Freelas

Freiformoptiken zur Erhöhung der Strahlqualität in VCSEL Hochleistungslasersystemen für die Lasermaterialbearbeitung (Freelas)

Freiformoptiken – Universeller Einsatz maßgeschneiderter Optikkomponenten

Hochwertige optische Geräte wie etwa Ferngläser, Mikroskope oder Kameraobjektive gehören mit zu den häufigsten Assoziationen, wenn es um Qualität „Made in Germany“ geht. Während die klassischen Optiken abbildender Systeme modular aus einzelnen Linsen verschiedener Brennweite mit kugelförmiger (= sphärischer) Oberfläche aufgebaut werden, zeichnet sich in den letzten Jahren immer deutlicher ein Wechsel hin zu maßgeschneiderten Einzelkomponenten mit Freiformoberflächen ab, die speziell auf die jeweilige Anwendung zugeschnitten sind. Dies ermöglicht eine Vermeidung von Abbildungsfehlern und steigert damit die Qualität der optischen Abbildung auf ein Maß, das auf konventionellem Weg grundsätzlich unerreichbar bleibt. Optische Systeme werden zudem wesentlich kompakter und leichter. Ein prominentes Beispiel solcher Optiken der nächsten Generation findet man beispielsweise in den ultrakompakten Kameras, die heute in nahezu jedem Mobiltelefon verbaut sind. Zusätzlich zu den auf Brechung oder Reflexion von Licht basierenden optischen Komponenten sind nunmehr auch solche verfügbar, deren Funktionsprinzip auf einer Beugung des Lichts beruht, sogenannte diffraktive optische Elemente (DOE). Für die wirtschaftliche Fertigung und die flexible und hochpräzise Vermessung solcher Optiken mit Freiformflächen sowie der DOE ist ein lückenloses Verständnis der optischen Eigenschaften des Systems, der Beschichtungen, der Aufbau- und Verbindungstechnik, des Herstellungsprozesses und der dabei verwendeten Werkzeuge erforderlich. Die neuen Optiken finden breite Anwendung in der Medizintechnik, Konsumerelektronik, Beleuchtung, Automobilbau, Sicherheitstechnik, Materialbearbeitung sowie im Maschinen- und Anlagenbau. Es gilt, die traditionelle Stärke deutscher Unternehmen bei der Fertigung hochwertiger, innovativer Optiken in die nächste Generation zu überführen.

10.000 auf einen Streich - Kostengünstige Laserdioden dank waferbasierter Optikfertigung

Verschleißfrei, präzise, universell - der Laser als Werkzeug besitzt eine Reihe von Vorteilen, die ihn zum Mittel der Wahl in der industriellen Fertigung machen. Aber Laser sind auch teuer, was derzeit die rasche Erschließung neuer Anwendungsfelder noch bremst. Ursache dafür ist vor allem der derzeit noch geringe Automatisierungsgrad bei der Fertigung von Hochleistungs-Lasersystemen, der zu hohen Herstellungskosten führt. Vor allem die Justage der optischen Komponenten eines Lasersystems ist ein aufwändiger und teurer Fertigungsschritt, der gleichzeitig aber auch maßgeblich die Leistungsfähigkeit des Lasers bestimmt.

Um die hohen Herstellungskosten deutlich zu reduzieren, werden seitens der Laserhersteller massive Anstrengungen unternommen, um durch neue, automatisierbare Aufbau- und Systemkonzepte die Kosten zu senken und die im internationalen Vergleich herausragende Stellung der deutschen Laserindustrie zu sichern und auszubauen. Um diese Zukunftsaufgabe zu bewältigen, ist eine enge Kooperation von Laserherstellern und Laseranwendern mit Forschungseinrichtungen notwendig.

Für die kostengünstige Herstellung von Diodenlasern mit hohen Ausgangsleistungen wird im Rahmen des Projekts FREELAS eine Integration von Laserchip und Mikrooptik angestrebt. Basis dafür sind so genannte vertikal abstrahlende Laserdioden (VCSEL = Vertical Cavity Surface Emitting Laser), wie sie heute beispielsweise in jeder optischen Computermaus zu finden sind. Diese Laserdioden zeichnen sich durch eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung aus. Die einzelnen Laserdioden werden auf einem Wafer aus Halbleitermaterial hergestellt. Die Abstrahlung der Laser erfolgt senkrecht zur Waferoberfläche, so dass es möglich ist, einen kompletten Laserchip-Wafer gegenüber einem Glaswafer,

der die Mikrooptiken enthält, auszurichten und diese beiden Wafer nach der Justage dauerhaft zu verbinden. Auf diese Weise erfolgt in nur einem einzigen Schritt die Justage von mehreren 10.000 Laserdioden. Die Verbindung des Halbleitermaterials der Laser mit optischen Gläsern schafft eine hochintegrierte, zuverlässige und kostengünstige Technologie, die an die Stelle der heute verwendeten aufwändigen Aufbautechnik für Einzelkomponenten treten wird. Die damit ermöglichte Kostensenkung wird neue Anwendungsfelder für Laser erschließen. Ganz besonders gilt das für den Einsatz in laserunterstützten Fertigungsprozessen, bei denen Deutschland heute schon Weltmarktführer ist.

Um die Ausgangsleistungen solcher VCSEL gegenüber dem in Computermäusen benötigten Niveau steigern zu können, müssen in den Glaswafer spezielle Freiformoptiken eingebracht werden, die für eine entsprechende Formung des Strahls sorgen. Durch die freie Formgebung dieser Mikrolinsen lässt sich die abgestrahlte Leistung räumlich so verteilen, wie es jeweils für eine bestimmte Anwendung ideal ist. Eine besonders anspruchsvolle Anwendung, die im Rahmen dieses Projekts als Prüfstein für diese neue Technologie dienen soll, ist die seitenbreite Bebilderung in der Druckindustrie. Hierfür ist eine besonders hohe Homogenität der Laserstrahlung erforderlich.

Die Firma Philips übernimmt die Rolle des Verbundkoordinators und bringt die notwendige VCSEL-Technologie ein. Das Fraunhofer Institut für Lasertechnologie trägt mit Konzepten und Software zum optischen Design bei. Die Firma Ingeneric ist für die Realisierung blankgepresster Freiformoptiken verantwortlich während die Firma Trioptics neuartige Messverfahren zur Vermessung und Qualitätssicherung der Optiken erforscht. Die Firma Heidelberger Druckmaschinen untersucht das Potential dieser neuen Lasersysteme für Bebilderungsanwendungen.

Projektdetails

Koordinator

Dipl.-Ing.Roger King
Philips GmbH - U-L-M Photonics
Lise-Meitner-Str. 13, 89081Ulm
+49 731 550194-020

Projektvolumen

Projektdauer

07.07.2017 - 31.03.2014

Projektpartner

Philips GmbH - U-L-M PhotonicsUlm
Philips GmbH - U-L-M PhotonicsUlm
Heidelberger Druckmaschinen Aktiengesellschaft - Abt. RD-DP1Heidelberg
INGENERIC GmbHAachen
Trioptics GmbH optische InstrumenteWedel