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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
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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
4
7
7
7
7
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11
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16
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INHALTSVERZEICHNIS
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86
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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)
Laser Zentrum Hannover e.V.
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
Gottfried Wilhelm Leibniz Universität
Hannover
Institut für Quantenoptik
Dr. rer. nat. Dietmar Kracht
Geschäftsführender Vorstand
Laser Zentrum Hannover e.V.
Prof. Dr.-Ing. Ludger Overmeyer
Gottfried Wilhelm Leibniz Universität
Hannover
Institut für Transport- und Automa-
tisierungstechnik
Dipl.-Verw. (FH) Klaus Ulbrich
Geschäftsführender Vorstand
Laser Zentrum Hannover e.V.
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
Prof. Dr.-Ing. Ludger Overmeyer
Dr. Volker Schmidt
Prof. Dr.-Ing. Volker Wesling
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
Prof. Dr.-Ing. Ludger Overmeyer
Dr. Volker Schmidt
Prof. Dr.-Ing. Volker Wesling
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: d.ristau@lzh.de
Abteilungen und Gruppen18 Abteilungen und Gruppen 19
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
Tel.: +49 511 2788-245, E-Mail: h.ehlers@lzh.de
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.
Abteilungen und Gruppen20 Abteilungen und Gruppen 21
Aktuelle wissenschaftliche Arbeiten und Projekte:
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
Tel.: +49 511 2788-253, E-Mail: h.blaschke@lzh.de
Arbeitsschwerpunkte der Gruppe:
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
Abteilungen und Gruppen22 Abteilungen und Gruppen 23
Arbeitsschwerpunkte der Gruppe:
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)
Aktuelle wissenschaftliche Arbeiten und Projekte:
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 (
Abteilungen und Gruppen24 Abteilungen und Gruppen 25
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
Tel.: +49 511 2788-249, E-Mail: s.guenster@lzh.de
Logo Diskmodulprojekt
Am LZH beschichteter dielektrischer Spiegel
4.1.2 Abteilung Laserentwicklung
Arbeitsschwerpunkte der Abteilung:
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
Tel.: +49 511 2788-210, E-Mail: j.neumann@lzh.de
Abteilungen und Gruppen26 Abteilungen und Gruppen 27
Pumpkopf des Hochleistungslaseroszillators für das advanced LIGO Gravitationswellenobservatorium
Prototyp eines Festkörperlasers für den Einsatz im Weltraum
Arbeitsschwerpunkte der Gruppe:
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)
Aktuelle wissenschaftliche Arbeiten und Projekte:
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
Tel.: +49 511 2788-214, E-Mail: d.wandt@lzh.de
Vollständig faserbasierter, modengekoppelter Ytterbium-Ultrakurzpulslaser
Arbeit im Entwicklungslabor
Abteilungen und Gruppen28 Abteilungen und Gruppen 29
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.
Arbeitsschwerpunkte der Gruppe:
Fasertechnologie
Faserbasierte Laserquellen mit variablen Pulsparametern
Faserbasierte Superkontinuum-Strahlquelle für
zeitaufgelöste Fluoreszenzmessungen
Einfrequente Hochleistungsstrahlquelle
Gruppe Solid State Photonics (Abteilung Laserentwicklung)
Aktuelle wissenschaftliche Arbeiten und Projekte:
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
Tel.: +49 511 2788-269, E-Mail: h.sayinc@lzh.de
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
Abteilungen und Gruppen30 Abteilungen und Gruppen 31
Aktuelle wissenschaftliche Arbeiten und Projekte:
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.
Arbeitsschwerpunkte der Gruppe:
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
Tel.: +49 511 2788-219, E-Mail: c.kolleck@lzh.de
Abteilungen und Gruppen32 Abteilungen und Gruppen 33
Arbeitsschwerpunkte der Gruppe:
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)
Aktuelle wissenschaftliche Arbeiten und Projekte:
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
Tel.: +49 511 2788-215, E-Mail: p.wessels@lzh.de
Berechnetes Modenprofil einer Multifilamentkern-Faser
x-position (um)
y-po
sitio
n (u
m)
Abteilungen und Gruppen34 Abteilungen und Gruppen 35
4.1.3 Abteilung Nanotechnologie
Arbeitsschwerpunkte der Abteilung:
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
Tel.: +49 511 2788-316, E-Mail: b.chichkov@lzh.de
Arbeitsschwerpunkte der Gruppe:
Ablative Mikro- und Submikrometerstrukturierung
Zwei-Photonen-Polymerisation
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)
Abteilungen und Gruppen36 Abteilungen und Gruppen 37
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
Tel.: +49 511 2788-217, E-Mail: j.koch@lzh.de
Arbeitsschwerpunkte der Gruppe:
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.
Aktuelle wissenschaftliche Arbeiten und Schwerpunkte:
Die Gruppe Nanolithographie hat ein System zur Herstellung
Aktuelle wissenschaftliche Arbeiten und Schwerpunkte:
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: u.hinze@lzh.dePer Zweiphotonenpolymerisation (2PP) hergestellte dreidimensionale Scaffoldstruktur: Vorlage als 3D-CAD-Modell (links) und REM Aufnahme der hergestellten Struktur (rechts)
Abteilungen und Gruppen38 Abteilungen und Gruppen 39
Arbeitsschwerpunkte der Gruppe:
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
Zwei-Photonen-Polymerisation
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.
Aktuelle wissenschaftliche Arbeiten und Projekte:
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
Tel.: +49 511 2788-136, E-Mail: c.reinhardt@lzh.de
Gruppe Nanophotonik (Abteilung Nanotechnologie)
Abteilungen und Gruppen40 Abteilungen und Gruppen 41
Arbeitsschwerpunkte der Gruppe:
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.
Aktuelle wissenschaftliche Arbeiten und Projekte:
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
Arbeitsschwerpunkte der Abteilung:
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