Mehr Wissenstransfer für die laserbasierte Optikfertigung

Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT ergänzt seine etablierte Aachener „6th Conference on Laser Polishing LaP“ am 15. und 16. Oktober 2024 zum ersten Mal durch eine neue Konferenz, die das weltweit zunehmende Interesse an photonischen Prozess­ketten für die Optik­industrie aufgreift. Die „1st Conference on Laser-based Optics Manu­facturing LOM“ stellt die laser­basierte Herstellung komplexer Optiken in den Mittelpunkt und soll den Wissens­transfer aus der Forschung in die Industrie ankurbeln. Die laser­basierte Optik­fertigung verspricht Wettbewerbs­vorteile, weil sie kosten­effizient, digital steuerbar und obendrein frei von Schleif­stäuben und Poliermitteln ist.

Die Vision rein photonischer Prozess­ketten in der Optikfertigung wird greifbar. „Es ist heute absehbar, dass Laser ihr Potenzial entlang der gesamten Prozess­kette von der Formgebung über die Politur bis zur Formkorrektur entfalten werden“, sagt Edgar Willenborg, Gruppenleiter Polieren am Fraunhofer ILT in Aachen. In ersten industriellen Anwendungen würden laserbasierte Prozesse bereits etablierte mechanische Verfahren ergänzen. Der Treiber dieser Entwicklung ist die steigende Nachfrage nach komplexen, spezifisch auf Einzel­anwendungen hin designten Asphären und Freiformoptiken. Deren Fertigung führt die mechanischen Fertigungs­prozesse an ihre Grenzen. Denn diese sind üblicher­weise auf die Bearbeitung sphärischer Linsen hin optimiert.

Die komplexeren Asphären mechanisch zu formen, polieren und zu korrigieren ist zeit- und kostenaufwändig. Hier sind frei programmier­bare, berührungs­los arbeitende Laserverfahren im Vorteil. Der Einsatz von Form­werkzeugen wird ebenso verzichtbar wie Poliermittel. Zudem hinterlassen die Laserprozesse chemisch saubere Oberflächen. „Und dank der numerisch gesteuerten Prozesse ohne Formwerkzeuge sind zudem auch die Bearbeitungs­zeiten nicht mehr von der Linsenform abhängig“, erklärt Willenborg.

Auf dem Weg zur breiten Nutzung laser­basierter Fertigungs­prozesse für Optiken sind noch einige Herausforderungen zu meistern. Insbesondere die erforderliche Formtreue und das breite Materialspektrum für gläserne und polymere Optiken bergen ungelöste Fragestellungen. Um sie gezielt und frühzeitig mit einer inter­nationalen Fachcommunity aus der Forschung und der Industrie zu adressieren, ruft das Institut die neue Fachtagung ins Leben, die in den Räumlichkeiten des Aachener Instituts stattfinden wird. Die Kombi-Konferenz bietet neben zwanzig Vorträgen, eine ausführliche Labortour, eine Vitrinen- und Poster-Ausstellung und diverse Diskussions- und Vernetzungs­formate. 

Fachlich rückt die LOM photonische Prozessketten in den Fokus, deren Formgebung auf dem Abtrag mithilfe von Ultrakurzpuls-(UKP)-Lasern und dem Selective Laser-induced Etching (SLE) basiert. Beim Polieren sind CO₂-Laser im Einsatz. Ihr Strahl bringt Oberflächen der Glas- oder Kunststofflinsen oberflächlich zum Schmelzen. In dieser Zone geht das Material in einen honigähnlichen Zustand über und zieht sich dann beim Erkalten infolge der Oberflächen­spannung automatisch glatt. „Dieses Umschmelzen der Randschicht samt der Oberflächenglättung durch die Grenzflächen­spannung resultiert in heraus­ragenden Oberflächenqualitäten“, sagt Willenborg. Die Rauheiten im Sub-Nanometer­bereich setzen neue Standards und prädestinieren die Laserprozesse für Anwendungen, die höchste optische Leistungen erfordern. Zur Beseitigung von Mikro-Rauheiten, an denen das Licht streut und Oberflächen trübe erscheinen lässt, sind die Laser­verfahren bereits im Einsatz und ergänzen dabei bisher noch mechanisch dominierte Prozessketten.

Ein Schwerpunkt der neuen Fachkonferenz liegt auf optischen Oberflächen mit hohen Zerstörschwellen. Gleich vier Vorträge beleuchten das Potenzial der Laser­verfahren für die Erhöhung der optischen Zerstörschwellen. Darunter ein Fachvortrag des Kalifornischen Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), in dessen National Ignition Facility (NIF) es im Dezember 2022 zum ersten Mal gelang, unter Labor­bedingungen ein Plasma zu zünden und damit die Fusion der Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium auszulösen. Diese setzte mehr Energie frei, als die Zündung per Laser benötigte. Die NIF betreibt die weltgrößte, energie­reichste Laseranlage mit 192 Strahlengängen, über zwei Megajoule Pulsenergie und 500 Terrawatt Peak-Leistung. Die hoch­energetischen UV-Laserpulse bringen optische Komponenten regelmäßig an den Rand der Zerstörschwelle – und darüber hinaus. Ein vielver­sprechender Ansatz, um sie robuster zu machen, ist die Laserpolitur. Denn sie hinterlässt anders als mechanische Verfahren keinerlei Mikrodefekte in der Linsenoberfläche.

Die Konferenz legt den Schwerpunkt auf das Laserpolieren von Metallen, Gläsern, Kunststoffen und anderen Materialien. Es geht um Funktions- und Design­oberflächen sowie um die Nachbehandlung komplexer additiv gefertigter Bauteile. Auch hier haben berührungslose Laser­verfahren wegen der oft komplexen Bauteilgeometrien Vorteile gegenüber mechanischen Prozessen. „Mit ihren jeweiligen Themenspektren sind beide Konferenzen weltweit einzig­artig“, betont Willenborg. Gerade weil sich diese jungen Technologie­felder sehr dynamisch entwickeln, setze das Fraunhofer ILT auf frühzeitigen Wissens­transfer. „Für Unternehmen, die sich die Vorteile moderner Laserpoliturverfahren schon jetzt zunutze machen, können sich echte Wettbewerbs­vorteile ergeben“, sagt er. 

Fh.-ILT / JOL