Leistungsfähigere Breitbandspiegel verbessern Lasertechnik
BMBF-Verbundprojekt OptiOxid erforscht neue Beschichtungstechnologien für Breitband-Laserspiegel.
Laserbasierte Verfahren kommen weltweit in der Materialbearbeitung, der Medizin und der Analytik zum Einsatz. Deutsche Firmen sind in der Laserbranche seit Jahren Weltmarktführer: So kommen im Bereich der Materialbearbeitung 40 Prozent der Laserquellen und 25 Prozent der Lasermaschinen aus Deutschland. Das im April 2012 gestartete und vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte Verbundprojekt OptiOxid hat das Ziel, neue Beschichtungstechnologien zur Herstellung von Breitbandspiegeln zu entwickeln, die zur Führung des Laserstrahls benötigt werden. Damit soll die Leistungsfähigkeit der Spiegel verbessert und die Kosten von Lasersystemen gesenkt werden.
Abb.: Scannerschweißen einer PKW-Tür. (Bild: Trumpf Laser)
Für die vielfältigen Anwendungen laserbasierter Verfahren werden derzeit unterschiedlichste Lasersysteme und Komponenten eingesetzt. Durch den zunehmenden Einsatz von Laserdioden und frequenzvervielfachten traditionellen Lasern kommen ständig neue Wellenlängen in den Gebrauch. Ein Trend in der Lasertechnik geht dahin, die Vielfalt der dadurch benötigten optischen Bauelemente zu reduzieren und damit sowohl die Lagerhaltungskosten, als auch mit größeren Produktionsvolumina die Herstellungskosten zu senken.
Die optischen Bauelemente sollen zudem eine hohe Winkeltoleranz bezüglich des einfallenden Lichtes und möglichst geringe Streuverluste besitzen. Ein wichtiger Schritt in diese Richtung ist die Weiterentwicklung von Breitbandspiegeln. Diese Hochleistungsspiegel können einen breiten Wellenlängenbereich des elektromagnetischen Spektrums verlustfrei reflektieren und dadurch für unterschiedliche Wellenlängen und Einfallswinkel verwendet werden. Grundlage dafür sind die komplexen Beschichtungen der Laserspiegel.
Beschichtungen für Laserspiegel bestehen – je nach Anwendung – aus 20 bis 100 Einzelschichten, wobei sich im Schichtsystem Materialien mit niedriger und hoher Brechzahl abwechseln. Je weiter die Brechzahlen auseinander liegen, desto größer ist die Bandbreite des Reflexionsspektrums. Als beste niedrigbrechende Schicht hat sich Siliziumdioxid etabliert.
Entwicklungsspielraum gibt es jedoch bei den hochbrechenden Schichten: Von allen prinzipiell geeigneten hochbrechenden Schichtmaterialien besitzt Titandioxid die höchste Brechzahl. In der Praxis wird Titandioxid bereits für die Großflächenbeschichtung von Fensterglas verwendet. Für laseroptische Anwendungen muss das Oxid jedoch besonders präzise und gleichmäßig mit möglichst feinkristalliner Struktur abgeschieden werden. Eine Aufgabe, bei der bislang angewendete Beschichtungsverfahren an ihre Grenzen stoßen.
Im Rahmen des Projektes sollen hochbrechende Oxidschichten mit einem Vakuumverfahren, dem „Magnetronsputtern mit hohem Ionisationsgrad“ abgeschieden werden. Der Schlüssel des Verfahrens liegt darin, den abzuscheidenden Teilchen mehr Energie als bei herkömmlichen Beschichtungsprozessen mitzugeben. Durch die zusätzliche Energie sollen sich feinkristalline, dichte Strukturen ausbilden, mit dem Ziel, über die Schicht eine gleichmäßige Brechzahl zu erzielen und Streuverluste durch zu große Kristallite zu vermeiden.
Damit soll ein Verfahren entwickelt werden, um Titandioxid in ausreichender Qualität für präzisionsoptische Anwendungen abzuscheiden. Hierdurch wird die Güte von Breitbandspiegeln entscheidend verbessert und deren Einsatzgebiet erheblich erweitert. Ziel des Forschungsprojektes ist es, die sehr große Teilevielfalt zu reduzieren und damit Kosten bei Herstellern und Käufern von Lasersystemen zu senken.
An dieser Aufgabe arbeiten im Rahmen des BMBF-Verbundprojektes OptiOxid drei Partner, die Firma LAYERTEC aus Mellingen als Hersteller von optischen Bauelementen, die Firma TRUMPF Laser aus Schramberg als Hersteller von Hochleistungslasern und das Fraunhofer-Institut für Elektronenstrahl- und Plasmatechnik Dresden (FEP) als Forschungsinstitut.
Die Fördersumme des Verbundprojektes beträgt 474.000 Euro. Bis zum Meilenstein des Projektes im März 2014 soll eine Beschichtungstechnologie gefunden sein, mit der das Titanoxid in der gewünschten Struktur erzeugt werden kann. Bis zum Projektabschluss im März 2015 soll ein Demonstrator für einen Breitband-Laserspiegel entstehen, der die Leistungsfähigkeit der neuen Technologie unter Beweis stellen wird.
Photonik Forschung Deutschland / PH
