Bunte Hoffnung Neue Laserquellen sichern technologische Souveränität Deutschlands

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Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB

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Laser sind wichtige Instrumente, doch abhängig von seltenen Erden, die importiert werden müssen. Fraunhofer-Forscher wollen diese Abhängigkeit verringern.

Als China im Zuge des Zollstreits im April den Export von seltenen Erden und einigen anderen Elementen in die USA – und somit auch nach Europa – erschwerte, wurde klar, wie stark Deutschland davon abhängt. Außer gewissen Hightech- und Rüstungsunternehmen leidet aber auch die Laserindustrie unter der Verknappung. Sie benötigt etwa Elemente, die unter anderem für Laserkristalle und aktive Laserfasern als Verstärkungsmedium dienen, um Laserstrahlung zu erzeugen. Damit entscheiden sozusagen Materialien im Wert von nur einigen hundert Euro über die Zukunft von Systemen im Wert von hunderttausenden von Euro, wie die Experten vom Fraunhofer-Institut für Optotronik, Systemtechnik und Bildauswertung (IOSB) klarmachen.

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Es gehe aber nicht nur um die Wettbewerbsfähigkeit und Unabhängigkeit der deutschen und europäischen Volkswirtschaften, sondern auch darum, die Verfügbarkeit adäquater Laserkristalle und Fasern zu gewährleisten, um damit die Prozesse ihrer Verarbeitung selbst in der Hand zu haben. Deshalb forscht man am IOSB an neuen, besseren Kristallen und faseroptischen Komponenten, die dabei helfen, die Laser der Zukunft zu entwickeln.

Nichtlineare optische Materialien verändern Wellenlängen

Als Herzstück eines jeden Lasers verstärken Laserkristalle das Licht, indem sie optische Energie in höheren Energieniveaus speichern und – entsprechend ihrer Dotierung etwa mit bestimmten seltenen Erden – in definierten Wellenlängen als Laserstrahlung freisetzen, so die Experten. Wenn für bestimmte Wellenlängen aber keine Laserkristalle verfügbar sind, ist eine Konversion mittels nichtlinearer optischer Materialien (NLO) möglich. Durch ihre optischen Eigenschaften können diese die Wellenlängen (und somit Farben) eines Laserstrahls umwandeln – etwa die Wellenlängen halbieren, dritteln oder auch mehrere davon mischen. Damit ließe sich das Laserlicht über einen definierten Bereich hinweg kontrolliert verändern, sodass es stärker mit Materialien wechselwirkt, besondere Moleküle nachweisen kann oder höher auflösende Mikroskope ermöglicht. Auch Anwendungen mit für die Augen schädlicher Laserstrahlung – etwa bei Entfernungsmessungen – können durch NLO in unbedenkliche Wellenlängenbereiche verlagert werden. So ermöglichten diese Laserquellen auch neue Möglichkeiten in der Medizintechnik, der Umweltanalytik oder in puncto. Verteidigung.

Das Laserkristall-Know-how muss hier bleiben!

Sowohl bei Laser- als auch NLO-Kristallen ist aber die Qualität der erhältlichen Kristalle bisher oft ein limitierender Faktor. Denn Kristall ist nicht gleich Kristall, wie die Forscher anmerken. Denn neben der Dotierung sind die optische Qualität und Absorption sowie die Wärmeleitfähigkeit und Polarisationseigenschaften der Kristalle entscheidend für deren Leistungsfähigkeit. So könne es bei höherer Leistung zu Temperaturunterschieden innerhalb des Kristalls kommen – mit negativen Effekten auf Effizienz und Strahlqualität. Deshalb ist die Züchtung und Verarbeitung von Laserkristallen im wahrsten Sinne des Wortes eine Wissenschaft für sich. Viele Prozesse sind auch nicht automatisierbar. Rohkristalle müssen nämlich geschnitten, geschliffen, poliert, beschichtet oder mikrostrukturiert werden. Diese spezielle Verarbeitung entscheidet über Effizienz und Belastbarkeit. Dieses Prozesswissen müsse im Land gehalten und ausgebaut werden, um die Weiterentwicklung der Technologie nicht aus der Hand zu geben.

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