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) im Rahmen der Intitiative "KMU-innovativ: Photonik/Optische Technologien" geförderte Verbundprojekt OptiOxid hatte 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.
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 sogenannter Breitbandspiegel. 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 wurden hochbrechende Oxidschichten mit einem Vakuumverfahren, dem „Magnetronsputtern mit hohem Ionisationsgrad“ abgeschieden. Der Schlüssel des Verfahrens liegt darin, den abzuscheidenden Teilchen mehr Energie als bei herkömmlichen Beschichtungsprozessen mitzugeben. Die Untersuchungen im Projekt zeigten, dass durch diese zusätzliche Energie die Ausbildung besonders feinkristalliner, dichter Strukturen begünstigt wird. Damit konnten Titanoxidschichten mit einer hohen und gleichmäßig über die Schichtdicke verlaufenden Brechzahl sowie geringen Streu- und Absorptionsverlusten erzielt werden. Beispielsweise wurden Spiegel erzielt, deren Absorptionsverluste weniger als 10ppm, d.h. weniger als zehn Millionstel des einfallenden Lichtes betragen. Diese Qualität ermöglicht die Anwendung in der Präzisionsoptik.
Hierdurch kann die Güte von Breitbandspiegeln entscheidend verbessert und deren Einsatzgebiet erheblich erweitert werden. Ziel des Forschungsprojektes war es, die sehr große Teilevielfalt zu reduzieren und damit Kosten bei Herstellern und Käufern von Lasersystemen zu senken.
An dieser Aufgabe arbeiteten 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 Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik Dresden (FEP) als Forschungsinstitut. Die Fördersumme des Verbundprojektes betrug 474.000 Euro.
Nachdem in grundlegenden Untersuchungen Prozessbedingungen zur Herstellung der Titanoxidschichten in der gewünschten Struktur gefunden wurden, lag der Schwerpunkt der Arbeiten im letzten Projektjahr auf der Erarbeitung eines Demonstrators, der die Leistungsfähigkeit der neuen Technologie unter Beweis stellt. Auf der Basis der Titanoxidschichten konnten Umlenkspiegel mit einem Reflexionsgrad von mehr als 99.9% für den Wellenlängenbereich von 915-1070nm mit einem sehr einfachen Schichtdesign hergestellt werden. Aufgrund ihrer sehr geringen Absorptionsverluste sind die Spiegel für den Einsatz in einer Reihe von Hochleistungsdioden- bzw. Festkörperlasersystemen geeignet.
Ansprechpartner
Dr. Stefan Schippel
LAYERTEC GmbH
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