Status Quo und Trends der Laser- technik

  • 25. August 2010

Status Quo und Trends der Lasertechnik


Kurzinterview mit Günther Tränkle, Direktor des Ferdinand-Braun-Instituts, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH).

Dieses Jahr jährt sich die Erfindung des Lasers zum 50. Mal. In dieser Zeit hat sich Theodor H. Maimans Erfindung sowohl zu Werkzeugen für Hochtechnologiebranchen als auch zu Geräten des Alltags etabliert. Francisco Velasco vom Laser Technik Journal sprach mit Günther Tränkle, Direktor des Ferdinand-Braun-Instituts, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH), über den Status Quo und Trends der Lasertechnik.

Das Interview erschien in der Ausgabe 04/2010 vom Laser Technik Journal im Juli 2010.

Laser Technik Journal: Wo haben sich Halbleiterlaser als Schlüsseltechnologie bereits etabliert?

Günther Tränkle: Halbleiterlaser sind heutzutage allgegenwärtig: Sie finden sich sowohl im Consumerbereich bei CD-Playern und Laserpointern wie auch in industriellen Anwendungen im Bereich der Telekommunikation oder Messtechnik. Leistungsstarke und hochbrillante Diodenlaser wie sie auch am Ferdinand-Braun-Institut entwickelt werden kommen in der Materialbearbeitung standardmäßig als Pumplaser für Festkörper- oder Faserlaser zum Einsatz. Die Vorteile der Halbleiterlaser liegen in ihrem hohen Konversionswirkungsgrad von elektrischer Energie in Laserlicht, den geringen Abmessungen und ihrer hohen Zuverlässigkeit. Inzwischen bringen sie es auf Lebensdauern von mehr als 20.000 Stunden, die von der Industrie benötigt werden, um derartige Materialbearbeitungs-Systeme wirtschaftlich betreiben zu können.

LTJ: Welche Megatrends sehen Sie für Halbleiterlaser?

Tränkle: Brillanz und Konversionswirkungsgrad sind die beiden großen Themen der gegenwärtigen Forschung in der Chiptechnologie. Langfristig sollen dabei Wirkungsgrade größer 75 Prozent beim jeweiligen Arbeitspunkt des Lasers erreicht werden. Das erfordert insbesondere weitere Entwicklungsarbeiten zu den Strahlqualitäten und spektralen Eigenschaften, die sowohl einen effizienteren Einsatz als Pumpquellen ermöglichen als auch Lasersysteme in der Materialbearbeitung, die vollständig auf Diodenlasern basieren.

Ein weiterer Schwerpunkt ist die Miniaturisierung maßgeschneiderter Halbleiterquellen, bei denen durch Mikromontage verschiedene Funktionalitäten in ein Gerät integriert werden. Einsatzbeispiele sind Minibeamer im Mobiltelefon oder handliche Frischescanner, mit denen künftig vor Ort der Frischezustand von Fleisch bestimmt werden soll. Solche kompakten Systeme laufen stabil, sind flexibel einsetzbar und kostengünstig in der Herstellung.

LTJ: Von welchen Anwendungen erwarten Sie in den kommenden fünf Jahren den größten industriellen/wissenschaftlichen Innovationsschub?

Tränkle: In der Materialbearbeitung liegen noch große Potenziale durch den Einsatz von gepulsten Lasern. Mit Diodenlasern können verbesserte Lasersysteme mit Impulsbreiten im Bereich von 0,5-10ps aufgebaut werden. Kompakte ps-Lichtstrahlquellen mit integrierter Elektronik bieten eine hohe Flexibilität bei der Selektion der Pulse und lassen sich sehr effizient betreiben: Sie liefern nur dann Energie wenn sie auch tatsächlich benötigt wird und heizen sich nicht unnötig auf. Damit kann beispielsweise Material überaus präzise und flexibel je nach den Erfordernissen abgetragen werden.

Auch im Bereich der Displaytechnologie bzw. im Entertainmentsektor verzeichnen wir ein steigendes Interesse an effizienten im roten, blauen und grünen Spektralbereich emittierenden Diodenlasern. Laserbasierte Projektoren in Beamern, für Kinos oder Shows liefern gestochen scharfe Bilder, auch wenn sie auf eine Kugel oder eine unebene Fläche projiziert werden. 

Diodenlaser sind auch für Höchstfeldlaseranlagen aufgrund der Effizienz bei relativ geringen Kosten eine unabdingbare Voraussetzung. Die Anwendungen liegen derzeit vor allem in der Forschung: bei der Kernfusion, der Erzeugung kohärenter Röntgenstrahlung und bei Teilchenbeschleunigern. Ein hoch attraktiver Bereich, denn obwohl es nur wenige solcher Anlagen gibt, ist dafür eine hohe Anzahl von Diodenlasern notwendig. Solche Lasersysteme benötigen eine sehr hohe Pumpleistung, die von einer großen Anzahl von Diodenlasern geliefert wird. Die Herausforderung besteht darin, möglichst viel Leistung aus möglichst wenig Chipfläche zu erhalten, um diese Strahlquellen bezahlbar zu realisieren.

Analytik und Messtechnik sind weitere Anwendungsbereiche, für die halbleiterbasierte Laser aufgrund ihrer kompakten Größe und hohen Zuverlässigkeit hoch attraktiv sind. In der Bioanalytik werden nämlich einfache und oft auch mobile Messsystem für die Gesundheits- und Umweltüberwachung benötigt.

  

LTJ: Was muss getan werden, um die Lasertechnik auch in Zukunft voranzutreiben?

Tränkle: Wir müssen vor allem in den Nachwuchs investieren, damit auch in einigen Jahren noch ausreichend qualifiziertes Personal zur Verfügung steht. Das gilt aber nicht nur für die Lasertechnik, sondern auch für die anderen natur- und ingenieurwissenschaftlichen Disziplinen. Nehmen Sie unser Institut als Beispiel, wir beschäftigen Physiker, Ingenieure, Mikrosystemtechniker und Chemiker. Die Berufsbilder sind vielfältig, das Arbeitsfeld spannend und die Zukunftsperspektiven ausgezeichnet. Das müssen wir Kindern und Jugendlichen deutlich machen und sie einladen bei uns hineinzuschnuppern. Eine Reihe wichtiger Einzelaktivitäten, die das Interesse wecken, gibt es bereits, etwa den Girls' Day, Schülerlabore oder die Lange Nacht der Wissenschaften. Wir müssen jedoch noch enger mit Schulen kooperieren und weitere Angebote schaffen. Bislang stemmen wir Aktivitäten wie eine Laser AG mit einer unserer Partnerschulen neben der täglichen Arbeit - der Aufwand durch die didaktische Aufbereitung der Themen und praktische Angebote zum Experimentieren ist jedoch sehr hoch. Es wäre daher wünschenswert und auf lange Sicht sicherlich erfolgreich, wenn derartiges Engagement auch finanziell und personell gefördert würde, denn nur so lässt sich auf Dauer die notwendige Nachhaltigkeit erreichen. 

Günther Tränkle 

Prof. Dr. Günther Tränkle hat 1988 an der Universität Stuttgart in Physik promoviert. Am Walter-Schottky-Institut der TU München leitete er die III/V-Halbleitertechnologie und war Abteilungsleiter am Fraunhofer IAF in Freiburg. Seit 1996 ist er Direktor des Ferdinand-Braun-Instituts und seit 2002 Professor für Mikrowellen- und Optoelektronik an der TU Berlin. Seine derzeitigen Forschungsgebiete liegen in der III/V-Halbleitertechnologie, Mikro- und Millimeterwellenelektronik sowie bei Hochleistungs-Diodenlasern.

Laser Technik Journal/AL

 

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