Autoren: Nikolaus Fecht und Dr. Andreas Thoss

Autoren: Nikolaus Fecht und Dr. Andreas Thoss

Bild: Fraunhofer ILT / Ralf Baumgarten

60 Jahre ist der Laser alt und er fasziniert noch immer. Das ist die Geschichte des Lasers, deren Forschung dazu und den Anwendungen bis hin zu zukünftigen Aufgaben, für die er sich bereits in Stellung bringt.

Der erste offizielle Laserstrahl war ein hellroter Punkt, «pink ruby», und man schrieb den Mai 1960. Der Elektroingenieur und promovierte Physiker Theodore H. Maiman zündete in seinem Labor im kalifornischen Malibu diesen wenige Zentimeter langen Rubin, der auf beiden Enden aufgedampfte Silberspiegel besass. Den kleinen Stab umgab eine Xenon-Blitzlampe, deren grelles Licht «pink ruby» die Atome in dem Kristall anregte so dass er einen hellroten Strahl abgab – den weltweit ersten, offiziellen Laserstrahl.

Ein anderer Laser-Pionier, der Nobelpreisträger Charles Townes, spricht in seinen Memoiren «How the Laser Happened» davon, dass der Laser von Anfang an die Fantasie der Militärs beflügelte. Von Todesstrahlen war die Rede, die Raketen vom Himmel holen würden. Sein Schwager und Ko-Erfinder Arthur Schawlow befeuerte das noch, indem er gern öffentlich mit dem Laser Luftballons zerschoss.

Dank solcher Ideen wurden schnell erhebliche Forschungs- und Entwicklungskapazitäten aufgebaut – und zwar in Ost und West. Die USA sahen im Laser «the biggest breakthrough in the weapons area» seit der Atombombe und unterstützten die Forschung ab 1960 mit Millionenbudgets. In Deutschland waren die Budgets deutlich kleiner, aber auch hier wurde die Industrie (Leitz, Telefunken u.a.) früh vom Bundesministerium für Verteidigung eingebunden. Dabei zeigte sich schnell, dass die Laser vor allem zur Vermessung taugten. «Todesstrahlen» zur Raketenabwehr sind bis heute nicht über das Teststadium hinausgekommen.

Früh dabei waren natürlich die klassischen Optik-Unternehmen. Sowohl Carl Zeiss in Oberkochen als auch der VEB Carl Zeiss in Jena stiegen Anfang der 60er Jahre teils auf eigene Kosten in die Entwicklung ein. In Oberkochen lief der erste Laser Anfang 1962, in Jena wurde das erste Labormuster eines Entfernungsmesslasers 1965 präsentiert.

Neben den militärischen Projekten entwickelten sich gerade in Deutschland schnell auch zivile Anwendungen: Die Bauakademie der DDR setzte bereits Mitte der 60er Jahre etwa 20 sogenannte Baulaser als hochgenaue Messinstrumente beispielsweise beim Bau von Fernsehtürmen ein.

Bei Zeiss in Oberkochen entwickelte man gütegeschaltete Festkörperlaser mit Spitzenleistungen im Megawattbereich. Für die Materialbearbeitung waren die nicht geeignet, wohl aber für Vermessungsaufgaben.

Ausgerechnet ein gelernter Feinwerktechniker sorgte dort für den ersten Durchbruch in der industriellen Anwendung: Ein junger Laboringenieur erhielt von Dr. Siegfried Panzer, dem Leiter des Hochfrequenzlabors, freie Hand zur Weiterentwicklung der Lasertechnik. «Nach ersten Experimenten mit Mikroskop-Optik entstand ein labortaugliches Gerät», erinnert sich der heute 82-jährige Dr. Paul Seiler. «Nicht nur die Lasertechnik, sondern auch die Entwicklung der Optik und der Stromversorgung mit der Kondensator-Entladung waren Neuland.» Die Mühe hat sich gelohnt: Zeiss verkaufte die Laborgeräte zum Beispiel an den Glühlampenhersteller Osram, der damit Diamant-Ziehsteine bohrte.

Der eigentliche Schub nach vorne kam für den jungen Ingenieur mit einem weiteren Kunden: Der Feinwerkspezialist CARL Haas aus Schramberg war auf der Suche nach einem Fertigungsverfahren, mit dem sich Unruhfedern von Uhren zuverlässig schweissen lässt. Seilers Laborgerät schnitt bei den Versuchen so gut ab, dass Haas ihm 1971 einen Posten anbot. Weil Seiler sich bei Zeiss als Einzelkämpfer sah, wechselte er nach Schramberg, wo er mit einem kleinen Team einen industrietauglichen Festkörperlaser entwickelte. Der Laser löste den bisherige Klebeprozess ab, der zehnmal langsamer ablief. Der Durchbruch kam dann Ende der 1970er Jahre bei der Fertigung von Teilen für die Bildröhre der neuen Farbfernseher. Erst mit dem Laser liess sich das Schweissen automatisieren. Das war der Durchbruch für das Team unter Paul Seiler, der später zum Geschäftsführer der eigenständigen Haas Laser GmbH aufsteigt, die seit 1992 zu Trumpf gehört.

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Bei Trumpf war die Lasertechnik Chefsache. Berthold Leibinger, erst Konstrukteur und ab 1966 technischer Geschäftsführer, flog 1978 nach Amerika und schaute sich mehrere Laserhersteller an. Was er dort sah war alles andere als industrietauglich, aber er kaufte einen ersten CO2-Laser. Nach einem Jahr intensivster Entwicklungsarbeit präsentierte er die erste Laserschneidmaschine.

Interessant dabei war der Unterschied zwischen Gas- und Festkörperlaser: «Der CO2-Laser war eigentlich der erste Laser, der hohe Leistungen im Dauerstrichbetrieb liefern konnte» sagt dazu der heutige CEO Lasertechnik von Trumpf, Christian Schmitz . «Der Festkörperlaser konnte mit hoher Puls-Spitzenleistung kleine Schweisspunkte in der Elektronik setzen.» Das Schneiden und Schweissen von Blechteilen sollte für 20 Jahre eine Domäne der CO2-Laser bleiben. Erst zur Jahrtausendwende kam mit effizienteren Diodenlasern der Durchbruch für die Festkörperlaser.

Die 80er-Jahre brachten eine neue Generation von Wissenschaftlern und eine Reihe von Institutsgründungen. Mit dabei war Reinhart Poprawe. Fasziniert vom Besuch des Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien studierte und promovierte er bei Professor Gerd Herziger an der TH Darmstadt. 1985 startete er mit ihm das Fraunhofer Institut für Lasertechnik ILT in Aachen. Dort wurde er Direktor, nachdem er noch ein paar Jahre als Geschäftsführer bei der Thyssen Laser Technik GmbH gearbeitet hatte. Das Unternehmen machte sich vor allem einen Namen mit den ersten Grossanlagen zum Laserschneiden von dicken Blechen und der Entwicklung der nächsten Generation der Tailored Blanks, der massgeschneiderten Automobilbleche.

Zurück am ILT durfte Poprawe miterleben, wie der Laser in immer neuen Varianten die Werkhallen eroberte. Rückblickend zählt er unter anderem die Ultrakurzpulstechnik, den InnoSlab-Laser und letztendlich das Konzept «Tailored Light» zu den Highlights. Dabei liefert die Lasertechnologie massgeschneidertes Licht, das nur durch die Anwendung definiert wird.

Metallischer 3D-Druck auf dem Vormarsch: Das BMBF-Förderprojekt «ProLMD» vereint konventionelle Fertigungsverfahren mit Laserauftragschweissen und Robotern zu einem neuen Fertigungsansatz. Bild: Fraunhofer ILT/Ralf Baumgarten

Nach der Euphorie der frühen Jahre musste der Laser zeigen, dass er bei Kosten und Qualität gegenüber konventionellen Verfahren überlegen ist. Ein gutes Beispiel für den Wettlauf verschiedener Technologien ist der 3D-Druck von Metallen. Bei Trumpf hatte man das Thema «quasi miterfunden», wie Christian Schmitz heute sagt. 2004/2005 kamen die ersten Maschinen zum Laserauftragschweissen (LMD) von Trumpf an den Markt. Aber «zu der Zeit kamen die schnellen Fünf-Achs-Fräsmaschinen heraus. Beim 3D-Druck musste man immer etwas nacharbeiten. Da hiess es dann: «Da können wir auch aus dem vollen Fräsen.»

LMD wurde weitergeführt, aber beim Pulverbett-Verfahren musste Trumpf eine Pause einlegen. Hier wurde die Produktion der Trumaform (erste Pulverbett-Maschine) eingestellt und erst 2013/14 in Kooperation mit Sisma in Italien wieder aufgenommen.

Metallischer 3D-Druck auf dem Vormarsch: Das BMBF-Förderprojekt «ProLMD» vereint konventionelle Fertigungsverfahren mit Laserauftragschweissen und Robotern zu einem neuen Fertigungsansatz. Bild: Fraunhofer ILT/Ralf Baumgarten

Nach der Euphorie der frühen Jahre musste der Laser zeigen, dass er bei Kosten und Qualität gegenüber konventionellen Verfahren überlegen ist. Ein gutes Beispiel für den Wettlauf verschiedener Technologien ist der 3D-Druck von Metallen. Bei Trumpf hatte man das Thema «quasi miterfunden», wie Christian Schmitz heute sagt. 2004/2005 kamen die ersten Maschinen zum Laserauftragschweissen (LMD) von Trumpf an den Markt. Aber «zu der Zeit kamen die schnellen Fünf-Achs-Fräsmaschinen heraus. Beim 3D-Druck musste man immer etwas nacharbeiten. Da hiess es dann: «Da können wir auch aus dem vollen Fräsen.»

LMD wurde weitergeführt, aber beim Pulverbett-Verfahren musste Trumpf eine Pause einlegen. Hier wurde die Produktion der Trumaform (erste Pulverbett-Maschine) eingestellt und erst 2013/14 in Kooperation mit Sisma in Italien wieder aufgenommen.

Ganz neue Chancen bietet eine Entwicklung aus Aachen. Das Fraunhofer ILT hat in Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Digital Additive Production DAP der RWTH Aachen University das «Extreme Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweissen – EHLA» patentiert und entwickelt. Damit wird die Geschwindigkeit gegenüber der bisherigen Verfahrensführung von bis dahin maximal zwei auf mehrere Hundert Meter pro Minute erhöht. Dank der engen Kooperation mit dem niederländischen Maschinenbauer Hornet Laser Cladding und dem ILT-Spin-off ACunity konnten EHLA-Maschinen auf der ganzen Welt in die industrielle Produktion überführt werden.

Die schnelle Beschichtung beeindruckte auch den Laserpionier Trumpf, der seit 2017 Laseranlagen der TruLaser Cell-Baureihe mit EHLA-Verfahren für unterschiedliche Bauteilgrössen mit grossem Erfolg anbietet. Aktuell folgt der Einstieg in den 3D-Druck. Nach 20 Jahren mit Höhen und Tiefen sind die generativen Laserverfahren nun auch im Markt ankommen.

Als Peter Leibinger auf der Messe Lasys 2013 den Laser zur Commodity erklärte, ging noch ein Raunen durch den Saal. Der Markt wuchs weiter rasant, drei Jahre später überschritten erstmals vier Laserfirmen die Umsatzmarke von einer Milliarde. Heute werden im grössten Lasermarkt der Welt, in China, Lasersysteme bis in den kW-Bereich über den Preis verkauft. Ist der Laser jetzt ein Gerät wie jedes andere? Hat er den Charme des Neuen verloren?

«Ich würde das sogar positiv sehen», sagt Christian Schmitz, CEO Lasertechnik von Trumpf. «Durch diese Kommodifizierung gibt es grössere Stückzahlen, der Laser wird für andere Anwendungen interessant und insofern sehe ich das eigentlich als ein Signal dafür, dass die Laseranwendung ein Erfolgsmodell ist.» Aber wie geht es für einen Hightech-Pionier wie Trumpf weiter? «Als professioneller Laserbauer kann man auch in der Breite mitspielen. Nichtsdestotrotz wollen wir natürlich die High-End-Anwendungen nie aus dem Auge verlieren.»

Ein Beispiel ist für Schmitz die Herstellung von Lasern für die Halbleiterindustrie: Trumpf liefert dafür den stärksten je in Serie gebauten Laser an den niederländischen Systemanbieter ASML. 15 Jahre lang hat sich Trumpf für diese sehr spezielle Laseranwendung engagiert. 2020 dürfte sie mehr als 10% zum Umsatz beitragen und gegen den Abwärtstrend im Werkzeugmaschinenbau weiter wachsen.

Die Entwickler des EUV-Lithografiesystems wurden im November 2020 mit dem Deutschen Zukunftspreis ausgezeichnet. «Um solche High-Tech-Projekte voranzubringen wird es immer wichtiger, dass man die richtigen Partner findet, mit denen man solche Spezial-Lösungen an die technologischen Grenzen treibt» bemerkt Schmitz.

Gefunden hat er solche Partner bei der Fraunhofer-Gesellschaft. Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF ist mit Trumpf und Zeiss für den Zukunftspreis nominiert. Die Jenaer haben die EUV-Spiegelschichten entwickelt. Die Oberflächen dieser Spiegel müssen Rauigkeiten unter 0.1 nm aufweisen – das ist ein Atomdurchmesser.

Dahinter steht das Fraunhofer-Prinzip: Mit einem Drittel staatlicher Grundfinanzierung können die Fraunhofer-Institute Grundlagenforschung betreiben. Den Rest ihrer Mittel müssen sie über Verbundprojekte und Auftragsforschung erwirtschaften. Als Bindeglied zwischen Universitäten und Industrie haben sie etwas international Einmaliges geschafft: effektiven Technologietransfer.

Genauso wichtig und erfolgreich war in den vergangenen 60 Jahren auch die Förderung durch die Wissenschafts- (erst BMFT, jetzt BMBF) und Wirtschaftsministerien. Mit dem Instrument der Verbundförderung holten sie Firmen und Institute an einen Tisch. «Verbundforschung funktioniert auch nur, wo es eine Kultur der Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft und Wirtschaft gibt», meint Andreas Tünnermann, Direktor am Fraunhofer IOF.

«Ein schönes Beispiel ist aus meiner Sicht die Ultrakurzpulslaserbearbeitung», so Tünnermann. «wir konnten damals [am Laserzentrum Hannover] zeigen, dass durch die Anwendung des Ultrakurzpulslasers die Möglichkeit besteht, schädigungsarm und mikrometergenau Metalle zu strukturieren. Die ersten Experimente wurden im Rahmen eines Verbundprojektes des BMBF durchgeführt.» Kooperationspartner waren Unternehmen wie Bosch und Trumpf.

Heute koordinieren Experten vom Fraunhofer IOF und ILT gemeinsam das Fraunhofer Cluster Advanced Photon Sources CAPS. Bei CAPS wollen sie etwas erreichen, was lange als unmöglich galt: Die UKP-Laser endgültig vom Labor in die Werkhalle bringen. «Wir stellen diese einzigartigen Laserquellen schon frühzeitig bereit und haben sowohl in Jena als auch in Aachen Anlagen eingerichtet, in denen interessierte Unternehmen die neuen hochleistungsfähigen UKP-Laser ausprobieren und für ihre eigenen Anwendungen Erfahrungen sammeln können», erklärt der neue Direktor des Fraunhofer ILT, Constantin Häfner, den Ansatz. Dafür wird nicht nur die Leistung auf 20 kW erhöht, sondern die komplette Technologiekette von der Simulation bis zu einer Vielzahl von Anwendungen neu aufgebaut. Im Hintergrund steht das Prozesswissen, im Vordergrund die Anwendungsentwicklung mit Partnern von 13 Instituten.

Bei solchen Grossprojekten zeichnet sich ab, dass die Technologie der Zukunft zwischen den verschiedensten Sparten entstehen wird. Am Fraunhofer ILT in Aachen hat man damit viel Erfahrung, schon früh gab es separate Versuchsräume von Industriepartnern im ILT.

Mit der Erfahrung hat Reinhart Poprawe, der Vorgänger von ILT-Direktor Häfner, auf dem RWTH Aachen Campus die Bildung des Clusters Photonik vorangetrieben. Dort wird an seiner Vision der Digitalen Photonischen Produktion DPP über alle Fachgrenzen hinweg gearbeitet.

Dafür entstanden in Rufweite der Fraunhofer-Institute und der RWTH Aachen zwei neue Gebäude: Im Industry Building DPP haben sich rund 30 Unternehmen angesiedelt. Ihre gemeinsamen Forschungsvorhaben mit Universität und Fraunhofer werden im Rahmen des Forschungscampus Digital Photonic Production DPP durch das BMBF gefördert. Gegenüber steht das Research Building DPP.

Dort hat das «Research Center for Digital Photonic Production» (RCDPP) als «I³ – Integriertes Interdisziplinäres Institut» der RWTH Aachen seine Forschungsarbeiten aufgenommen. 16 Institute aus 6 Fakultäten der RWTH Aachen University sind daran beteiligt. Was da erst einmal reichlich komplex klingt, ist der Ansatz des 21.Jahrhunderts: «Multidisziplinär, forschungsinterkulturell, vernetzt arbeiten und Innovation leben – und so das Potential der Lasertechnologie nachhaltig für die Produktion der Zukunft voll entwickeln» erklärt Constantin Häfner, der auch Sprecher des Clusters Photonik ist.

Und die Zukunft hat schon begonnen. In der Medizin ist der Laser angekommen, für laserunterstützte Mikroskope mit extremer Auflösung gab es Nobelpreise. In der Zukunft aber könnte die Lasertechnik weitere Bereiche im Labor erobern. Dafür wird am Fraunhofer ILT an der Wechselwirkung von Photonen mit biologischen Zellen geforscht.

«Wir arbeiten daran, via Bioprinting im Labor 3D-Gewebemodelle aus Biomaterialien und lebenden Zellen aufzubauen, die heute schon immunologische, zelluläre und anatomische Eigenschaften eines menschlichen Patienten abbilden. Denkbar wäre eines Tages sogar die additive Fertigung von personalisiertem Gewebe und Organen im Labor, um den Bedarf an Transplantaten für kranke Menschen in der Zukunft besser erfüllen zu können», erklärt Häfner die langfristige Vision.

Mut zur Unschärfe: Die Quantentechnologie (hier im Bild: eine parametrische Quelle für die Erzeugung verschränkter Photonen) gibt uns laut Professor Reinhart Poprawe «eine viel bessere Chance, die Wirklichkeit der Natur auch in unseren Modellen und unseren Zugängen so zu beschreiben, wie sie wirklich ist - nämlich mit Unschärfe.» (Bild: Fraunhofer ILT/Volker Lannert)

Das heisseste Thema in der angewandten Laserforschung ist im Moment die Quantentechnologie. Im Februar 2020 hat die Bundesregierung 600 Millionen Euro dafür angekündigt, im Corona-Programm noch 2 Milliarden nachgelegt. Das dürfte die Summe aller vorherigen Fördermittel für Lasertechnik überschreiten.

Andreas Tünnermann vom Fraunhofer IOF erinnert daran, «dass wir in Deutschland über Jahrzehnte bereits die Quantentechnologien fördern. Und dass diese Programme dazu geführt haben, dass wir eine exzellente Grundlagenforschung haben.» Aber China und die USA scheinen weit voraus zu sein. «Ich persönlich glaube, dass hier die Volkswirtschaften erfolgreich sein werden, die über Strukturen verfügen, wo ein Transfer auch tatsächlich gelebt wird. Deshalb ist die Photonik ein hervorragendes Beispiel – auch dafür, wie man in den Quantentechnologien langfristig erfolgreich kann.»

Derzeit laufen umfangreiche Agendaprozesse, um die Experten von Industrie, Forschung und Anwendern quer über die verschiedensten Fachgebiete zu organisieren, um die Fördergelder möglichst effektiv einzusetzen.

Mut zur Unschärfe: Die Quantentechnologie (hier im Bild: eine parametrische Quelle für die Erzeugung verschränkter Photonen) gibt uns laut Professor Reinhart Poprawe «eine viel bessere Chance, die Wirklichkeit der Natur auch in unseren Modellen und unseren Zugängen so zu beschreiben, wie sie wirklich ist - nämlich mit Unschärfe.» (Bild: Fraunhofer ILT/Volker Lannert)

Das heisseste Thema in der angewandten Laserforschung ist im Moment die Quantentechnologie. Im Februar 2020 hat die Bundesregierung 600 Millionen Euro dafür angekündigt, im Corona-Programm noch 2 Milliarden nachgelegt. Das dürfte die Summe aller vorherigen Fördermittel für Lasertechnik überschreiten.

Andreas Tünnermann vom Fraunhofer IOF erinnert daran, «dass wir in Deutschland über Jahrzehnte bereits die Quantentechnologien fördern. Und dass diese Programme dazu geführt haben, dass wir eine exzellente Grundlagenforschung haben.» Aber China und die USA scheinen weit voraus zu sein. «Ich persönlich glaube, dass hier die Volkswirtschaften erfolgreich sein werden, die über Strukturen verfügen, wo ein Transfer auch tatsächlich gelebt wird. Deshalb ist die Photonik ein hervorragendes Beispiel – auch dafür, wie man in den Quantentechnologien langfristig erfolgreich kann.»

Derzeit laufen umfangreiche Agendaprozesse, um die Experten von Industrie, Forschung und Anwendern quer über die verschiedensten Fachgebiete zu organisieren, um die Fördergelder möglichst effektiv einzusetzen.

In den sechziger Jahren wurde der Laser als «Next big thing» nach der Kernenergie gesehen. Im Gegensatz zu ihr ist die Lasertechnik in unserem Alltag angekommen. In der Telekommunikation und in der Fertigungstechnik ist der Laser an entscheidender Stelle dabei: Und seine Bedeutung wird noch wachsen. Ein Münchner Startup hat aber noch deutlich grössere Ziele: Die Marvel Fusion GmbH will die laserbasierte Kernfusion erforschen. Die Technologie basiert auf Systemen, wie sie in der Europäischen Extreme Light Infrastructure ELI entwickelt werden.

Mit inzwischen einer Milliarde Euro an Förderung wird dafür an drei Instituten in Osteuropa die Idee von Physik-Nobelpreisträger Gérard Mourou umgesetzt. In seiner Nobelpreisträgerrede von 2018 zog er den Bogen von Maimans Erfindung bis weit in die Zukunft: Dort werden Laser zu Teilchenbeschleunigern. Sie werden Bedingungen wie im Innern von Sternen im irdischen Labor erzeugen. Sie werden Atomkerne zertrümmern und fusionieren. Sie werden durch schiere Intensität Teilchen aus dem Nichts holen. Mourou sprach über Anwendungen zur Beseitigung von Atommüll, in der Medizin und in der Materialwissenschaft. Der Laser mag im Alltag angekommen sein. Die Anwendung sicherer robuster Lasersysteme wird in den kommenden Jahren die Produktivität in vielen Bereichen steigern. In der Forschung jedoch gilt die Prognose von Gérard Mourou:

 «The best is yet to come!» 

Autoren: Nikolaus Fecht und Dr. Andreas Thoss

Publiziert von Technik und Wissen