Lehreinrichtungen

Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT

Mit über 240 Mitarbeitern und 10.000 m2 Nutzfläche zählt das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT weltweit zu den bedeutendsten Auftragsforschungs- und Entwicklungsinstituten seines Fachgebietes. Die vier Geschäftsfelder des Fraunhofer ILT decken ein weites, vertikal integriertes Themenspektrum ab. Im Geschäftsfeld »Laserstrahlquellen und Plasmasysteme« konzentrieren sich die Entwicklungsaktivitäten auf innovative Dioden- und Festkörperlaser für den industriellen Einsatz sowie auf kompakte EUV-Strahlquellen für die Lithographie in der Halbleiterproduktion. Das Geschäftsfeld »Laserfertigungsverfahren« löst Aufgabenstellungen zum Schneiden, Abtragen, Bohren, Schweißen, Löten sowie zur Oberflächenbearbeitung und Mikrofertigung. Das Anwendungsspektrum reicht von der Makrobearbeitung über die Nanostrukturierung bis hin zur Biophotonik. Im Geschäftsfeld »Laseranlagen und Systemtechnik« werden Prototypanlagen entwickelt, konstruiert und vor Ort installiert. Prozessüberwachung und -regelung sind ebenso Bestandteil der Aktivitäten wie Steuerungen und Systemkomponenten. Im Geschäftsfeld »Lasermess- und Prüftechnik« werden Verfahren und Systeme zur Oberflächeninspektion, zur Stoffanalyse, zur Prüfung der Maßhaltigkeit und Geometrie von Bauteilen sowie zur Analyse statischer und dynamischer Verformungen entwickelt.

Unter einem Dach bietet das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik Forschung und Entwicklung, Systemaufbau und Qualitätssicherung, Beratung und Ausbildung. Zur Bearbeitung der Forschungs- und Entwicklungsaufträge stehen industrielle Lasersysteme verschiedener Hersteller sowie eine umfangreiche Infrastruktur zur Verfügung.

Im Anwenderzentrum des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik arbeiten Gastfirmen in eigenen, abgetrennten Labors und Büroräumen. Grundlage für diese spezielle Form des Technologietransfers ist ein langfristiger Kooperationsvertrag mit dem Institut im Bereich der Forschung und Entwicklung. Der Mehrwert liegt in der Nutzung der technischen Infrastruktur und dem Informationsaustausch mit ILT-Experten. Rund 10 Firmen nutzen die Vorteile des Anwenderzentrums. Neben Tochterfirmen führender Laserhersteller und innovativer Laseranwender finden hier Neugründer aus dem Bereich des Sonderanlagenbaus, der Laserfertigungstechnik und der Lasermesstechnik ein geeignetes Umfeld zur industriellen Umsetzung ihrer Ideen.

http://www.ilt.fraunhofer.de

Lehrstuhl für Lasertechnik LLT

Der Lehrstuhl für Lasertechnik wurde 1985 an der Fakultät für Maschinenwesen der RWTH Aachen eingerichtet. Anwendungsorientierte Forschung und Entwicklung für Mikrotechnik, Oberflächentechnik, Dünnschichttechnik, integrierte Optik, Röntgentechnik, Werkstoffentwicklung und -untersuchung, Prozessüberwachung und Qualitätssicherung sind Schwerpunkte der Arbeit am Lehrstuhl für Lasertechnik. Europäische bzw. öffentlich geförderte Projekte, sowie industrienahe Forschungs- und Entwicklungsvorhaben zur Entwicklung von Laserstrahlquellen und zur Materialbearbeitung mit Laserstrahlung werden durchgeführt.

Mikrostrukturierung durch Abtragen und Modifizieren Laserstrahlquellen mit Plusdauern von 10-13 bis 10-3 Sekunden werden zum Abtragen und Modifizieren von Materialien eingesetzt. Die Bearbeitung von Metallen, Halbleitern und Isolatoren mit Pulsenergien oberhalb der Material- Abtragschwelle führt zu Mikrostrukturen durch lokales Aufschmelzen und Verdampfen (Abtragen). Beispielsweise werden Bohrungen in Metallen für die Energie- und Luftfahrttechnik effizient und reproduzierbar durch Schmelzabtragen hergestellt und Keramiken durch Verdampfungsabtragen präzise strukturiert. Die Bearbeitung von Glas mit Pulsenergien unterhalb der spezifischen Material- Abtragschwelle führt zu Mikrostrukturen durch Brechungsindexänderungen sowie Farbzentren- und Rissbildung.

Dünnschichttechnik und integrierte Optik Durch Pulsed Laser Deposition werden dünne Schichten für Verschleißschutz, Elektronik, integrierte Optik und Medizintechnik hergestellt. Vorteil der Beschichtung mit Laserstrahlung ist die Möglichkeit komplexe mehrkomponentige Materialien als Schicht mit kontrollierbarer Schichtstruktur herstellen zu können, wobei insbesondere die Einstellbarkeit der Teilchenenergien im abgetragenen Material ausgenutzt wird. Für Anwendungen in der integrierten Optik werden dielektrische Schichtsysteme hergestellt, welche funktionale Materialien wie Ferroelektrika, elektro-optische Medien oder Lasermedien beinhalten. Die Schichtsysteme werden nachfolgend mit femtosekunden und pikosekunden gepulster Laserstrahlung abgetragen oder im Brechungsindex derart modifiziert, dass wellenleitende laseraktive und elektro-optisch aktive Strukturen beispielsweise als Grundlage für kompakte Wellenleiterlaser resultieren.

Oberflächentechnik und Oberflächenanalyse Beim Laserstrahl-Auftragschweißen wird ein pulverförmiger Zusatzwerkstoff mit dem Laserstrahl aufgeschmolzen und schmelzmetallurgisch mit dem Grundwerkstoff verbunden. Die wichtigsten Anwendungsgebiete umfassen den Maschinen-, Werkzeug-, Triebwerks- und Motorenbau. Das Laserstrahl-Auftragschweißen kann für verschiedene Aufgabenstellungen, wie Verschleiß- und Korrosionsschutz, Instandsetzen verschlissener oder fehlbearbeiteter Werkstücke, formgebendes Auftragschweißen und Herstellen von 3D-Bauteilen eingesetzt werden. Die chemischen, physikalischen und strukturellen Eigenschaften der Oberflächen von Bauteilen, Werkstoffen und Schichten werden mit umfassenden Charakterisierungsverfahren wie beispielsweise optischer und elektronischer Mikroskopie und Spektroskopie untersucht.

http://www.llt.rwth-aachen.de

Kontakt
Prof. Dr. Reinhart Poprawe M. A.
Telefon: +49 (0)241/8906-109
Fax: +49 (0)241/8906-121

Lehrstuhl für Technologie Optischer Systeme TOS

Der Lehrstuhl für Technologie Optischer Systeme wurde 2004 im Fachbereich Maschinenbau der RWTH Aachen neu eingerichtet. Er ist in den Räumlichkeiten des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT untergebracht und arbeitet in enger Kooperation und Abstimmung mit dem ILT. Der Lehrstuhlinhaber Prof. Dr. Peter Loosen ist in Personalunion stellvertretender Institutsleiter des ILT. Der Lehrstuhl betreibt Forschung und Entwicklung in den nachfolgend genannten Gebieten.

Optische Systeme für Laseranlagen Anspruchsvolle optische Systeme sind in vielen Fällen entscheidende Komponenten, um die Leistungsfähigkeit des Lasers in Produktionsvorteile umsetzen zu können. Dies betrifft beispielsweise hochkorrigierte Fokussiersysteme für hohe Laserleistungen, Einrichtungen zur Strahlhomogenisierung oder innovative Systeme zur Strahlumformung.

Optische Systeme in Laserstrahlquellen Optische Elemente und Systeme finden sich an zentraler Stelle in Lasern und die Eigenschaften der Systeme bestimmen weitgehend die Leistungsfähigkeit des Lasers. Beispiele sind Koppeloptiken und Homogenisatoren für das Pumplicht in diodengepumpten Festkörperlasern und Faserlasern oder Wellenleiterstrukturen zur Frequenzkonversion.

Hochleistung-Diodenlaser und -systeme Hochleistungs-Diodenlaser sind Kernkomponenten in modernen optischen Systemen für die Fertigung, die Informations- und Kommunikationstechnik und die Lebenswissenschaften. Die Vorteile dieser modernen Komponenten wie hoher Wirkungsgrad und Kompaktheit können nur genutzt werden, wenn die Laser mit hochentwickelte mikro- und makroooptischen Komponenten zu Systemen kombiniert werden. Untersucht werden die Komponenten selbst, die Systeme und die Techniken zur Montage der optischen Komponenten.

http://www.tos.rwth-aachen.de

Kontakt
Prof. Dr. Peter Loosen
Telefon: + 49 (0)241/8906-162
Fax: +49 (0)241/8906-121

Lehr- und Forschungsgebiet Laserphysik

Das Lehr- und Forschungsgebiet Laserphysik wurde 1994 am Institut für Theoretische Physik der RWTH Aachen eingerichtet. Mit theoretischen und numerischen Methoden werden Grundlagen der Laser- und Plasmaphysik untersucht. Ein Schwerpunkt der aktuellen Forschung ist die Wechselwirkung von Hochleistungslasern mit Materie bei Laserintensitäten zwischen 1010 und mehr als 1020 W/cm2. In Forschung und Lehre besteht eine enge Anbindung an das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT.

Atomphysik in starken Feldern Fortschritte in der Erzeugung ultrakurzer Laserpulse erlauben es, mit Licht elektrische Feldstärken zu erzeugen, die die atomare Feldstärke kurzzeitig erreichen und überschreiten. Atome in starken Laserfeldern zeigen neuartige Eigenschaften wie z. B. die »Above Threshold Ionisation« (ATI). Bei der Ionisation von Atomen weisen die Photoelektronen im Kontinuum oberhalb der Ionisationsschwelle ein ausgedehntes Energiespektrum auf, das aus vielen Photonenordnungen bestehen kann und mit der Intensität des Lichtes skaliert. Im Rahmen der Quantenmechanik handelt es sich um Multiphotonenprozesse hoher Ordnung. Auf der Grundlage der zeitabhängigen Schrödingergleichung untersuchen wir Ionisation, Rekombination und Streuung in starken Feldern. Von besonderem Interesse ist die Erzeugung schneller Elektronen, die in Plasmen zur Auslösung sekundärer Prozesse wie z. B. der Innerschalenionisation und der Röntgenemission führen können.

Nanoplasmen Bei der Wechselwirkung von Atomclustern mit intensiven Laserpulsen werden die Atome innerhalb weniger Lichtperioden ionisiert. Das Modell eines Nanoplasmas erweist sich als hilfreich, um die Eigenschaften solcher Cluster zu beschreiben. Im Rahmen von Teilchensimulationen werden in unserer Gruppe die Absorption des Laserlichtes, die resultierenden Energieverteilungen der Elektronen und Ionen, sowie die Ionisations- und Rekombinationsdynamik untersucht.

Absorptionsmechanismen sind z. B. die inverse Bremsstrahlungsabsorption durch Elektron-Ion-Stöße, die Resonanzabsorption durch die Anregung von Plasmaschwingungen und die Absorption durch äußere Ionisation, bei der die aus dem Clustervolumen austretenden Elektronen durch das Laserfeld beschleunigt werden. Die spezifische Wechselwirkung von Atomclustern mit intensiver Laserstrahlung bietet neuartige Möglichkeiten zur Erzeugung energiereicher Licht- und Teilchenstrahlung.

Relativistische Plasmen und Teilchenstrahlen Oberhalb einer Intensität von etwa 1018 W/cm2 werden die Elektronen im Laserfeld relativistisch. Der Laserstrahl wird in einem relativistischen Plasma selbstfokussiert. In engen Plasmakanälen treten hohe Elektronenstöme und starke quasistatische Magnetfelder auf.

Von besonderem Interesse sind Fragen der Strahlausbreitung, der Elektronenund Ionenbeschleunigung und des Energietransports in relativistischen Plasmen. Die Untersuchungen basieren auf Plasmasimulationen im Rahmen der Particlein- Cell Methode. Eine wichtige Anwendung ist das Konzept der schnellen Zündung in der Kernfusionsforschung. In unserer Gruppe wurde das Energiespektrum der beschleunigten Elektronen mit Testteilchensimulationen berechnet und die Emission von gebündelter Röntgenstrahlung in Kanalrichtung theoretisch vorhergesagt. Dieser Effekt wurde inzwischen experimentell bestätigt.

http://llp.ilt.fhg.de

Kontakt
Prof. Dr. Hans-Jörg Kull
Telefon: +49 (0)241/8906-182
Fax: +49 (0)241/8906-121

Lehr- und Forschungsgebiet für Nichtlineare Dynamik der Laser-Fertigungsverfahren NLD

Das 2005 gegründete Lehr- und Forschungsgebiet für Nichtlineare Dynamik der Laser-Fertigungsverfahren NLD ergänzt die systemorientierten FuETätigkeiten der beiden Lehrstühle LLT und TOS.

Ziel der nichtlinearen Dynamik ist es, technische Systeme mit mathematischphysikalischen und experimentellen Methoden zu untersuchen und diese Ergebnisse für die industrielle Fertigung und die Lehre anwendbar zu machen.

Durch Lösung kontinuumphysikalischer Begrenzungsgleichungen können beispielsweise Strömungen in Prozessgasen und Schmelzen mit Grenzschichtcharakter analysiert werden. Auch die Diagnose von Wärmestrahlung beim Schweißen wird erst durch Simulation und Modellierung ermöglicht.

Der Einsatz mathematischer Modelle erlaubt nicht nur das Verständnis dynamischer Prozesse, sondern führt vielmehr zu neuen Konzepten der Verfahrensführung. Die enge Kooperation mit dem Fraunhofer ILT erlaubt die direkte Umsetzung der gewonnenen Erkenntnisse in Aufgabenstellungen der industriellen Lasermaterialbearbeitung. So werden beispielsweise online Überwachungssysteme systematisch ausgebaut und an den Bedarf der Praxis angepasst.

Kontakt
Univ.-Prof. Dr. habil. Wolfgang Schulz
Telefon: + 49 (0)241/8906-204
Fax: +49 (0)241/8906-121