ionengestützte Prozesse (IAD)

Konventionelle Aufdampfverfahren

Direct Current (DC) Sputtering

Schichtoptimierungsprozeduren

Programmpaket SPEKTRUM (LZH)

OPTILAYER (MSU-Moskau)

Essential Macleod (Tucson, USA)

Beschichtungsprogramm Spiegelbeschichtungen

Resonatorspiegel

Umlenkspiegel

Scannerspiegel

Dichroitische Spiegelsysteme mit strengen Anforder-

ungen an Kantensteilheit und Transmissionseffizienz

High Finesse Spiegel auf superpolierten Oberflächen

High Finesse Spiegel auf Faserendflächen

Anti-Reflexionschichten

AR Beschichtungen für den UV, sichtbaren und NIR

Spektralbereich

Breitband AR Beschichtungen für den UV, sichtbaren

und NIR Spektralbereich

Doppel und Multiband AR-Beschichtungen mit

niedrigsten Restreflektivitäten (


Erfolgreich abgeschlossenes Projekt:

InnoNet-Netzwerk DiskmodulEine der fortschrittlichsten Generationen leistungsfähiger

Lasersysteme beruht auf diodengepumpten Konzepten mit

großem Wirkungsgrad und hoher Strahlqualität. Besondere

Eigenschaften bietet hier der Scheiben- oder Disklaser, der

mit seiner hohen Brillanz bereits die Schwelle zur industriel-

len Nutzung überschritten hat und in vielen Anwendungsfel-

dern eine erhebliche Qualitätsverbesserung ermöglicht.

Kernkomponente des Disklasers ist das Disklaser-Modul,

welches aus der dielektrisch beschichteten Laserscheibe

und dem thermisch kontaktierten Kühlkörper besteht. Die-

ses Modul wird mit extrem hohem Aufwand gefertigt und

unterliegt Qualitätsschwankungen, die oft erst beim Betrieb

des fertigen Lasersystems offenbar werden. Verbesserungen

sind hier insbesondere bei den Beschichtungen auf den opti-

schen Funktionsflächen der Laserscheibe sowie bei der ther-

mischen Kontaktierung der beschichteten Scheibe mit dem

Kühlkörper notwendig.

Im Rahmen des InnoNet-Netzwerks „Innovative Disklaser-

Module“ galt es, den Herstellungsprozess für Disklaser-

Module neu zu gestalten, um Beschichtungen für Scheiben-

laserkonzepte mit geringsten optischen Verlusten, hoher

Leistungsverträglichkeit und verbesserten thermischen Ei-

genschaften zu realisieren. Parallel zu einer verbesserten

Qualität sollte auch eine erhöhte Ausbeute angestrebt wer-

den. Es wurden Lösungen für die Problemstellungen entlang

der gesamten Herstellungskette für Disklaser-Module erar-

beitet. Insbesondere eine neue IBS-Clusterdepositionsanlage

wurde konzipiert und am Laser Zentrum Hannover realisiert.

Mit dieser IBS-Clusteranlage steht nun ein leistungsfähiges

System zur Deposition von rein dielektrischen und metall-

dielektrischen Schichtdesigns zur Verfügung. Es können

sowohl konventionelle Designs als auch Gradienten- und

Rugate-Systeme mit optimierten Schichteigenschaften ab-

geschieden werden.

Mit Blick auf die rasant steigende Nachfrage nach Laseran-

wendungen wird so die Marktposition der deutschen Firmen

deutlich gefestigt.

Die Ergebnisse wurden mit einem Abschlusskolloquium im

Rahmen eines PhotonicNet-Workshops am 30.09.2010 im

LZH vorgestellt.

GRUPPENLEITER

Dr. Stefan Günster


Logo Diskmodulprojekt

Am LZH beschichteter dielektrischer Spiegel

4.1.2 Abteilung Laserentwicklung


Diodengepumpte Festkörperlaser

Faserverstärker

Frequenzkonversion

Ultrakurzpulsfaserlaser und -Verstärker

Regenerative Ultrakurzpuls-Verstärker

Entwicklung hochstabiler, einfrequenter Lasersysteme

Simulation und Berechnung von Lasersystemen

Durchführung von Umwelttests für Laser

Entwicklung von Lasersystemen für den Einsatz im

Weltraum

Entwicklung und Charakterisierung von passiven und

aktiven faseroptischen Komponenten

Die Abteilung Laserentwicklung beschäftigt sich mit der

Entwicklung von Laserstrahlquellen für verschiedenste An-

wendungsfelder und deckt dabei das komplette Spektrum

von der Grundlagenforschung bis zum industriellen Einsatz

ab. So wird einerseits im Bereich der Ultrakurzpuls-Faser-

oszillatoren die resonatorinterne Pulsdynamik untersucht.

Andererseits werden zur Strukturierung von organischen So-

larzellen neuartige Konzepte für kompakte modengekoppelte

Faseroszillatoren bei Wellenlängen um 2 µm entwickelt.

Forschungsschwerpunkte des LZH im Bereich Laserentwick-

lung sind der Aufbau und die Charakterisierung von moder-

nen diodengepumpten Festkörper- und Faserlasern.

Beispielhaft sei hier die Realisierung von einfrequenten di-

odengepumpten Festkörperlasern und Faserverstärkern für

den Einsatz bei der Gravitationswellendetektion genannt. Da-

rüber hinaus entwickeln die Mitarbeiter faserbasierte Laser-

quellen mit variablen Pulsparametern für die großtechnische

Nutzung in der Beschriftungsindustrie.

Die Abteilung besitzt eine umfassende Ausstattung zur Ent-

wicklung und Charakterisierung von neuartigen passiven und

aktiven faseroptischen Komponenten.

Neben dem breitenwirksamen Einsatz von Lasern hat sich

die Abteilung Laserentwicklung auf die Realisierung von La-

sersystemen für wissenschaftliche Missionen im Weltraum

und die damit verbundenen technischen Herausforderungen

in Bezug auf Lebensdauer, Gewicht und Leistungsaufnahme

spezialisiert. Dabei werden, neben dem optischen Design,

sowohl das mechanische als auch das thermale sowie struk-

turelle Design am LZH durchgeführt und in Umwelttests ve-

rifiziert. Ergänzend zu den genannten Aktivitäten, sind drei

Forschungsgruppen des hannoverschen Exzellenzclusters

Centre for Quantum Engineering and Space-Time Research

(QUEST) mit den Schwerpunkten einfrequente Laser für die

Gravitationswellendetektion, Faseroptik und weltraumba-

sierte optische Systeme in der Laserentwicklungsabteilung

angesiedelt.

Die Arbeiten werden gegliedert nach thematischen Schwer-

punkten in den Gruppen Ultrafast Photonics, Solid-State

Photonics, Space Technologies und Single Frequency Lasers

durchgeführt.

ABTEILUNGSLEITER

Dr. Jörg Neumann



Pumpkopf des Hochleistungslaseroszillators für das advanced LIGO Gravitationswellenobservatorium

Prototyp eines Festkörperlasers für den Einsatz im Weltraum


Ytterbium- und Thulium-basierte Femtosekunden-Faser-

laser im Wellenlängenbereich um 1 µm und 2 µm

Abstimmbare Pikosekunden-Faserlaser im Wellenlängen-

bereich um 2 µm

Gruppe Ultrafast Photonics (Abteilung Laserentwicklung)


Die aktuellen wissenschaftlichen Arbeiten der Gruppe Ultra-

fast Photonics (UFP) sind verschiedenen Projekten zuzuord-

nen, die vom Bundesministerium für Bildung und Forschung

(BMBF), vom hannoverschen Exzellenzcluster QUEST und von

der Europäischen Union gefördert werden. Die Schwerpunkte

der Forschung liegen auf der Erzeugung und Untersuchung

von Thulium-basierten Pikosekunden-Faserlasern sowie von

modengekoppelten Ultrakurzpuls-Lasern und -Verstärkern

auf der Basis von Ytterbium- (Yb) und Thulium- (Tm) dotier-

ten Glasfasern.

Wichtige Forschungsbereiche der Gruppe sind die Entwick-

lung von Ultrakurzpuls-Faseroszillatoren auf Ytterbiumbasis

wie auch die Realisierung von neuartigen Pulsformen, die

eine Leistungsskalierung ermöglichen. Für die Entwicklung

eines robusten industrietauglichen Systems sollen im Laser-

aufbau faseroptische Komponenten die Freistrahlkomponenten

wie Isolatoren, Wellenplatten, Strahlteiler usw. ersetzen.

Dazu werden normal dispersive Yb-Ultrakurzpuls-Faserlaser

untersucht, bei denen resonatorinternes spektrales Filtern

die Pulsformung stabilisiert. Durch die Verwendung einer

speziellen faserbasierten Filterkomponente auf der Basis

eines Wellenlängenmultiplexers (WDM) ist es gelungen, ein

Lasersystem ohne Freistrahlkomponenten aufzubauen.

Für Anwendungen in der Presbyopie-Behandlung wird seit

Mai 2009 im Rahmen der KMU-Innovationsoffensive Optische

Technologien des BMBF ein Ytterbium-Faserverstärkersys-

tem untersucht und aufgebaut. Ziel ist ein kompaktes und

zuverlässiges Faserlasersystem mit Ausgangsenergien von

300 nJ, Repetitionsraten von 1 MHz und Pulsdauern von unter

100 fs. Dabei werden auch neuartige Pulskompressorsyste-

me zur effizienten Kompensation der Dispersion dritter und

höherer Ordnungen entwickelt und eingesetzt.

Neben Ytterbium-basierten Systemen sind auch Thulium-do-

tierte Ultrakurzpuls-Faserlaser im Wellenlängenbereich um

2 µm Gegenstand aktueller Untersuchungen. Diese Arbei-

ten werden insbesondere im Rahmen des Exzellenzclusters

QUEST durchgeführt. Hier konnten erstmals ein entspre-

chendes Lasersystem mit resonatorinterner Dispersions-

kompensation realisiert und verschiedene Betriebsregime

demonstriert werden.

Im Rahmen des vom LZH koordinierten EU-Projektes (IM-

PROV) soll ein Infrarot-Kurzpulslaser im Wellenlängenbe-

reich von 3 bis 10 µm für die selektive Bearbeitung organischer

Schichten in optoelektronischen Bauelementen entwickelt

werden. Um die Strahlung eines 2 µm-Faseroszillator-

Verstärkersystems in den angestrebten Wellenlängenbe-

reich zu konvertieren, werden Thulium-dotierte Glasfasern

in neuartigen nichtlinearen Kristallen (orientation-patterned

gallium arsenide) eingesetzt. Aufgabe der Gruppe UFP in

diesem Verbundprojekt ist die Entwicklung eines vollständig

faserbasierten modengekoppelten Ultrakurzpuls-Thulium-

Faserlasers mit einer abstimmbaren Ausgangsstrahlung in

einem Wellenlängenbereich um 2 µm. Die Repetitionsrate

soll von den typischen 40 bis 60 MHz auf Werte kleiner als

1 MHz reduziert werden.

GRUPPENLEITER

Dr. Dieter Wandt


Vollständig faserbasierter, modengekoppelter Ytterbium-Ultrakurzpulslaser

Arbeit im Entwicklungslabor


Faserbasierte Superkontinuum Strahlquelle für

zeitaufgelöste Floureszenzmessungen

Bestandteil des BMBF-geförderten Projektes WHISPER³ ist

die Entwicklung einer universellen Superkontinuumquel-

le für zeitaufgelöste Fluoreszenzmessungen. Dabei wird

eine gepulste Strahlquelle variabler Wiederholrate in einem

mehrstufigen Faserverstärker leistungsskaliert. Anschlie-

ßend wird aus der bis dahin schmalbandigen Strahlung ein

Kontinuum an Frequenzen in nichtlinearen Fasern generiert.

Durch Kombination variabler Eingangspulsparameter mit fa-

serbasierter Weißlichterzeugung stellt diese innovative Quel-

le ein Universalwerkzeug für die Grundlagenforschung dar.

Einfrequente Hochleistungsstrahlquelle

Ziel dieses Vorhabens ist die Entwicklung eines vollständig

faserbasierten Verstärkers für die Leistungsskalierung eines

nicht-planaren Ring-Oszillators (NPRO). Besonders hohe

Anforderungen werden hierbei an die Strahlqualität sowie an

die Frequenz- und Amplitudenstabilität des Verstärkers ge-

stellt. Die Arbeitsgruppe Solid State Photonics ist durch die

Entwicklung eigener Faserkomponenten in der Lage, die im

Projekt benötigten Hochleistungskomponenten selbst zu fer-

tigen und weiterzuentwickeln.


Fasertechnologie

Faserbasierte Laserquellen mit variablen Pulsparametern

Faserbasierte Superkontinuum-Strahlquelle für

zeitaufgelöste Fluoreszenzmessungen

Einfrequente Hochleistungsstrahlquelle

Gruppe Solid State Photonics (Abteilung Laserentwicklung)


Fasertechnologie

Die im Rahmen des hannoverschen Exzellenzclusters QUEST

am LZH gegründete Forschungsgruppe FIBER OPTICS be-

schäftigt sich mit der Entwicklung, Simulation und Charakte-

risierung von passiven und aktiven faseroptischen Bauteilen.

Durch das Verschmelzen von mehreren Fasern können Sin-

gle- und Multi-Mode-Faserkomponenten mit unterschied-

lichsten optischen Eigenschaften erzeugt werden. Im Mittel-

punkt der Forschungsarbeiten stehen Pumplichtkoppler für

Hochleistungs-Faserlaser und spezielle spektrale Filter zur

Modenkopplung von Ultrakurzpuls-Faserlasern bei Wellen-

längen von 1 bis 2 µm. Hierbei kommen neben herkömm-

lichen Telekomfasern auch Fasern mit großen Kernquer-

schnitten (large mode-area, LMA) und spezielle photonische

Kristallfasern (PCF) zum Einsatz.

Faserbasierte Laserquellen mit variablen Pulsparametern

Das Projekt PULSAR (GePUlstes LaserSystem mit Adaptier-

baren PulspaRametern) befasst sich mit der Entwicklung

verschiedener gepulster Laserquellen im Piko- und Nano-

sekundenbereich für die industrielle Materialbearbeitung.

Laseroszillatoren kleiner und mittlerer Ausgangsleistung

werden mit faserbasierten Verstärkern in industriell rele-

vante Leistungsbereiche skaliert. Indem man Oszillator und

Verstärker entkoppelt, wird eine hohe Variabilität möglicher

Pulsparameter hinsichtlich Pulsdauer, Pulsform und Repeti-

tionsraten erreicht. Dies ermöglicht wiederum eine schnelle

und bisher einzigartige Optimierung der Bearbeitungsprozes-

se. Das Projekt wird im Rahmen der BMBF-Förderinitiative

INLAS gefördert. GRUPPENLEITER

Hakan Sayinc


HIGHLIGHTS

Messebeteiligung: Photonics West 2010, Ausstellung

von Exponaten auf dem German Pavilion

Konferenzbeiträge: S. Kanzelmeyer, M. Hildebrandt, T.

Theeg, M. Frede, D. Kracht, J. Neumann, „All-fiber re-

generative amplification of low energy 40-ps seed pul-

ses from a gain-switched laser diode at low repetition

rates“, Photonics West 2010 und Advanced Solid State

Photonics 2010

Entwickelter 6+1x1 Hochleistungspumpkoppler mit Signaldurchführung



Ein aktuelles Projekt beschäftigt sich mit der (Weiter-)Ent-

wicklung eines Lasers für die von ESA und NASA gemeinsam

geplante Mars-Mission ExoMars. Es handelt sich um einen

diodengepumpten, passiv gütegeschalteten Nd:YAG-Festkör-

perlaser mit nachgeschalteter Frequenzvervierfachung mit

Hilfe nichtlinearer Kristalle. Diese erzeugen aus dem infraro-

ten Licht des Oszillators ultraviolette Strahlung. Das geplante

Flugmodell des Lasers soll als Teil eines Laser-Desorptions-

Massenspektrometers (LD-MS) die Suche nach Spuren von

Leben auf dem Mars unterstützen (MOMA – Mars Organic

Molecule Analyzer).

Ein erster Prototyp dieses Lasers wurde bereits entwickelt

und besonderen Umweltbelastungen wie Vibrations-, Ther-

mal-Vakuum- und Bestrahlungstests unterzogen. Aktuell be-

findet sich der Prototyp in der Weiterentwicklung. Verschie-

dene Details des Designs wie beispielsweise das thermische

Konzept werden mit Blick auf die Stabilität der Laseraus-

gangsparameter überarbeitet. Die Förderung der Weiterent-

wicklung bis hin zum Flugmodell dieses Lasers wurde seitens

des DLR bis 2014 sichergestellt. In dem Projekt besteht eine

enge Zusammenarbeit mit europäischen wie amerikanischen

Projektpartnern; federführend für das MOMA-Instrument ist

das Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung.

In einem weiteren Projekt wurde der Prototyp eines gepulsten

Nd:YLF-Lasers konzipiert, der beispielsweise für LIBS (laser-

induced breakdown spectroscopy) im Weltraum verwendet

werden kann. Auch dieser Laser befindet sich zurzeit in der

Weiterentwicklung.

Die Forschergruppe „Photonic Devices for Space Applications“

des Exzellenzclusters QUEST liefert Technologien, um opti-

sche Systeme an einen Einsatz im Weltraum zu adaptieren.

Aktuelle Forschungs- und Entwicklungstätigkeiten reichen

von der Realisierung robuster Laseroszillatoren für Anwen-

dungen im Weltraum und spannungsarme Halterungen für

nichtlineare optische Kristalle mit geringer Justagetoleranz

bis zu Fertigungstechniken für hermetisch dichte Gehäuse von

Lasern mit hohen Ausgangspulsenergien oder -leistungen.


Entwicklung von diodengepumpten Festkörperlasern,

Faserlasern und Faserverstärkern für den Einsatz im Welt-

raum sowie unter rauen Umweltbedingungen

Optomechanisches Design, Struktur- und Thermalanalyse

von Systemen und Bauteilen

Durchführung/Betreuung von weltraum-relevanten

Umwelttests

Die Gruppe Space Technologies (SPT) bearbeitet mehrere

Projekte zur Entwicklung von diodengepumpten Festkörper-

laser-Systemen, die für den Einsatz im Weltraum vorgesehen

sind. Da hinsichtlich Lebensdauer, Leistungsverbrauch, Mas-

se, Temperaturbereich, Umgebungsdruck und mechanischer

Stabilität hohe Anforderungen an diese Systeme gestellt wer-

den, sind speziell abgestimmte Laser-Konzepte notwendig,

die sowohl durch Experimente und Simulationen als auch in

entsprechenden Umwelttests verifiziert werden.

Gruppe Space Technologies (Abteilung Laserentwicklung)

Miniaturisiertes Labormodell eines kompakten Laseroszillators. Foto: Thomas Damm / QUEST

HIGHLIGHTS

Bewilligung der Förderung für die Entwicklung des

Flugmodells des gepulsten UV-Lasers für das MOMA-

Instrument der ExoMars-Mission

Aufbau und Inbetriebnahme einer neuen, durch QUEST

finanzierten Thermal-Vakuum-Kammer für die Simula-

tion weltraumähnlicher Umgebungsbedingungen

Messebeteiligung: Photonics West 2010,

24. – 28. Januar 2010, San Francisco, California, USA

Veröffentlichungen:

R. Huß, R. Wilhelm, C. Kolleck, J. Neumann, D. Kracht,

“Suppression of parasitic oscillations in a core-doped

ceramic Nd:YAG laser by Sm:YAG cladding”, Optics Ex-

press, Vol. 18, No. 12, pp. 13094-13101 (2010)

T. Denis, S. Hahn, S. Mebben, R. Wilhelm, C. Kolleck, J.

Neumann, D. Kracht, „Compact diode stack end pum-

ped Nd:YAG amplifier using core doped ceramics“, Ap-

plied Optics, Vol. 49, No. 5, pp. 811-816 (2010)

GRUPPENLEITER

Dr.-Ing. Christian Kolleck




Entwicklung hochstabiler Lasersysteme für erdgebundene

Gravitationswellen-Observatorien

Einfrequente Laser im Wellenlängenbereich von 1 bis 2 µm

Untersuchung der Eigenschaften einfrequenter

Hochleistungsfaser- und Kristallverstärker

Gruppe Single Frequency Lasers (Abteilung Laserentwicklung)


2007 stattete das LZH die beiden amerikanischen Gravita-

tionswellendetektoren LIGO in Hanford und Livingston er-

folgreich mit Festkörper-Verstärkersystemen exzellenter

Strahlqualität und einfrequenter Ausgangsleistung von 35

W aus. Ende 2010 konnte die Phase wissenschaftlicher Da-

tenaufnahme mit diesen verbesserten LIGO Lasersystemen

abgeschlossen werden. Derzeit befinden sich die Detektoren

in einer Umrüstungsphase auf die zweite Generation der Gra-

vitationswellendetektoren – advanced LIGO.

Für diese zweite Generation von Gravitationswellendetekto-

ren arbeitete man am LZH intensiv an einem mehrstufigen,

einfrequenten Hochleistungslasersystem. Dazu wurde ein

Hochleistungsoszillator entwickelt, der sich an die bereits

vorhandenen 35 W-Systeme koppeln lässt. Mit dieser Kom-

bination kann die Ausgangsleistung auf über 200 W - unter

Beibehaltung der exzellenten Strahlqualität und der einfre-

quenten Emission - skaliert werden.

Die Entwicklung des Hochleistungsoszillators erfolgte über

mehrere Prototypen: Der „Functional Prototype“, mit dem die

Spezifikationen des Lasersystems demonstriert wurden, ist

2008 abgeschlossen worden. Mitte 2009 wurde der „Engin-

eering Prototype“ realisiert, der sowohl in allen wesentlichen

optischen Parametern als auch im mechanischen Design be-

reits weitestgehend dem finalen Modell entsprach. Im Juni

2010 lieferte die Gruppe das „Reference System“ erfolgreich

an das Albert-Einstein-Institut in Hannover aus. Dieses Sys-

tem ist in allen Parametern identisch mit den Lasersyste-

men, die an die Observatorien ausgeliefert werden, verbleibt

jedoch zu Studienzwecken am Standort.

Schließlich konnte Ende 2010 zusammen mit der Firma neo-

LASE und dem Albert-Einstein-Institut der erste „Observa-

tory Laser“ an das LIGO Gravitationswellenobservatorium in

Livingston verschifft werden. Dieses System wird in der ers-

ten Jahreshälfte 2011 in Betrieb gehen.

„3rd generation gravitational wave detector laser source“

heißt eine Forschergruppe, die sich im Rahmen der Exzel-

lenzinitiative QUEST in der Gruppe Single Frequency Lasers

etabliert hat. Diese Gruppe erforscht Laserquellen und -kon-

zepte für die übernächste Generation von Gravitationswel-

lendetektoren. Im Fokus stehen zwei Wellenlängenbereiche

– 1064 nm und 1550 nm –, die parallel untersucht werden. Im

1 µm Bereich soll, aufbauend auf den bereits mit Faser-

verstärkern erzielten Ergebnissen, eine weitere Leistungs-

skalierung durch eine Kombination aus Faser- und Fest-

körperverstärker bis in den kW-Bereich realisiert werden.

Besonderes Augenmerk wird darauf gelegt, die exzellente

Strahlqualität sowie Frequenz- und Leistungsstabilität beizu-

behalten. Im 1,55 µm Bereich, der im Kleinleistungsbereich

durch die Aktivitäten in der Telekommunikationsbranche be-

reits weitgehend erforscht ist, werden grundlegende Experi-

mente zur Leistungsskalierung in den Bereich einiger 100 W

durchgeführt.

Im Einzelnen werden Erbium-dotierte und Erbium/Ytterbium-

kodotierte Faserverstärker konzeptionell verglichen. Auch

hier stehen grundlegende Untersuchungen zur Beibehaltung

der reinen transversal-elektromagnetischen TEM00 Emissi-

on und zu verschiedenen Einflüssen auf die Frequenz- und

Leistungsstabilität im Mittelpunkt der Aktivitäten.

HIGHLIGHTS

Auslieferung des „Reference Systems“ an das

Albert-Einstein-Institut in Hannover

Verschiffen des ersten „Observatory Lasers“ an das

LIGO Livingston Gravitationswellenobservatorium

zusammen mit der Firma neoLASE und dem Albert-

Einstein-Institut

O. Puncken, H. Tünnermann, J. J. Morehead, P. Weßels,

M. Frede, J. Neumann, D. Kracht, „Intrinsic reduction

of the depolarization in Nd:YAG crystals,“ Optics Ex-

press, Vol. 18, pp. 20461 – 20474 (2010)

V. Kuhn, S. Unger, S. Jetschke, D. Kracht, J. Neumann, J.

Kirchhof, P. Weßels, „Experimental Comparison of Fun-

damental Mode Content in Er:Yb-Codoped LMA Fibers

with Multifilament- and Pedestal-Design Cores,“ Jour-

nal of Lightwave Technology 28, pp. 3212 – 3219 (2010)

GRUPPENLEITER

Dr. Peter Weßels


Berechnetes Modenprofil einer Multifilamentkern-Faser

x-position (um)

y-po

sitio

n (u

m)


4.1.3 Abteilung Nanotechnologie


Nanobearbeitung und Nanolithographie

Nanophotonik, Plasmonik und Metamaterialien

Herstellung und Anwendung von Nanomaterialien

Femtosekunden Lasertechnologie

Zwei-Photonen-Polymerisation

Biologisches Laserdrucken

Tissue Engineering

Nanostrukturierte Implantate

Die Abteilung Nanotechnologie besteht am LZH seit 2004.

Zentrale Anliegen sind die Entwicklung neuer Technologien

zur Herstellung von mikro- und nanostrukturierten Objekten

sowie deren Anwendung in der Photonik, Mikrofluidik und

Biomedizin. Die für diese Ziele generierten unterschiedlichen

Verfahren spiegeln sich in der Ausrichtung der einzelnen

Gruppen wider.

So untersucht die Gruppe Nanophotonik die Herstellung und

Charakterisierung optischer Komponenten für die Plasmo-

nik sowie von Metamaterialien mithilfe nichtlinearer 2D/3D-

Laserlithographie. Die Gruppe Nanolithographie beschäftigt

sich mit der Entwicklung neuer lithographischer Systeme,

z. B. Zwei-Photonen-Polymerisationssysteme für das Rapid

Prototyping von mikrostrukturierten Implantaten. Schwer-

punkt der Gruppe Femtosekunden Lasertechnologie sind

verschiedene ablationsbasierte Verfahren und der laserin-

duzierte Transfer anorganischer wie organischer Materialien

zur Realisierung von z. B. biologischen 3D-Strukturen.

Anwendungen und Förderprogramme

Mittels Kurzpuls-Laserlithographie hergestellte Strukturen

werden bei der Realisierung von photonischen und plasmo-

nischen Komponenten sowie von Metamaterialien verwendet.

Auch in der Oberflächenfunktionalisierung, Mikromechanik

und Mikrofluidik wie in der Herstellung von dreidimensiona-

len Gerüsten aus biologischem Zellmaterial oder von Implan-

taten für die Biomedizintechnik kommen diese Strukturen

zum Einsatz.

Zur Durchführung der einzelnen Forschungsvorhaben ist

die Abteilung Nanotechnologie an verschiedenen Sonder-

forschungsbereichen (SFB 599, Transregio 37) und diversen

nationalen (DFG SPP1391, BMBF, DAAD, Spitzencluster RE-

MEDIS), europäischen und internationalen Projekten betei-

ligt. Hervorzuheben ist die Beteiligung der Abteilung Nano-

technologie an den hannoverschen Exzellenzclustern QUEST

und REBIRTH.

Darüber hinaus wird in der Abteilung ein kommerziell verfüg-

bares, kompaktes System zur Herstellung von 3D Mikro- und

Nanostrukturen durch Zwei-Photonen-Polymerisation ange-

boten und stetig weiterentwickelt. Diese im Turn-Key-Betrieb

arbeitende Anlage ermöglicht dem Anwender, schnell und

bequem beliebige komplexe 3D-Strukturen herzustellen.

Internationale Partner

Die Abteilung pflegt weitreichende Vernetzungen mit Univer-

sitäten und Industriepartnern auf europäischer und interna-

tionaler Ebene.

ABTEILUNGSLEITER

Prof. Dr. Boris Chichkov



Ablative Mikro- und Submikrometerstrukturierung


Maskenlose Lithographie

Laserinduzierte Schmelzdynamik

Laser-Vorwärtstransfer

Aktuelle wissenschaftliche Arbeiten und Schwerpunkte:

Die Gruppe Femtosecond Laser Technology (FLT) befasst sich

mit dem Einsatz von Ultrakurzpulslasern in der Materialbe-

arbeitung. Aktuelle wissenschaftliche Arbeiten liegen sowohl

im Bereich der Grundlagen- als auch in der Anwendungsfor-

schung. Durch ein besseres Verständnis der Wechselwirkun-

gen zwischen Laser und Material sollen neue Techniken der

Materialbearbeitung mit dem Femtosekundenlaser (fs-La-

ser) entwickelt und bestehende Verfahren verbessert werden.

Ziele sind die weitere Verringerung kleinster erzeugbarer

Strukturgrößen bei gleichzeitig verbesserter Reproduzierbar-

keit sowie kürzere Prozesszeiten.

Im Grundlagenbereich werden derzeit zwei Projekte des

Schwerpunktprogramms 1327 der DFG „Optisch erzeugte

Sub-100nm-Strukturen für biomedizinische und technische-

Applikationen“ bearbeitet. Das Projekt „Entwicklung funktio-

neller sub-100nm 3D-Zwei-Photonen-Polymerisationstechnik

und optische Charakterisierungsmethoden“ befasst sich mit

fs-Laser basierter, hoch auflösender Bearbeitung photosen-

sitiver Materialien. Demgegenüber steht die Untersuchung

von Schmelzdynamik- und Ripple-Strukturen im Projekt

„Zeitaufgelöste Beobachtung und Modellierung der Entste-

hung laserinduzierter Nanostrukturen“. Ein weiteres Projekt

aus der Grundlagenforschung befasst sich mit der Frage, ob

man mit gezielter Laserstrukturierung die Wasserbenetzbar-

keit von Oberflächen steuern kann. Dies wird derzeit im Rah-

men einer Vorlaufforschung für künftige Projekte geprüft.

Gruppe Femtosecond Laser Technology (Abteilung Nanotechnologie)


In der Anwendungsforschung liegt der Schwerpunkt aktu-

ell im Bereich der Biomedizin. So ist die Gruppe FLT im Ex-

zellenzcluster „REBIRTH“ mit den beiden Forschergruppen

„Biological Laser Printing“ und „Nanosurfaces“ vertreten. Die

erstgenannte beschäftigt sich mit dem Einsatz des laserindu-

zierten Vorwärtstransfers für lebende Zellen. Dabei soll ein

Verfahren zum schnellen und reproduzierbaren Aufbau kom-

plexer dreidimensionaler Zellstrukturen entwickelt werden.

Die zweite Forschergruppe stellt dreidimensionale künstliche

Scaffolds (Gerüststrukturen) per Zwei-Photonen-Polyme-

risation (2PP) her. Ziel ist die Steuerung des Zellverhaltens

über die Oberflächenbeschaffenheit.

Die Arbeiten in beiden Forschergruppen sind jeweils eng

verknüpft mit Projekten im Rahmen des DFG TransRegio

37 „Mikro- und Nanosysteme in der Medizin – Rekonstruk-

tion biologischer Funktionen“. Hier werden im Teilprojekt

„Laserinduzierter Vorwärtstransfer von Biomaterialien“ die

schädigungsfreie Übertragung und Anordnung lebender

Zelltypen innerhalb einer Matrix sowie der dreidimensionale

Zellstrukturaufbau mittels Laser-Vorwärtstransfer unter-

sucht. Das Teilprojekt „Bioartifizielle Gefäßprothese“ be-

schäftigt sich mit der Herstellung dreidimensionaler Gefäß-

prothesen mittels 2PP. Im Fokus stehen hier photosensitive,

biologisch abbaubare Materialien, die nach Strukturierung

und Oberflächenfunktionalisierung vitalisiert werden. Des

Weiteren wird im TransRegio 37 das Projekt „Oberflächenmo-

difikation und Bioaktivierung von Titan-Mittelohrprothesen“

bearbeitet. Angestrebt ist hier ein kontrolliertes Zellwachstum

auf dem Implantat mittels lasermodifizierter Oberflächen-

topographie.

Die Gruppe FLT ist zudem mit zwei Projekten im SFB Son-

derforschungsbereich 599 „Zukunftsfähige bioresorbierbare

und permanente Implantate aus metallischen und kerami-

schen Werkstoffen“ vertreten. Im Teilprojekt „Nerven-Elek-

troden-Interaktion“ und einem verwandten Transferprojekt

mit Industriebeteiligung geht es um die lasergestützte topo-

graphiebasierte Funktionalisierung von Chochlea-Implantat-

Oberflächen. Abgerundet werden die Arbeitsschwerpunk-

te der Gruppe FLT durch technische Entwicklungen für die

Steuerung von Ultrakurzpulslaser-Materialbearbeitungssys-

temen und Prozessautomatisierungstechniken sowie durch

diverse Industriekooperationen und Auftragsarbeiten im Be-

reich der Mikromaterialbearbeitung.

GRUPPENLEITER

Dipl.-Phys. Jürgen Koch



Zwei-Photonen-Polymerisation: Anlagenentwicklung

und Anwendung

Mikro- und Nanostrukturierung mittels

Femtosekundenlaser

Anwendung von Nanomaterialien

Mikro- und nanostrukturierte medizinische

Implantate

Lithographische Verfahren werden heute routinemäßig zur

Massenherstellung von Computerchips verwendet. Aufgrund

zunehmender mikro- und nanolithographischer Verfahren

hält der Trend zur Miniaturisierung aber inzwischen auch in

vielen anderen Bereichen Einzug: Dazu zählen neuartige Mi-

krooptiken, mikrofluidische Bauteile und Mikroimplantate für

die Medizin. Unter Verwendung von Femtosekundenlasern

kommen dabei sowohl Rapid-Prototyping-Techniken (2PP)

als auch abtragende Verfahren zum Einsatz. Die Gruppe Na-

nolithographie (NLT) untersucht und entwickelt in diesem

Bereich neuartige Techniken, Bauteile und Systeme für For-

schung und Anwendung.


Die Gruppe Nanolithographie hat ein System zur Herstellung


Die Gruppe Nanolithographie hat ein System zur Herstellung

von Mikro- und Nanostrukturen entwickelt, das inzwischen auch

bei Forschungs- und Geschäftspartnern zum Einsatz kommt. Es

verwendet Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP) zur Herstellung

hochaufgelöster Strukturen im Rapid-Prototyping-Verfahren.

Alleinstellungsmerkmal ist die schnelle Arbeitsgeschwindigkeit

von bis zu 50 mm/s bei einer Präzision im Bereich unter 500 nm

und einer Aufbaufläche von bis zu 150 cm². Um die Arbeitsge-

schwindigkeit noch weiter zu erhöhen, werden Techniken er-

probt, die eine Parallelisierung des Aufbauprozesses erlauben.

Die 2PP-Technik wird auch im Rahmen des Remedis-Projek-

tes angewandt, um neuartige Implantate für die Augenheil-

kunde zu entwickeln. Ein Fokus liegt auf der Modellierung

und Herstellung spezieller Fresnellinsen, die der Korrektur

von Fehlsichtigkeiten im Auge dienen.

Eine weitere Anwendung im Bereich der Augenheilkunde ist die

Entwicklung von Implantaten zur Bekämpfung der Volkskrank-

heit ‚Grauer Star‘. Diese Krankheit tritt auf, wenn der Körper den

Augeninnendruck nicht mehr selbstständig regeln kann. Intelli-

gente druckregelnde Mikroimplantate sollen hier Abhilfe schaf-

fen. Nanopartikel (z. B. Gold-Nanosphären, 100nm) können als

Basis für neuartige Biosensoren dienen, wenn sie mit Hilfe eines

laserinduzierten Transfers gezielt hochpräzise angeordnet wer-

den; ein Verfahren, das aktuell am LZH erforscht wird.

Das Laser Zentrum Hannover ist darüber hinaus federfüh-

rend eingebunden in das europäische Cost-Netzwerk, an dem

derzeit etwa 100 Wissenschaftler in 15 europäischen Ländern

beteiligt sind. In diesem Verbund wird an Konzepten und Stra-

tegien für neuartige EUV- und Röntgenstrahlungsquellen und

deren Anwendungen in der Lithographie und Nanotechnolo-

gie gearbeitet. Das Laser Zentrum Hannover ist als Vertreter

Deutschlands im Management Committee vertreten.

Gruppe Nanolithographie (Abteilung Nanotechnologie)

HIGHLIGHTS

M3D- Nanostrukturierungssystem

Präsentation Metrology with EUV sources, European

Cost Meeting 27. – 28. Mai 2010, Krakau, Polen

K. Obata, J. Koch, U. Hinze, B. N. Chichkov: „Multi-

focus two-photon polymerization“. Optics Express Vol.

18, No. 16, pp. 17193–17200 (2010)

A.I. Kuznetsov, R. Kiyan, B.N. Chichkov, „Laser fabri-

cation of 2D and 3D metal nanoparticle structures and

arrays“, Optics Express, Vol. 18, pp. 21198-21203 (2010)

V. Osipov, V. Pavelyev, D. Kachalov, A. Žukauskas,

B. N. Chichkov, „Realization of binary radial diffractive

optical elements by two-photon polymerization tech-

nique“, Optics Express, Vol. 18, No. 25, pp.25808-25814

GRUPPENLEITER

Dr. Ulf Hinze

Tel.: +49 511 2788-223, E-Mail: [email protected] Zweiphotonenpolymerisation (2PP) hergestellte dreidimensionale Scaffoldstruktur: Vorlage als 3D-CAD-Modell (links) und REM Aufnahme der hergestellten Struktur (rechts)



Photonik/Plasmonik: Miniaturisierung optischer Kompo-

nenten für Anwendungen im IT-Bereich und in der

Sensorik

Metamaterialien: Studium der grundlegenden Eigenschaf-

ten von nanostrukturierten Materialien und Nanopartikeln

Mikromechanik/Mikrofluidik: Herstellung dreidimensio-

naler Strukturen zum Transport von Flüssigkeiten mittels


Mikrooptische Elemente: Untersuchung und Herstellung

von Mikrolinsen, integrierten mikrooptischen Systemen

und mikrofluidischen Lasern

In der Gruppe „Nanophotonik“ werden laserbasierte Me-

thoden zur Herstellung von zwei- und dreidimensionalen

Mikro- und Nanostrukturen untersucht. Die angewandten

nichtlinearen lithographischen Prozesse erzeugen winzige

Strukturdetails bis zu 100 nm Dabei entstehen eine Reihe

neuartiger optischer Eigenschaften, und interessante An-

wendungsperspektiven für mikromechanische und mikroflu-

idische Komponenten.

Herstellungsprozesse mikrofluidischer Komponenten un-

tersucht, die ihren Einsatz in der biomedizinischen Sensorik

finden sollen.

Die Wechselwirkung von Licht mit nanostrukturierten Ma-

terialien und lasergenerierten Nanopartikeln sowie die Ent-

wicklung und Charakterisierung nanophotonischer und plas-

monischer Komponenten sind Forschungsschwerpunkte in

zwei weiteren Projekten: Im DFG-Projekt „SPP 1391 Ultrafast

Nanooptics“ und in der Forschergruppe „Nanophotonics“

des Exzellenzclusters „QUEST - The Centre for Quantum En-

gineering and Space-Time Research“ stehen das Studium

grundlegender Eigenschaften von Oberflächenplasmonen

und ihre Anwendungen im Bereich der Informationstechnolo-

gie bzw. Sensorik im Vordergrund. Beide Vorhaben führen die

Arbeit des bereits in diesem Jahr beendeten europäischen

Projekts „PLASMOCOM - Polymer-based nanoplasmonic

components” fort.

Die außergewöhnliche Gruppe der Metamaterialien ist eben-

falls Teil der Untersuchungen im Rahmen des Exzellenzclus-

ters QUEST. Unter Einsatz nichtlinearer Laserlithographie

werden Nano- und Mikrostrukturen aus metallisiertem Poly-

mer oder aus exakt sphärischen, streng monodispersen Na-

nopartikeln hergestellt, deren Brechungsindex auch negative

Werte annehmen kann.


Die Erforschung der laserbasierten Herstellung und Un-

tersuchung optischer und mechanischer/mikrofluidischer

Eigenschaften von Mikro- und Nanostrukturen bildet die

Grundlage der in 2010 neu begonnenen Projekte.

Mechanische Eigenschaften dreidimensionaler Strukturen ste-

hen im Fokus des DFG Projektes “Entwicklung und Herstellung

Mikro-Opto-Elektro-Mechanischer Systeme (MOEMS)”, welches

bereits 2007 begonnen wurde und in diesem Jahr fortgesetzt wird.

Speziell die optischen Eigenschaften von Polymeren und ihre

Anwendungen im Bereich der nichtlinearen Optik und Laser-

technik bilden die Basis des VW Projektes “Nanostrukturierte

Polymere für Anwendungen in der Optik“. Im europäischen

Projekt „IntraocularMicrolens – Novel Artificial Intraocular Mi-

crolens” liegt ein besonderes Augenmerk auf der Herstellung

und Charakterisierung komplexer mikrooptischer Elemente

für medizinische Anwendungen. Aufgabe der Gruppe ist hier-

bei die Realisierung von Intraokularlinsen mittels Zwei-Pho-

tonen-Polymerisation.

Das Ziel des europäischen Projektes “TopBio - TwO Photon

absorbers for BIOmedical applications” ist die Weiterent-

wicklung geeigneter Polymermaterialien speziell für biome-

dizinische Anwendungen, die sich optimal durch nichtlineare

lithographische Prozesse strukturieren lassen.

Bei verschiedenen in diesem Jahr fortgeführten Projekten

stehen ebenfalls medizinische Anwendungen mikro- und na-

nostrukturierter Materie im Blickpunkt: So werden insbeson-

dere in dem DFG-geförderten SFB Transregio 37 “Mikro- and

Nano-systems in Medicine”, aber auch in dem europäischen

Projekt „MicroFluid - micro-Fabrication of polymeric Lab-on-

a-chip by Ultrafast lasers with Integrated optical Detection”

Elektronenmikroskopische Aufnahme eines Feldes aus durch Zwei-Photonen-Polymerisation hergestellten Split-ringresonatoren als Metamaterial im fernen IR. Die Polymerstruktur wurde nach der Herstellung selektiv metallisiert, um elektrisch leitende Strukturen auf einem nichtleitenden Substrat zu erhalten. (Bild nachkoloriert)

Ein Polymerwellenleiter (Teiler) für Oberflächenplasmonen auf einer Goldfläche. Die mikroskopische Aufnahme zeigt sowohl den Wel-lenleiter selbst mit einer Breite von 700 nm, als auch das Plasmon in dem Wellenleiter.

Ein durch Laserablation hergestelltes mi-krofluidisches Element in einem Polymer-substrat. In der 1,6 mm breiten und einige Mikrometer tiefen Kammer können per Flu-oreszenzdetektion verschiedene Stoffe nach-gewiesen werden.

GRUPPENLEITER

Dr. Carsten Reinhardt


Gruppe Nanophotonik (Abteilung Nanotechnologie)



Bearbeitung von Rohrglas: Fügen, Trennen, Formen

Bearbeitung von Flachglas: Oberflächenmodifikation,

Eigenspannungsmodifikation, Mikrobearbeitung

Die Herstellung bekannter aber insbesondere neuer Produk-

te aus Glaswerkstoffen wird durch den Einsatz von Laser-

strahlung verbessert bzw. erst ermöglicht. Das LZH bietet für

diesen Bereich neue Lösungen an und optimiert bestehen-

de Prozesse durch den Einsatz des Lasers. Ein wesentlicher

Schwerpunkt in der Prozessoptimierung ist eine material-

schonende Bearbeitung hinsichtlich Spannungen und Mate-

rialveränderungen.


Nemo-Projekt Solavis: Glas für solare Energienutzung

Das Netzwerk „Solavis“, dessen globales Ziel die Produktion

von kosteneffizientem Flachglas für solare Anwendungen ist,

wird von der Gruppe Glas aktiv mit Teiltechnologien unter-

stützt. Durch den erstmaligen Einsatz von Recyclingmate-

rialien als Rohstoff für Substratgläser, mit Hilfe innovativer

Herstellungs- und Veredelungsverfahren sowie durch den

Wegfall von Zwischenschritten in der Glasproduktion, können

erhebliche Kosten eingespart werden. Dabei liegt der Fokus

des LZH auf industrienahen Entwicklungsarbeiten zum Ein-

satz der Lasertechnologie, welche in Kooperation mit den in-

dustriellen Netzwerkpartnern vorangetrieben werden.

BMBF-Projekt Labasent: Forschungsprämie II - Laserba-

siertes Entspannen von thermisch gespannten Gläsern

Innerhalb dieses grundlagenorientierten Vorlaufprojektes

wurde das gezielte Entspannen von thermisch gehärteten

Glas (ESG) untersucht. Ziel war es, in lokalen Bereichen des

Glases die Vorspannung zu relaxieren und somit eine nach-

trägliche mechanische Bearbeitung von ESG zu ermöglichen.

BMBF-Projekt LafueSol: Laserbasiertes Rohrglasfügen

für Solarreceiver

Das Verbundprojekt strebt die Umsetzung eines innovativen

laserbasierten Fügeprozesses für Solarröhrenkollektoren an.

Ziel ist eine prototypische Anlage, auf der das automatisier-

te Fügen von Rohrgläsern möglich ist. Zentrales Anliegen ist

dabei ein energieeffizientes Fügeverfahren, um den Energie-

einsatz und die Fertigungskosten zu minimieren. Das derzeit

eingesetzte Fertigungsverfahren, basierend auf der Erwär-

mung mittels Gasbrenner, soll somit vollständig ersetzt und

dessen Nachteile überwunden werden. Des Weiteren wird die

Ausbildung der Eigenspannungen beobachtet und deren Be-

einflussbarkeit erforscht. So sollen sowohl energetisch effi-

zient erzeugte Bauteile als auch eine Lagerfähigkeit erreicht

werden. Die bisher erfolgreich umgesetzten Fügeprozesse

zeigen in Richtung einer vollständigen Realisierbarkeit des

Gesamtziels. So wurde bereits eine Zeitersparnis für den Fü-

geprozess von 50% gegenüber der bisher eingesetzten Tech-

nologie erreicht.

4.1.4 Abteilung Technologien für Nicht-Metalle


Rohr- und Flachglasbearbeitung

Laserprozesse für die Produktion von

Photovoltaikzellen und -modulen

Kunststoffbearbeitung mit dem Fokus auf

Verbundwerkstoffe

Die Abteilung Technologien für Nicht-Metalle entwickelt la-

serbasierte Lösungen für industrielle Themenfelder mit

Schwerpunkten jenseits der „klassischen“ Metallbearbeitung.

In der 2010 neu eingerichteten Abteilung wird von Grundla-

genprojekten bis zur Erstellung von Funktionsmustern an

spezifischen Aufgabenstellungen der industriellen Fertigung

geforscht. Partner aus dem industriellen wie auch wissen-

schaftlichen Umfeld werden beraten und erhalten Unterstüt-

zung in der Prozess- und Systementwicklung bis hin zu einer

Prototypenfertigung. Dabei stehen technologieübergreifende

Lösungen für den Einsatz in der Produktion im Fokus.

Im Rahmen der Forschungsschwerpunkte wird der Laser

als Werkzeug zum Strukturieren, Trennen, Formen sowie für

Verbindungstechniken bestmöglich an die Erfordernisse der

verschiedenen Einsatzgebiete von Nicht-Metallen angepasst

und als Laserprozess in eine komplexe Produktion eingebet-

tet. So entstehen branchenspezifische Lösungen z. B. für die

Rohrglasindustrie, die Solarindustrie sowie für die Bereiche

Automotive und Luftfahrt.

Die entwickelten Konzepte stellen in der Regel Schlüssel-

technologien für den Anwender dar und ermöglichen sowohl

Qualitäts- als auch Produktivitätssteigerungen. Beispiel-

hafte Zielsetzungen sind Glas-Metall/Glas-Glasverbindun-

gen für die Herstellung von Solarkollektoren, die Fertigung

neuer Zellstrukturen in der Photovoltaik basierend auf einer

schädigungsarmen Laserbearbeitung oder die automati-

sierte Reparatur von Kompositmaterialien. Präzisionsbear-

beitung im Mikrometerbereich, aber auch hochproduktive

Durchsatzoptimierung von großen Flächen stehen exempla-

risch für die Bandbreite der Aufgabenstellungen.

Mit Schaffung der neuen Abteilung wird eine zielgruppen-

orie

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