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Ausgabe 2 | September 2021
FL ASHL IGHT
18 Laserbiomimetik –
( R ) evolutionierte
Oberflächen
50
38
Thermoplastische
Nanomaterialien Hinterspritzte OLEDs
für die Massenfertigung für Beleuchtungen
transparenter Gläser an Bedieneinheiten
Experten in Optikfertigung
und Messtechnik
• Einfache Werkstückeinrichtung dank präziser Messung des Werkzeug-Offsets
• Berührungslose Messtechnik für schnelle und hochgenaue Messung ohne Beschädigung der Oberfläche
• Zuverlässige und vergleichbare Messergebnisse durch abgestimmte Lösungen mit AMETEK
Ultrapräzisionstechnologie-Systemen
Diamant 3D – Form- Oberflächen-
Drehen messtechnik messtechnik
Precitech’s Nanoform X Taylor Hobson’s LUPHOScan HD ZYGO’s Nexview™ NX2
ediTorial
Liebe Photonics flashlight-Leser,
Wir leben in komplizierten Zeiten – und ich meine ausnahmsweise einmal nicht
Corona.
Der Klimawandel ist eine der größten Herausforderungen unserer Zeit. Aber die
Zusammenhänge sind vielschichtig und für Nicht-Wissenschaftler schwer verständ-
lich. Viele stehen ratlos vor der Mammutaufgabe, den Klimawandel aufzuhalten. Dr. thomas r. Dietrich
Dabei müssen viele Teildisziplinen ihren Beitrag leisten. Denn nur in Kooperation Geschäftsführer,
ivAm fachverband für
und Zusammenarbeit können wir die Auswirkungen unseres Handelns verstehen mikrotechnik
und dann auch gezielt gegensteuern.
Ein weiteres gesellschaftliches Problem ist die Überalterung unserer Gesellschaft,
die u. a. unser Gesundheitssystem an seine Leistungsgrenzen bringt. Es gibt nicht aus-
reichend Pflegekräfte, Krankenhausbetten sind rar und teuer. Hier kann technologi-
sche Unterstützung, z. B. durch mobile Diagnostik, Telemedizin und Pflegeroboter,
helfen. Die Zusammenarbeit von Medizinern und Technologen wird immer wichtiger.
In allen diesen Bereichen ist die Mikrotechnik ein Teil der Lösung. Ob man
Umweltdaten z. B. durch optische Sensorsysteme oder ob man hochsensible Kör-
perdaten in mobilen Diagnosegeräten erfasst, ob man Produktionsmaschinen oder
Autos, Flugzeuge, Züge oder Raumschiffe steuern will: Überall spielt Mikrotechnik
eine große Rolle.
Aber auch für die Mikrotechnik gilt, wie bereits für andere Bereiche gesagt: nie-
mand kann alles wissen, Kooperationen sind das Mittel, um einen umfassenden
Überblick zu erhalten.
Das gilt genauso für Netzwerke und Verbände. Deshalb freue ich mich sehr, dass
IVAM und Optence so gut und erfolgreich zusammen arbeiten. Wir konnten z. B.
gerade auf unserem Hightech Summit die spannenden Ideen der Optence-Mit-
gliedern den IVAM-Mitgliedern vorstellen. Herzlichen Dank an Frau Reuter und
Frau Murr!
In diesem Sinne wünsche ich Ihnen eine spannende Lektüre bei der Beschreibung
von optischen Technologien und Produkten, die unsere Welt ein Stück besser machen
werden.
Dr. thomas r. Dietrich
Geschäftsführer, IVAM Fachverband für Mikrotechnik
PhotonicS fLAShLiGht 3
Inhalt
Branchen - News Forschung und
Entwicklung
6 KI im Mittelstand: Roadmaps und
Praxisbeispiele für den Einstieg
6 Meyer Optik Görlitz – Neugründung als
eigenständiges Unternehmen
Hochleistungslaser
7 Zentrum für Künstliche Intelligenz
in Coburg
für die Neurowissenschaft
12
7 SPEEDKongress „Optik & Beleuchtung“
ein voller Erfolg
8 TRUMPF gründet Unternehmen für
Ortungstechnologie
8 Excelitas Technologies trifft Vereinbarung
12 Hochleistungslaser für die
zur Übernahme der PCO AG Neurowissenschaft
8 Photovoltaics Report informiert über
16 Durchbruch in der Fusionsforschung
Fakten zur Solarenergie weltweit
17 Neues Konzept für intensive XUV-Laser
9 Innovationslage im Mittelstand
macht Sorgen 18 Laserbiomimetik – (R)evolutionierte
Oberflächen
10 Europäische Photonikbranche wächst mehr
als doppelt so stark wie das globale BIP 24 Forscherteam weist „Spin“ einer
Nanoschallwelle erstmals in Echtzeit nach
10 Neue optische Fingerabdrucksensoren mit
IR-Wellenlängen bei 1380 nm 25 Paradoxe Wellen: Gefangene Lichtteilchen
auf dem Sprung
11 Optence feiert 20-jähriges Bestehen
25 Schaltbare IR-aktive organische Pigmente
26 Beleuchtung des Beobachtungsfeldes zur
Aufnahme von spektral aufgelösten Bildern
21
Neues Konzept
intensive
XUV-Laser
4 photonics Flashlight 2 | September 2021
Inhalt
TECHNOLOGIE UND Quanten -
APPLIKATION technologie
35 Satelliten zur Erkennung von Waldbränden 54 Erster Quantencomputer wird im
Jahr 2025 enthüllt
36 Verbesserte Ladefähigkeit von Batterien
durch laserbasiertes Verfahren 54 Fraunhofer IOF bekommt mehr Raum
für Quantenforschung
36 Smarte Optiken mit Nanostrukturen
für kostengünstiges Lichtmanagement 55 Initiative QuNET demonstriert
Quantenkommuniktion
37 Head-Mounted Displays im direkten
Vergleich: Welches System hat die beste
Reichweite und Präzision?
38 Thermoplastische Nanomaterialien für die
Massenfertigung transparenter Gläser
56
42
Veranstaltungen
Fraunhofer IWS erprobt tausendfach
schnellere Strahlformung
42 Filteraufwand beim Reaktorrückbau durch
Laserstrahlschneiden reduzieren
58
43 Miniatur-Spektrometer fürs Smartphone
44 Kunststofflinsen für kostengünstigere
Produkt -
Head-Up-Displays und Lieferanten -
48 Infrarot-Detektor für Smartphones und
autonome Fahrzeuge
verzeichnis
49 Optronia macht digitale Rehkitz-
Rettung möglich
64
50 Hinterspritzte OLEDs für Beleuchtungen
an Bedieneinheiten
Impressum
50 Hinterspritzte OLEDs
für Beleuchtungen an
Bedieneinheiten
photonics Flashlight 5
BraNcheN - News
ki im mittelstand: roadmaps und Praxisbeispiele für den
einstieg
Künstliche Intelligenz (KI) ist eine Schlüsseltechnologie für die zukünftige Wett-
bewerbsfähigkeit von Unternehmen jeder Größe. Sie bietet ein wirksames Werk-
zeug, um betriebliche Prozesse und bestehende Produkte zu verbessern oder neue
Geschäftsmodelle zu entwickeln. Deutsche Mittelständler nutzen die Chancen von
KI allerdings bislang kaum. Ihnen fehlen häufig gut aufbereitete Daten, Know-how
und Investitionsspielraum. In einer aktuellen Publikation zeigt die Plattform Ler-
nende Systeme die Potenziale von KI anhand erfolgreicher Praxisbeispiele aus dem
Mittelstand und gibt Unternehmen konkrete Umsetzungspläne für die Einführung
intelligenter Systeme an die Hand.
Eine große Hürde stellt häufig die erforderliche KI-Expertise dar. Unternehmen
müssen das notwendige Know-how nicht selbst aufbauen, sondern können erfor-
derliches Wissen von außen einholen. Neben externer Beratung sind auch Koope-
rationen mit Forschungseinrichtungen oder Hochschulen möglich. Das Papier stellt
dazu verschiedene Förderprogramme und Anlaufstellen für mittelständische Unter-
nehmen vor.
Die Plattform Lernende Systeme wurde 2017 vom Bundesministerium für Bil-
dung und Forschung (BMBF) auf Anregung des Fachforums Autonome Systeme des
Hightech-Forums und acatech gegründet. Sie vereint Expertinnen und Experten aus
Wissenschaft, Wirtschaft, Politik und Zivilgesellschaft aus dem Bereich Künstliche
Intelligenz.
> weitere informationen
meyer optik Görlitz – neugründung als eigenständiges
unternehmen
Meyer Optik Görlitz, bislang lediglich ein Markenname, firmiert mit sofortiger Wir-
kung als eigenständiges Unternehmen und manifestiert so seine Basis für zukünftige
Entwicklungen.
Ende 2018 hat OPC Optics die Marke „Meyer Optik Görlitz“ übernommen und
seither die gesamte Struktur, inklusive Portfolio, vollständig neu aufgebaut. Die
Konsequenz daraus ist nun die neue Meyer Optik Görlitz GmbH, mit Sitz in Bad
Kreuznach. „Besonders hervorheben möchte ich, dass die Gründung perfekt in das
Jubiläumsjahr von Meyer Optik passt und wir somit, 125 Jahre nach der initialen
Gründung, dem Ganzen nun noch mehr Substanz und Leben einhauchen können“
erläutert der Geschäftsführer Timo Heinze.
> weitere informationen
6 PhotonicS fLAShLiGht 2 | sepTemBer 2021
BraNcheN - News
Zentrum für künstliche intelligenz
in coburg
Die Hochschule Coburg schafft ein neues Kompetenz-
zentrum für angewandte künstliche Intelligenz (KI).
Es wird sich mit den Entwicklungen in den Bereichen
Industrie 4.0, Mobility und Smart City, Visual Compu-
ting, IT-Sicherheit sowie dem Internet der Dinge beschäf-
tigen. Darüber hinaus sollen ethische Fragestellungen der
künstlichen Intelligenz untersucht wer-den. Und es gibt
einen Schwerpunkt, in dem es um die Auswirkungen von
KI auf die Versicherungswirtschaft geht.
Mit dem KI-Kompetenzzentrum bündelt die Hoch-
Bildquelle: hochschule coburg
schule Coburg ihre bereits vorhandenen Kompeten-
zen auf den Gebieten Data Mining, KI für virtuelle und
erweiterte Realität, Bioinformatik, Internet der Dinge
und Sensordatenverarbeitung. Anfang des Jahres erhielt
die Hochschule vom Freistaat Bayern zudem die Zusiche-
rung der Finanzierung eines Institutsbaus in Höhe von Die Anwendungen der künstlichen intelligenz
4,1 Mio. Euro. > weitere informationen werden in Zukunft immer vielfältiger.
SPeeDkongress „optik & beleuchtung“ ein voller erfolg
Am 31. August 2021 lud das Kunststoff-Institut Lüdenscheid Kunststoff-Institut
zum SPeeDkongress ein. Lüdenscheid
kimW management Gmbh
karolinenstraße 8
Die knapp 100 Teilnehmer, die auf Grund der Corona-Pandemie hauptsächlich 58507 Lüdenscheid
Online teilnahmen, konnten sich von Experten aus dem Kunststoff-Institut über die
Herausforderungen und Chancen im boomenden Markt für Optik und Beleuchtung
informieren.
Hierzu gab es eine Reihe von spannenden Fachvorträgen zu den Themen Wachs-
tumsmarkt Polymeroptiken, Werkstoffinnovationen, Technologie und Trends im
Lichtdesign, Material- und Schadensanalyse, Einstieg in neue Märkte und dem ZIM
Kooperationsnetzwerk CAM-SYS-4.0 “Mikrooptiksysteme aus Kunststoff“, welches
durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert wird.
tobias kammans
Zusätzlich gab es eine Live-Schaltung aus dem Technikum zu den Themen Herstel- netzwerkmanager
lung von Kunststoffoptiken mittels Spritzguss-/Spritzprägetechnik und Leuchtdich- optische technologien
+49 (0) 15 16 7 33 28 24
tenmessung an Symbolbeleuchtungen. kammans@kimw.de
PhotonicS fLAShLiGht 7
BraNcheN - News
trumPf gründet unternehmen für ortungstechnologie
TRUMPF hat am 1. Juli 2021 die Gesellschaft „TRUMPF Tracking Technologies
GmbH“ gegründet. Es entwickelt und produziert Ortungssoftware und -elektro-
nik für Fabrikausrüster, die sie in ihre Produkte einbauen können. Dadurch lassen
sich elektronische Geräte wie W-LAN-Router, 5G-Sender oder Industrieleuchten zu
einem Sender für Ortungstechnologie aufrüsten. Sie können dann beispielsweise in
Fertigungsfabriken dafür sorgen, dass sich Produktionsaufträge und einzelne Pro-
dukte orten und nachverfolgen lassen. „Mit unseren standardisierten Ortungslö-
sungen ermöglichen wir smarte Logistik für die vernetzte Fertigung. Sie basiert auf
offenen Standards und legt damit die Basis für einen anbieteroffenen und wirtschaft-
lichen Einsatz.“, sagt Eberhard Wahl, langjähriger TRUMPF Mitarbeiter und CEO
von TRUMPF Tracking Technologies. Das Unternehmen beschäftigt zunächst rund
20 Mitarbeiter.
Sitz der neuen Gesellschaft ist Ditzingen.
> weitere informationen
Excelitas Technologies trifft Vereinbarung zur Übernahme
der Pco AG
Excelitas erweitert sein Photonikportfolio um die wissenschaftliche CMOS-Kamera-
technologien von PCO. Die PCO AG aus Kelheim, Deutschland, ist ein privat geführ-
tes Unternehmen und ein marktführender Entwickler und Hersteller von hochwerti-
gen wissenschaftlichen CMOS-Kameras für die Bildgebung in der Biomedizin und in
industriellen Hochgeschwindigkeitsanwendungen.
> weitere informationen
Photovoltaics report informiert über fakten zur Solarenergie
weltweit
Seit zehn Jahren veröffentlicht das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE,
unterstützt durch die PSE Projects GmbH, regelmäßig den Photovoltaics Report, kurz
PV Report. Dieser stellt die wichtigsten Fakten zur Photovoltaik in Deutschland, der
Europäischen Union und weltweit zusammen und dokumentiert damit insbesondere
die Entwicklung des Photovoltaikmarkts, der Solarzellen- und Moduleffizienz sowie
der Preise in den letzten Jahrzehnten.
> download des aktuellen pV reports
> aktuelle fakten zur photovoltaik in deutschland
8 PhotonicS fLAShLiGht 2 | sepTemBer 2021
BRANCHEN - NEWS
Innovationslage im Mittelstand macht Sorgen
Die verhaltene Innovationstätigkeit im deutschen Mittelstand vor und während der
Corona-Krise macht zunehmend Sorge. Laut dem jüngsten von der KfW veröffent-
lichten Innovationsbericht Mittelstand ist nur rund jeder fünfte deutsche Mittel-
ständler mit Innovationen aktiv.
Eine Aktivierung kleiner und mittlerer Unternehmen für mehr Innovationen kann
nach Auffassung der Zuse-Gemeinschaft daher am besten über zielgenaue Projekt-
förderung gelingen.
Zu konstatieren ist, dass die starke Steigerung der Forschungsausgaben in Deutsch-
land bisher viel zu wenig im Mittelstand ankommt. „Während staatliche Forschungs-
ausgaben wie zugunsten des „Pakts für Forschung und Innovation“ sowie die Aufwen-
dungen von Großunternehmen für FuE weiter steigen, fehlt es bei der Entwicklung
der Innovatorenquote im Mittelstand bislang an Dynamik“, erklärt Dr. Klaus Jansen,
Geschäftsführer der Zuse-Gemeinschaft.
INNOVATORENQUOTE IM MITTELSTAND UND FORSCHUNGSAUSGABEN
Während Deutschlands Forschungsausgaben immer stärker gestiegen sind, liegt der Anteil der
Innovationen hervorbringenden Mittelständler auf relativ niedrigem Niveau.
Ausgaben in Milliarden Euro Innovatorenquote in Prozent*
120 50
45
42 %
100
109,5
Mrd. € 40
35
80
30
60 25
22 %
55,0 20
40
Mrd. € 19 %
15
33,9
20 Mrd. € 10
16,9 5
Mrd. €
0 0
2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019
Forschungsausgaben des Staates und der Wirtschaft *Erhebung der KfW erfolgt jeweils für einen Dreijahreszeitraum, z.B. wurde
FuE-Ausgaben von Bund und Ländern in der 2019er Erhebung nach der Innovationstätigkeit 2016–2018 gefragt.
Der entsprechende Wert 19 % wurde für 2018 aufgetragen. Methodische
Umstellung 2019, daher direkter Vergleich zu Vorjahren nicht möglich.
Quellen: OECD, Statistisches Bundesamt, KfW
Stand: Juni 2021
PHOTONICS FLASHLIGHT 9
BraNcheN - News
europäische Photonikbranche wächst mehr als
doppelt so stark wie das globale biP
Eine Studie der Deep-Technology-Forschungsgruppe Tematys zeigt, dass die euro-
päische Photonik mehr als doppelt so schnell wächst wie das globale Bruttoin-
landsprodukt (BIP) – und damit das BIP der EU und die Industrieproduktion der
EU um das Drei- bzw. Fünffache übertrifft. Photonisch Technologien, die für viele
High-End-Produkten der nächsten Generation unverzichtbar sind, haben sich als
langfristiger Wachstumstreiber in wichtigen Zukunftsmärkten erwiesen.
Die Photonik eine der resilientesten und am schnellsten wachsenden Branchen
in Europa und übertrifft laut der neuen „Marktforschungsstudie – Photonik 2020“
viele andere Marktsegmente. Die europäische Photonik ist der Schlüssel zu mehreren
Megamärkten – darunter Industrie 4.0, Digitalisierung, Quantentechnologie, Künst-
liche Intelligenz, IoT – und hat viele Marktsegmente und Anwendungen geschaffen
z. B. in den Bereichen Raumfahrt, Gesundheitswesen, Umwelt, Verteidigung oder
Sicherheitstelekommunikation.
Die Studie liefert Marktzahlen der europäische Photonik von 2015 bis 2019: Die
Branche wuchs mit einer jährlichen Wachstumsrate von 7 % und hatte einen Wert
von 103 Milliarden Euro im Jahr 2019.
> weitere informationen zur marktstudie
neue optische fingerabdrucksensoren mit
ir-Wellenlängen bei 1380 nm
IR-Emitter bei 1380 nm ermöglichen den Einsatz optischer Fingerabdrucksensoren
unterhalb von Displays ohne Einbrennphänomene, erfordern jedoch hochauflösende
Testgeräte für eine präzise Spektral- und Leistungscharakterisierung.
Instrument Systems hat eine modulare IR-Testlösung entwickelt, die die hohen
Anforderungen bei der Anwendung von optischen Fingerabdrucksensoren unter
dem Display mit Wellenlängen oberhalb von 1100 nm erfüllt. Mittels IR-Strahlungs-
quellen bei 1380 nm können Einbrennphänomene bei Displays vermieden werden.
Allerdings erfordert die Prüfung dieser Applikationen eine High-End-Lösung: hoch-
auflösend und kalibriert für die präzise Messung radiometrischer Größen, Pulsmes-
sung im μs-Bereich und mit Temperatur-Steuerung.
> weitere informationen
10 PhotonicS fLAShLiGht 2 | sepTemBer 2021BraNcheN - News
optence feiert 20-jähriges Bestehen
Mit einem Sommerfest auf einem rheinhessi- gehen. Optence wurde im Januar 2001 gegrün-
schen Hofgut haben die Mitglieder von Optence det. Nach dem Auslaufen der Förderung 2008
bei bester Laune und bestem Wetter das 20-jäh- wird Optence nun durch Industriemittel getra-
rige Bestehen des Vereins gefeiert. gen. Die Gründung der Photonics Hub GmbH,
Aus der Schweiz angereist war der „Gründer- die Internationalisierung des Clusters und Weg
vater“ von Optence, Prof. Theo Tschudi, der zu ZIM Innovationsnetzwerken sind weitere
als Ehrenvorsitzender dem Verein immer noch Meilensteine der erfolgreichen Entwicklung des
verbunden ist. Durch seine Mitwirkung im Len- Netzwerks, das heute 109 Mitgliedern hat und
kungskreis der „Agenda Optische Technologien unter dem Motto „Gemeinsam mehr erreichen“
für das 21. Jahrhundert“ konnten die deutschen noch viel vor hat.
Photoniknetzwerke mit Fördermitteln des Bun-
desforschungsministeriums ab 2000 an den Start > www.optence.de
motive: photonics hub
PhotonicS fLAShLiGht 11TechNologie uNd applikaTioN
Hochleistungslaser
Neuro- für die
wissenschaft
© ag visuell / stock.adobe.com
Autoren: Dr. robert riedel · Luisa hofmann
class 5 Photonics Gmbh
Die hochleistungslaser der multiphotonenmikroskopie in der
neurobiologie
class 5 Photonics Gmbh
eröffnen Biologen und Die Multiphotonenmikroskopie ist eine Schlüs-
neurowissenschaftlerinnen seltechnologie für Biologen und Neurowissen-
neue, zukunftsweisende schaftlerinnen um ein besseres Verständnis des
Gehirns und seiner Funktionalitäten zu gewin-
mikroskopiemethoden. nen: Wie entstehen Gefühle? Wie funktioniert
Somit könnten bahnbrechende der Tastsinn? Wie werden komplexe Entschei-
erkenntnisse in der neuro- dungen getroffen? Die Technik der Multiphoto-
nenmikroskopie erlaubt nicht nur die Auflösung
wissenschaft erzielt werden. einzelner Zellen, sondern auch die volumetri-
sche in-vivo Messung der neuronalen Aktivität.
Hierzu werden spezielle genetisch kodierte Kal-
ziummarker (genetically encoded calcium indi-
cators GECIs) eingesetzt, welche nur dann ein
Fluoreszenzsignal liefern, wenn eine bestimmte
Kalziumkonzentration und damit ein Aktions-
potential an der Nervenzelle anliegt, wenn die
Nervenzelle also aktiv ist, und ein Laser zur
12 PhotonicS fLAShLiGht 2 | sepTemBer 2021Forschung und Entwicklung
Fluoreszenz anregt. Ist genug Laserleistung vor- misst, trägt bereits ein erheblicher Anteil der
handen, erlauben verschiedene, neue Strategien Laserintensität in oberen Gewebeschichten vor
der Strahl- und Pulsformung im Mikroskop die dem Fokus zur Fluoreszenz bei und verhindert
Abtastung sehr großer Volumina im mm3-Maß- daher eine gute Tiefenauflösung. Zudem wer-
stab und annähernd in Echtzeit. Dies ermög- den die kurzen Wellenlängen für lineare Fluo-
licht das Abrastern größerer neuronaler Popu- reszenzmikroskopie im sichtbaren Bereich bei
lationen, in welchen massive parallele Prozesse ca. 480 nm stärker vom Gewebe gestreut und
ablaufen. Wissenschaftlerinnen und Biologen reduzieren damit weiter die optische Auflösung.
erwarten, dass dies zu einem tieferen Verständ- Bei der Zwei-Photonenmikroskopie, dem ersten
nis führen kann, wie auf neuronaler Ebene Schritt in der Multiphotonenmikroskopie, wird
gleichzeitig Sensorikinformationen sowie Ver- die doppelte Anregungswellenlänge verwendet,
haltensinformationen ausgewertet werden. Eine welche üblicherweise im nah-infraroten Bereich
neu demonstrierte, zukunftsweisende Technik bei 960 nm liegt. Dies verringert einerseits die
ermöglicht zum Beispiel die Abtastung einer Streuung, andererseits ist eine deutlich höhere
Hirnregion mit ca. 1 Millionen Neuronen inner- Lichtintensität erforderlich, um die Fluoreszenz
halb eines Volumens von 16 mm3 bei einer Bild- mittels Zwei-Photonenabsorption nichtlinear
rate von 2 Hz [1]. anzuregen. Dieser Schwellenwert wird erst sehr
nah am Fokus erreicht, wie in Abb. 1 dargestellt
ist. Die erreichten Tiefen mit Zwei-Photonen
Messen in der Tiefe mikroskopie betragen zwischen 500 und 800 μm.
In GECI-ausdrückenden Labormäusen, welche
Ein Vorteil der Multiphotonenmikroskopie im häufig als Modellsysteme verwendet werden lie-
Gegensatz zur linearen Fluoreszenzmikrosko- gen jedoch die wirklich interessanten Regionen,
pie ist ein sehr hoher Kontrast in der Tiefe und wie Teile des Hippocampus, deutlich unterhalb
somit die Messung tief im Inneren liegender eines Millimeters Tiefe. Traditionell führte bis-
Neuronen und Zellen. Denn sobald man mittels lang kein Weg an invasiven Methoden vorbei,
linearer Fluoreszenzmikroskopie in der Tiefe um diese relevanten Regionen freizulegen.
Abbildung 1: Prinzip der linearen Fluoreszenzmikroskopie im Vergleich zur Multiphotonenmikroskopie
(Zwei-Photonen- und Drei-Photonenmikroskopie). In der Drei-Photonenmikroskopie kann gezielt in der
Tiefe gemessen werden, da nur im Fokus genug Laserintensität erreicht wird um via Drei-Photonen
absorption zur Fluoreszenz anzuregen. Somit lässt sich Gewebe unterhalb eines Millimeters Tiefe abtasten.
© Class5 Photonics
photonics Flashlight 13Forschung und Entwicklung
Durchbruch in der einem Millimeter – und weiterhin große Volu-
Drei-Photonenmikroskopie mina abzurastern [2], werden neuartige Femto-
sekundenlaser benötigt, welche die genannten
Heutzutage ermöglichen neuartige Hochleis- Spektralbereiche um ca. 1300 und 1700 nm mit
tungslaser und optische Systeme den Zugang genügend Pulsenergie und Leistung liefern.
zu diesen noch tieferen Bereichen mittels
Drei-Photonenmikroskopie, der nächste Schritt
gegenüber der Zwei-Photonenmikroskopie. Das Neue Hochleistungslaser
Prinzip ist sehr ähnlich, nur dass Wellenlängen
im kurzwelligen Infrarot bei 1300 oder 1700 nm Die Class 5 Photonics GmbH hat sich darauf
eingesetzt werden. Durch die noch höhere spezialisiert Laser für Drei-Photonenmikrosko-
Laserintensität, die für Drei-Photonabsorption pie mit einigen μJ Pulsenergien und -repetitions
benötigt wird, wird die Fluoreszenz nur in einem raten bis zu 16 MHz zu bauen. Die resultieren-
sehr kleinen Fokalbereich angeregt. Eine Kon- den mittleren Leistungen von 6 W sind einzig
trastverringerung durch Fluoreszenzstreuung mittels der sogenannten optisch-parametrischen
vor dem Fokus ist kaum vorhanden. In Abb. 2 Verstärkung bei den eher exotischen Wellenlän-
ist eine Vergleichsmessung zwischen Zwei-Pho- gen 1300 und 1700 nm zu erreichen, welches
tonen- und Drei-Photonenmikroskopie gezeigt, ebenfalls ein nichtlineares Verfahren darstellt.
und zwar im sogenannten Gyrus dentatus des Das Unternehmen setzt diese Verstärkertechnik
Hippocampus einer Maus. Beide Abbildungen gezielt ein, um Hochleitungs-Femtosekunden-
wurden mit dem gleichen Mikroskopaufbau laser mit mittleren Leistungen von sogar bis zu
der Rapp OptoElectronic GmbH aufgezeichnet. 100 W zu realisieren. Der White Dwarf OPCPA
In der hier gezeigten Tiefe von 500 μm ist der (siehe Abb. 3) ist ein Lasersystem welches eigens
Kontrast der Zwei-Photonenmessung bereits für die Drei-Photonenmikroskopie entwickelt
deutlich schlechter, als bei der Drei-Photonen- wurde und liefert die höchste Pulsspitzen-
messung. Um jedoch die hohen erforderlichen leistung und -repetitionsrate für den Mikros
Intensitäten zu erreichen um noch tiefer – unter kopiemarkt. Das für seine hohe Leistung sehr
Abbildung 2:
2p 3p
Zwei-Photonen-
messung (2p) and
Drei-Photonen
messung (3p) des
Gyrus dentatus im
Hippocampus der
Maus. Gemeinsame
Messkampagne von
Rapp OptoElectronic
GmbH und Class 5
Photonics GmbH
in Hamburg. Die
Probe wurde von
© Class5 Photonics
der Universitätsklinik
Hamburg-Eppendorf
(UKE) bereit gestellt.
14 photonics Flashlight 2 | September 2021forschuNg uNd eNTwickluNg
kompakte Lasersystem zeichnet sich nicht nur
durch seine Leistungsparameter aus, sondern
insbesondere durch seine einfache Bedienbar-
keit und Wartungsfreiheit. „Unsere Technologie
erlaubt es uns die Nutzererfahrung von heutigen
Industrielasern auf cutting-edge Femtosekun-
denlaser zu übertragen. Damit ermöglichen wir
in der Lasertechnik weniger erfahrenen Neuro-
© class5 photonics
wissenschaftlerinnen und Biologen den Zugang
zu modernster Drei-Photonenmikroskopie“, so Abbildung 3: White Dwarf oPcPA Lasersystem welches eigens
für die Drei-Photonenmikroskopie entwickelt wurde.
Thomas Braatz, Produktionsleiter bei Class 5
Photonics. Die Drei-Photonenmikroskopie zu
immer höheren Volumina und Geschwindig-
keiten zu entwickeln stellt hohe Anforderungen
class 5 Photonics Gmbh
an die Messtechnik und die Lasersysteme. Dank
der überragenden Performance seiner Produkte class 5 Photonics baut hoch spezialisierte Laser für
die Spitzenforschung. Zum Beispiel eröffnen die
ist das Unternehmen in der Position eine gestal-
oPcPA Laser verstärker von class 5 Photonics neuro-
tende Rolle im Drei-Photonemikroskopiemarkt wissenschaftlern ganz neue mikroskopiemethoden
einzunehmen. oder ermöglichen Physikerinnen ultraschnelle Prozesse
– auf femtosekundenskala – in molekülen und
festkörperstrukturen zu untersuchen. class 5 Photonics
wurde 2014 als Spin-off des Deutsches Elektronen-
Zusammenfassung Synchrotron (DeSy) und des helmholtz-institut Jena
gegründet.
Die Multiphotonenmikroskopie erreicht mit-
tels fortgeschrittener Scan- und Messtechnik
und modernster Lasersysteme volumetrische
in-vivo Echtzeitmessungen neuronaler Aktivität
in großen Volumina und für einzelne Neuronen.
Damit erhoffen sich Neurowissenschaftlerinnen Autoren
und Biologen in Zukunft komplexe Studien und
Dr. robert riedel
Erkenntnisse zu fundamentaler Hirnaktivität, ceo
wie Lernen, Gedächtnis und anderer kognitiver class 5 Photonics Gmbh
Funktionen. notkestraße 85
22607 hamburg
robert.riedel@class5photonics.com
Luisa hofmann
Sales managerin
Literatur class 5 Photonics Gmbh
notkestraße 85
[1] demas J., manley J., Tejera f., and et al. high-speed, cortex-wide 22607 hamburg
volumetric recording of neuroactivity at cellular resolution using
light beads microscopy. Nat methods, 2021.
luisa.hofmann@class5photonics.com
[2] weisenburger et al. Volumetric ca2+ imaging in the mouse Brain
using hybrid multiplexed sculpted light microscopy. cell, 177,
2019.
PhotonicS fLAShLiGht 15forschuNg uNd eNTwickluNg
Durchbruch in der fusionsforschung
Am Lawrence Livermore National Laboratory das Prinzip des „direct-drive“, bei dem die Kapsel
(LLNL) in Kalifornien ist in diesen Tagen ein direkt von Laserstrahlen getrieben wird. Dieses
Durchbruch in der Fusionsforschung geglückt. Verfahren ist ein vielversprechender Ansatz für
Erstmals konnte fast genau so viel Energie die kommerziell attraktive Energieproduktion
erzeugt werden, wie Laserenergie aufgewendet und ist unbrauchbar für militärische Anwen-
wurde – mehr als 1.300 Kilojoule. Professor dung. Die TU Darmstadt hat darüber hinaus
Markus Roth, Physiker und Experte für Laser- ein Verfahren entwickelt, welches verspricht, mit
fusions-Forschung an der TU Darmstadt, hat kleineren Laseranlagen und höherem Energie-
am Bau des bei dem Experiment verwendeten gewinn einen effizienteren Weg zur sauberen,
Lasers mitgearbeitet. Die Fusionsforschung an sicheren und zuverlässigen Energieversorgung
der TU Darmstadt arbeitet seit vielen Jahren auf zu beschreiten.
dem Gebiet der zivilen Nutzung der Fusion mit
dem Lawrence Livermore National Laboratory
zusammen. Dabei verfolgt die TU Darmstadt > weitere informationen
ANzEIgE
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16 PhotonicS fLAShLiGht 2 | sepTemBer 2021Forschung und Entwicklung
Kompakte intensive
XUV-Quelle.
Ein NIR-Puls (rot)
wird fokussiert und
Höhere Harmonische
werden in einem
Jet von Atomen
erzeugt, der sich
vor oder hinter dem
NIR-Fokus befindet.
Auf diese Weise hat
der erzeugte XUV-
Strahl eine Größe
und Divergenz,
die der Größe und
der Divergenz des
NIR-Strahls ähneln.
Aufgrund der
kürzeren Wellenlänge
ist der Fokus des
XUV-Strahls jedoch
viel kleiner als der
Fokus des NIR-Strahls.
Dies ermöglicht
die Erzeugung von
intensiven XUV-
Pulsen die z. B. für
Neues Konzept für
die Multiphotonen-
Ionisation von
Atomen genutzt
werden können
intensive XUV-Laser
(oberer Teil).
© Balázs Major
Ein internationales Team von Wissen- erstreckt. Das neue Schema ist einfach
schaftlern vom Max-Born-Institut (Ber- und könnte in vielen Laboren auf der
lin), ELI-ALPS (Szeged, Ungarn) und ganzen Welt umgesetzt werden, was dem
INCDTIM (Cluj-Napoca, Rumänien) Feld der ultraschnellen XUV-Wissen-
hat ein neues Konzept für die Erzeugung schaft einen Auftrieb verleihen könnte.
von intensiver extrem-ultravioletter
(XUV) Strahlung basierend auf Höhe-
rer Harmonischen Generation (HHG)
demonstriert. Der Vorteil liegt darin, dass Originalpublikation:
sein Fußabdruck viel kleiner als bei bis-
Compact intense extreme-ultraviolet source
her genutzten intensiven XUV-Lasern ist. B. Major, O. Ghafur, K. Kovács, K. Varjú, V. Tosa, M. J. J. Vrakking
Forschern vom Max-Born-Institut ist es and B. Schütte
Optica 8 (2021) 960-965 (Open Access)
nun gelungen, einen intensiven XUV-La-
https://doi.org/10.1364/OPTICA.421564
ser zu schrumpfen, sodass der gesamte
> Weitere Informationen
Aufbau sich nur noch über zwei Meter
photonics Flashlight 17Forschung und Entwicklung
(a)
Laserbiomi (b)
(R)evolutionierte
Oberflächen
Autoren: Tim Kunze et al.
Fusion Bionic GmbH
18 photonics Flashlight 2 | September 2021Forschung und Entwicklung
imetik – (c)
Abbildung 1: Beispiele biomimetischer Oberflächen.
Motive: Pixabay/com/de
(a) Lotusblatt mit wasserabweisender Oberfläche. (b) Mottenauge mit Anti-Reflexionsoberfläche.
(c) Flügel des Morpho-Schmetterlings mit blauer Strukturfarbe.
In
der Natur haben sich im Laufe und Anwendung von Erkenntnissen, die an bio-
der Evolution vielfältige Struk- logischen Vorbildern gewonnen werden, techni-
turen und Prozesse entwickelt, sche Fragestellungen zu lösen“ [1].
welche optimal auf ihr Umfeld Der Beginn der „modernen“ Biomimetik führt
abgestimmt sind. Von diesen natürlichen Prin- zurück in die 1950er und 1960er Jahre. In dieser
zipien kann der Mensch bei der Entwicklung Zeit wurden vor allem die Struktur und Fortbe-
neuer Technologien profitieren. Die Anwendung wegung von Lebewesen untersucht, um prakti-
biologischer Phänomene in der Technik wird sche Probleme im industriellen Kontext, wie in
unter dem Begriff der „Biomimetik“ zusam- der Luft- und Raumfahrttechnik, zu lösen. Das
mengefasst. wohl am weitesten verbreitete, biomimetischen
Beispiel ist der sogenannte Lotus-Effekt (siehe
Abbildung 1a). Entdeckt von Wilhelm Barthlott
Evolutionäre Oberflächen als in den 1990er Jahren ermöglicht der Lotus-
Blaupause für technische Innovation Effekt die Selbstreinigung von Oberflächen nach
dem Vorbild der Lotuspflanze. Aber auch wei-
Heute, im 21. Jahrhundert, stellt die Biomimetik tere biomimetische Effekte lassen sich beobach-
– im deutschen Sprachraum unter dem Begriff ten: Beispielsweise zeigt sich am Mottenaugen
Bionik zusammengefasst – ein breites, wissen- effekt (siehe Abbildung 1b), dass die Reflexion
schaftliches Feld dar. Der Verein Deutscher Inge- von Licht an einer Oberfläche kontrolliert redu-
nieure (VDI) definiert Bionik als „interdiszipli- zierbar ist. Darüber hinaus veranschaulicht der
näre Zusammenarbeit von Biologie und Technik Flügel des Morpho-Schmetterlings (siehe Abbil-
mit dem Ziel, durch Abstraktion, Übertragung dung 1c), dass Farbeffekte auch allein durch
photonics Flashlight 19forschuNg uNd eNTwickluNg
2-Strahlinterferenz Linienmuster Struktureffekte und gänzlich ohne Pigmente
möglich sein können. Alle biomimetische Bei-
spiele haben gemein, dass sie mit Oberflächen-
strukturen mit Merkmalen im Mikrometer- und
Nanometerbereich verknüpft sind.
4-Strahlinterferenz Punktmuster
Biomimetik trifft Lasertechnologie
Die im Zuge der Evolution entwickelten Ober-
flächenstrukturen können den Innovationsgrad
Abbildung 2:
von Produkten und Prozessen stark steigern. Um
(links) optische Überlagerung von teilstrahlen
derselben Laserquelle zum Ausprägen definierter diese Potentiale zu nutzen, sind leistungsfähige
Laserinterferenzmuster durch 2-Strahl- und Produktionstechnologien erforderlich, welche
4-Strahlinterferenztechnologie.
die bioinspirierten Strukturen schnell, präzise
(rechts) resultierendes interferenzmuster im Laserspot.
© fusion Bionic
und mit hinreichender Auflösung auf technische
Oberflächen übertragen. An dieser Stelle kommt
der Laser als Werkzeug der Zukunft ins Spiel.
Die Fusion Bionic GmbH, ein Spin-off des
Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahl-
technik IWS, stellt eine innovative Lasertechno-
logie bereit, die das effiziente Erzeugen biomi-
metischer Strukturen ermöglicht. Durch Nutzen
des Direkten Laserinterferenzverfahrens (engl.
(a) (b) Direct Laser Interference Patterning, DLIP)
können Oberflächenmerkmale mit Strukturgrö-
ßen zwischen 300 Nanometer bis 30 Mikrometer
mit Flächenraten von derzeit bis zu 0,9 m²/min
und perspektivisch bis zu 2–5 m²/min erzeugt
5 μm 1 μm werden. Abbildung 2 zeigt beispielhaft die opti-
sche Überlagerung von Teilstrahlen derselben
(c) (d)
Laserquelle zum Ausprägen definierter Laserin-
terferenzmuster durch 2-Strahl- und 4-Strahlin-
terferenztechnologie sowie die zugehörigen, sich
ausprägenden Interferenzmuster im Laserspot.
Das erzeugte Laserinterferenzmuster kann in
500 nm 100 nm nahezu alle Materialien, von Metallen über Poly-
mere bis Keramiken, Beschichtungen und Glas,
Abbildung 3: verschiedene vergrößerungen einer übertragen werden. Abbildung 3 demonstriert
lasergenerierten Oberflächenstruktur nach Vorbild
der Lotusblattes, welche mit Direkter Laserinterferenz
eine nach Vorbild des Lotusblattes erzeugte
(2-Strahl) auf edelstahl realisiert wurde. DLIP-Struktur auf Edelstahl in verschiedenen
© Jeol (germany) gmbh Vergrößerungen. Dabei zeigt sich die besondere
20 PhotonicS fLAShLiGht 2 | sepTemBer 2021forschuNg uNd eNTwickluNg
Detailtreue des laserbasierten Ansatzes, bei dem Referenzoberfläche biomimetische Struktur
komplexe Strukturen von wenigen Mikrome-
tern bis in den Nanometerbereich in einem Ein-
Schritt-Prozess hergestellt werden können.
Je nach Anwendungsfall kann das DLIP-
Verfahren zum Erzeugen von bioinspirierte
Strukturen mit optimierten Oberflächeneigen-
schaften genutzt werden, so dass Selbstreini-
Geschwindigkeit = 65 m/s;
gung, Anti-Reflexion und Strukturfarben nach
temperatur = –10 °c
Vorbild des Lotuseffektes, des Mottenauges und
Morpho-Schmetterlings auf technischen Pro-
dukten resultieren.
Applikationsbeispiel – eisabweisende
Oberflächen durch Lotusstrukturen
Geschwindigkeit = 120 m/s;
Eisbildung und -akkumulation auf technischen temperatur = –20 °c
Oberflächen ist eine ernstzunehmende Gefahr Abbildung 4: vergleich einer unstrukturierten und
in vielen Industriezweigen wie dem Energie- laserstrukturierten Oberfläche auf Titan in
sektor sowie Luft- und Raumfahrt. Vereisungser- Windkanaltests unter definierten Testbedingungen.
© airBus r&T
scheinungen auf Flugzeugoberflächen stellen ein
deutliches Sicherheitsrisiko im Flugbetrieb dar,
da bereits eine dünne Frostschicht auf neural-
gischen Punkten wie dem Heck zu einer Beein- Kraftstoffverbrauch erhöhen (ca. 4 W/cm²) und
trächtigung der Aerodynamik führen kann. Des- zudem ein unerwünschtes Zusatzgewicht mit
halb müssen die Flugzeuge vor dem Start von sich bringen.
Schnee und Eis befreit werden, was schätzungs- Hier können bioinspirierte Oberflächen nach
weise in der Enteisungssaison von Oktober bis Vorbild des Lotuseffektes eine Verbesserung
April 2019 allein in Deutschland zu Enteisungs- bewirken, da stark wasserabweisenden Eigen-
kosten von rund 1 Mrd. € führte. Vereisung tritt schaften (so genannte Superhydrophobie) zu
auch während des Fluges durch den Aufprall von einer Verringerung der Eisanhaftung führen
unterkühlten Wassertröpfchen in Wolken auf, kann [2]. Zusätzlich existieren spezielle Regeln
die entweder direkt beim Aufprall haften bleiben für die perfekte eisabweisende Oberflächen-
oder sich aufgrund der Oberflächenspannung textur, bei der die Strukturgröße mindestens eine
in Rinnsalen sammeln können. In den meisten Größenordnung kleiner sein sollte als die durch-
Fällen werden Eisschutzsysteme (engl. Ice Pro- schnittliche Größe der auftreffenden Tröpfchen,
tection Systems – IPS) beispielsweise auf Basis um die Wasserabweisung auch auf der Mikro-
elektrothermischer Prinzipien eingesetzt, um skala zu ermöglichen [3]. Folglich führt eine
das angesammelte Eis zu beseitigen. Der große Kombination aus wasserabweisender Oberflä-
Nachteil dieser Heizelemente besteht jedoch che in Verbindung mit einer hochaufgelösten
darin, dass sie den Energie- und damit den biomimetischen Struktur zu einem eisabweisen-
PhotonicS fLAShLiGht 21Forschung und Entwicklung
(a) (b)
Abbildung 5: (a) Glasoberfläche mit Mottenaugenstruktur, welche lokal die Reflexion der Oberfläche
reduziert. (b) Dekorative Oberflächenstruktur nach Vorbild des Morpho-Schmetterlings auf Polymer.
© Fusion Bionic
den Verhalten. Infolge kann die Anhaftvermögen lich ist (siehe Abbildung 4). Darüber hinaus kann
von Eis (gemessen durch die Grenzflächenspan- der Enteisungsprozess unter Nutzen eines IPS
nung) durch eine biomimetische Oberflächen- bei konstanter Wärmeleistungsdichte um etwa
struktur (siehe Abbildung 3) um bis zu 88 % 90 Prozent schneller realisiert und die erforder
reduziert werden [3, 4]. Zusätzlich zeigen Ver- liche Heizleistung zum vollständigen Enteisen
eisungstests im Windkanal, dass die Eisbildung um bis zu 80 Prozent reduziert werden [5].
um 15 s verzögert sowie die Eiswachstumsrate
im Vergleich zur unstrukturierten Oberfläche
um 34 % langsamer ausgeprägt ist [5]. Dadurch Weitere Applikationsbeispiele –
konnte erstmals nachgewiesen werden, dass das Anti-Reflexionsoberflächen und
Eiswachstum infolge der biomimetischen Struk- Dekoration
tur selbstlimitierend ist und nach Erreichen einer
bestimmten Dicke selbstständig abfällt, ohne Biomimetische Effekte nach Vorbild des Motten
dass eine aktive Unterstützung des IPS erforder- augeneffektes und des Morpho-Schmetterlings
können mit der DLIP-Technologie ebenfalls
realisiert werden. Dazu sind spezielle Oberflä-
chenstrukturen erforderlich, welche das Licht
so beugen, dass es kontrolliert zurückgeworfen
oder besser in das Material eingekoppelt wer-
Referenzen
den kann. Abbildung 5a zeigt eine beispielhafte
[1] VDI 6220 Blatt 1:2012-12 Oberfläche, bei der in selektiv-ausgewählten
[2] A. Volpe et al., Materials 2020, 13(24), 5692;
https://doi.org/10.3390/ma13245692 Bereichen die Reflexion durch Laserstruktruie-
[3] V. Vercillo et al., Adv. Funct. Mater. 2020, 1910268;
https://doi.org/10.1002/adfm.201910268 rung verringert wurde. Die aufgebrachten Struk-
[4] S. Milles et al., Nanomaterials 2021, 11(1), 135;
https://doi.org/10.3390/nano11010135
turmerkmale können dabei grundsätzlich auch
[5] S. Alamri et al., Adv. Mater. Interfaces 2020, 7, 2001231; innerhalb des Materials erzeugt werden, so dass
https://doi.org/10.1002/admi.202001231
diese vor äußeren Einflüssen geschützt b
leiben.
22 photonics Flashlight 2 | September 2021forschuNg uNd eNTwickluNg
Abbildung 5b zeigt eine irisierende Polyme-
roberfläche, die zur kontrollierten Lichtbeugung fusion bionic
eingesetzt werden kann.
©ronaldbonss.com
neue Anwendungsfelder durch
hochgeschwindigkeitslaserlösungen
Die Laserbiomimetik wird in Zukunft dazu füh-
ren, dass heutige Werkstoffoberflächen erheb- Das Startup fusion bionic aus Dresden entwickelt und
lich verbessert und, in einige Fällen, etablierte vertreibt Systeme zum herstellen biomimetischer
Oberflächen durch eine einzigartige Hochgeschwindig-
Prozessschritte zum Teil vollständig ersetzt wer-
keitslasertechnologie. Die angebotenen Lösungen sind
den können. Dies eröffnet neue Möglichkeiten, bis zu 100-mal schneller als etablierte verfahren und
bestehende Probleme zu lösen und noch nie ebnen so den Weg für Hochleistungsoberflächen mit
selbstreinigenden eigenschaften, reduzierter reibung,
dagewesene Produkte zu schaffen. Die enormen
verbesserter kontaktierung und mehr.
Potentiale für bioinspirierte Oberflächen zeich-
nen sich bereits jetzt schon in der Luftfahrt, im
Automobil- und Energiesektor sowie bei medi-
zinischen Komponenten wie Implantaten ab.
Schlussendlich werden fortschrittlichen Laser-
verfahren zum Bearbeiten von großen Flächen
mit hohen Prozessgeschwindigkeiten gepaart Autor:
mit biomimetischen Ansätzen das Umsetzen Dr. tim kunze
(r)evolutionierter Oberflächen nur noch weiter Position: Geschäftsführer
fusion bionic Gmbh
beschleunigen.
PRESSEMITTEILUNg
D as Startup Fusion Bionic aus Dresden,
eine Ausgründung aus dem Fraunhofer
IWS, entwickelt und vertreibt Systeme zum
aus über 1800 weltweit aktiven Start-ups für
eine engere Kooperation ausgewählt. Zusätz-
lich konnte Fusion Bionic mit mehreren
Herstellen biomimetischer Oberflächen durch Investoren seine erste Finanzierungsrunde in
eine einzigartige Hochgeschwindigkeitsla- siebenstelliger Höhe abschließen, so dass der
sertechnologie. Die angebotenen Lösungen Aufbau eines Anwendungszentrums für die
sind bis zu 100-mal schneller als etablierte laserbasierte Oberflächenfunktionalisierung
Verfahren und ebnen so den Weg für Hoch- sowie eine auf künstlicher Intelligenz basie-
leistungsoberflächen mit selbstreinigenden renden Vorhersageplattform zur Beschleuni-
Eigenschaften, reduzierter Reibung, verbes- gung der Entwicklung von Laserfunktionali-
serter Kontaktierung und mehr. Fusion Bionic täten umgesetzt werden kann.
wurde kürzlich von Heraeus im Rahmen des
konzerneigenen Accelerator-Programms 2021 > https://fusionbionic.com/press-release/funding/
PhotonicS fLAShLiGht 23Forschung und Entwicklung
Forscherteam weist „Spin“
einer Nanoschallwelle erstmals
in Echtzeit nach
Brückenschlag zwischen Akustik und Optik
Einem deutsch-amerikanischen Forscherteam aus Augsburg, Münster, Edmonton,
West Lafayette und München ist es gelungen, die rollende Bewegung einer Nano-
schallwelle nachzuweisen, die der berühmte Physiker und Nobelpreisträger Lord
Rayleigh 1885 vorhersagte. In einer in der Fachzeitschrift „Science Advances“ ver-
öffentlichten Studie verwenden die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler einen
Nanodraht, in dessen Inneren Elektronen durch den „Spin“ der Schallwelle auf
Kreisbahnen gezwungen werden. Dieses nun nachgewiesene Phänomen kann bei-
spielsweise in akustischen Quantentechnologien oder in sogenannten phononischen
Bauelementen, mit denen sich die Ausbreitung akustischer Wellen kontrollieren lässt,
gezielt verwendet werden.
> Weitere Informationen
Darstellung des Spins
einer Nanoschallwelle
in einem Nanodraht
auf einem piezo
elektrischen Kristall.
Kleine Pfeile:
Richtung und Stärke
des gyrierenden
elektrischen Feldes;
große Pfeile:
Ausbreitungsrichtung
und transversaler Spin
© Maximilian Sonner
24 photonics Flashlight 2 | September 2021Forschung und Entwicklung
F&E September 2021
Paradoxe Wellen:
Gefangene Lichtteilchen
auf dem Sprung
Universität Rostock ist es in Zusammenarbeit mit Professor Stefano Longhi von der
Universität Mailand (Italien) gelungen, ein neuartiges Verhalten von Lichtwellen zu
beobachten, bei welchem Licht durch eine neue Art von Unordnung auf kleinste
Raumbereiche begrenzt wird. Paradoxerweise kann das Licht trotzdem sprungartig
seinen Ort ändern, was das aktuelle Verständnis über Lichtwellen auf die Probe stellt.
Lichtsignale in einem fünf Kilometer langen optischen Kabel werden durch diesen
neuartigen Effekt zunächst an einem spezifischen Punkt gesammelt und fokussiert,
bis sie schlagartig zu einem anderen, weit entfernten Punkt springen. Die bahnbre-
chenden Entdeckungen stellen nach Ansicht der Forscher einen wichtigen Schritt in
der Grundlagenforschung dar und heben das Verständnis über die Ausbreitung von
Wellen – egal ob Licht, Schall oder Elektronen– auf eine neue Ebene.
> Originalveröffentlichung S. Weidemann, M. Kremer et al. Nature Phot. 16 (2021).
Schaltbare IR-aktive organische
Pigmente
In der Photosynthese und der organischen Photovoltaik wandeln Pigmente Licht in
elektrische Ladung um. Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen haben nun ein
ungewöhnliches organisches Pigment hergestellt, das sich durch elektrische Ladung
„anschalten“ und dann zu einem intensiven Farbstoff wird, der Licht im Nahinfra-
rotbereich absorbiert. Solche Systeme sind für neue Anwendungen für organische
Leuchtdioden, in der Photovoltaik und der Sensorik interessant. Die Arbeit wurde in
der Zeitschrift Angewandte Chemie publiziert.
> Originalveröffentlichung
photonics Flashlight 25TECHNOLOGIE UND APPLIKATION
Beleuchtung des
Beobachtungsfeldes
zur Aufnahme von
spektral aufgelösten
Bildern (Hyperspektrale Abbildungen)
Autoren:
H. Zeng, M. Hoppe, P. Rotsch
OSA Opto Light GmbH, Berlin
26 photonics Flashlight 2 | September 2021Forschung und Entwicklung
D
Die Verfahren der hyperspektralen ie von einer Strahlungsquelle ausge-
Bildaufnahme haben in den hende Strahlung ist unter anderem
letzten Jahren zunehmendes durch ihr Spektrum beschreibbar, im
Interesse für verschiedenste Wellenlängenbereich der Strahlung
Anwendungen, beispielsweise 100 nm bis 1 mm wird zwischen UV, VIS (sicht-
bei fertigungsbegleitender bar) und Infrarot unterschieden (1). Als Licht
Messtechnik, gefunden. Die im sichtbaren Bereich wird elektromagnetische
Strahlung der Wellenlänge 380–780 nm definiert.
erheblichen Fortschritte bei den
Teilt man den sichtbaren Bereich in 3 Bereiche
Bildaufnahmekameras und bei der
ein, kann eine Farbinformation erhalten werden.
Analyse der Daten ermöglichen
Diese Bereiche werden allgemein als Rot / Grün /
neue Einsatzfelder. Neben der Blau bezeichnet (2). Diese drei Farbkanäle sind
Erarbeitung der Algorithmen zur Basis des menschlichen Farbsehens (2), der addi-
Auswertung der Spektraldaten tiven Farbmischung (aktive Displays) (3) und
ist die Wahl und Auslegung der der digitalen Farbfotographie (4). Dabei wird
Beleuchtungseinheit für die das Spektrum jedes Bildpunktes in 3 Farbkanäle
Qualität und Reproduzierbarkeit unterteilt, d. h. die Fläche des Sensors je Bild-
der Messdaten von entscheidender punkt wird, da diese nebeneinander liegen, auf-
Bedeutung, so wie die Wahl der geteilt. Ein Farbfilter absorbiert das dem Farb-
Lichtquelle für den Erfolg der kanal nicht entsprechende Licht. Bei mehr als
Einführung einer automatischen 3 Farbkanälen / Bildpunkt wird von multispekt-
Bildverarbeitung entscheidend ralen Bildern gesprochen, die mit verschiedenen
ist. Im Folgenden werden drei Technologien aufgenommen werden können (4).
mögliche Strahlungsquellen für Wenn man nun dem Spektrum am Bildpunkt
mehr als 100 Wellenlängenkanäle zuweist, wird
eine breitbandige Beleuchtung
der Begriff hyperspektrale Bildaufnahme ver-
verglichen, die thermischen Strahler
wendet (5). Dieser Begriff wurde erstmals 1988
(Halogen- oder Glühlampen), aus
verwendet, als das Verfahren für die satellitenge-
LED verschiedener Wellenlänge stützte Fernerkundung und Luftbildaufnahmen
zusammengesetzte Strahler entwickelt wurde. Dabei handelt es sich um die
und Strahler aus breitbandigen Analyse reflektierter Strahlung, wobei das Verfah-
LEDs. Deren Eigenschaften in der ren der Bildaufnahme aber ebenso auf Lichtquel-
Anwendung werden diskutiert. len selbst und die Absorption bei Transmission
(Untersuchung von Dünnschliffen und Gewebe
schnitten) anwendbar ist. Das Potential dieser
Technik kam auch im Innovationsforum Hyper-
spektraltechnologien für Prozessüberwachung
und Medizintechnik (HyperInno) des Photonics
BW e.V. zum Ausdruck, bei dem die Technik und
potentielle Anwendungen dargestellt und disku-
tiert wurden (7) Der aktuelle Stand bei der Ent-
wicklung von Kameras und Software wird auch
im Heft 27/21 der Markt und Technik beschrie-
ben (8).
photonics Flashlight 27Forschung und Entwicklung
Die hyperspektrale Bildaufnahme kann überall dort Gut verfügbare Detektoren basieren vorwie-
angewendet werden, wo aus den Absorptions- oder gend auf Silizium und III-V-Halbleitern wie
Reflexionseigenschaften relevante Informationen über die (Ga,In)As für den nahen Infrarotbereich (14).
Eigenschaften des Objekts gewonnen werden können. Zur
Illustration seien aufgelistet: Damit sind Strahlungswellenlängen von 220 nm
● Pflanzenzucht und Landwirtschaft, z. B. Bestimmung
(UVC) bis 4200 nm (Infrarot) adressierbar.
der Pflanzenart selbst, aber auch der Gesundheit und Wählt man 120 Kanäle zur Bildaufnahme aus,
die Düngerversorgung der Pflanze (9), Bild 1 umfasst bei einer Bildgröße von 1312 x 1082
● Lebensmittelverarbeitung, z. B. Erkennung von Pixeln und 12 Bit Auflösung des AD-Konver-
Reifegrad und Druckstellen von Früchten (10) ters die reine Datenmenge ohne Adressdaten ca.
● Elektronik, z. B. Erkennung thermischer Schäden auf 255 Mbyte. Damit wird verständlich, dass die
Leiterplatten (Bild 2 OSA Opto Light GmbH)
Wahl der Parameter der Bildaufnahme und die
● Medizintechnik, z. B. Analyse der Oberfläche von Haut, des Auswertealgorithmus für einen erfolgrei-
Wunden und Operationsfeldern (11)
chen Einsatz entscheidend sind.
Die übliche Strahlungsquelle bei der Ferner-
kundung ist das gut beschriebene Sonnenlicht
(15), Störungen, wie z. B. Einflüsse des Wetters
und der Tageszeit werden durch Wahl des geeig-
neten Aufnahmezeitpunktes umgangen. Kann
diese Strahlungsquelle nicht gewählt werden,
müssen auf die Anwendung zugeschnittene,
künstliche Strahlungsquellen eingesetzt werden.
Der folgende Artikel konzentriert sich auf den
Spektralbereich 400–1050 nm, der mit Silizi-
um-Detektoren gut messbar ist.
Abb. 1 Vergleich der Reflexionsspektren von Blättern, Bilder Breitbandige Strahlungsquellen
Sommerlinde Tilia nach Laubfall (12), Weymouths Kiefer Pinus
strobus (13),
Thermische Quellen
Unter thermischen Quellen werden vor allem
Glühlampen und Halogen-Glühlampen zu
sammengefasst. Ihr Spektrum ist durch das
Planksche Strahlungsgesetzt beschrieben (15),
die entsprechenden Modellrechnungen und
die Messwerte weisen eine gute Korrelation auf.
Vor allem im roten Farbbereich und im NIR
zwischen 660 und 2000 nm weisen thermische
Strahler eine hohe Effizienz auf. Sofern keine
Bande durch die Absorption eines Materials im
Strahlengang hinzukommt, sind diese Quellen
weitgehend homogen. Beispielsweise wird die
Abb. 2 Reflexionsspektrum und Bild einer geschädigten Infrarot-Strahlung von Reflektoren wie im Bild
Leiterplatte 3 oben links bei Anwendungen der Allgemeinbe
28 photonics Flashlight 2 | September 2021Forschung und Entwicklung
bei der Verwendung von Glühlampen ist das
Ein- und Ausschaltverhalten. In Abb. 3b ist die-
ses gezeigt, neben der Schaltzeit von ca. 160 ms
(hier an einer 2500 K Quelle mit 5 V und 12 W
gemessen) ist eine längere Zeit erforderlich, bis
die Glühwendel das thermische Gleichgewicht
erreicht hat und die Emission gleichmäßig ist.
Dies bedeutet entweder einen mechanischen
Shutter oder eine thermische Belastung des
Objektes, die vor allem bei Anwendungen in der
Abb. 3a: Thermische Strahler und ihre Spektren, Medizin und bei organischen Materialien uner-
Halogenglühlampe mit Spektrum 3000 K wünscht ist. Ein weiterer Nachteil ist die geringe
(modelliert), Allgemeingebrauchslampe mit
Spektrum 2500 K (gemessen) Lebensdauer, die sich durch Erschütterungen im
Betrieb, wie Vibrationen an einem Transportsys-
tem, zusätzlich erheblich verkürzen kann.
Multi-Chip-LED-Quellen
Ermöglicht durch die erhebliche Effizienzstei-
gerungen von LEDs im Bereich 365–1100 nm
in den letzten Jahren ist es möglich breitban-
dige Strahlungsquellen aus mehreren LEDs
zusammenzusetzen. Erste Anwendungen waren
Sonnenlichtgeneratoren, die beispielsweise zum
Testen von Solarzellen oder für Untersuchungen
zum Langzeitverhalten von Materialien unter
Lichteinfluss eingesetzt werden können. Da im
Sonnenlicht auf der Erdoberfläche vergleichs-
Abb. 3b: Schaltverhalten einer 2500 K Glühlampe, weise wenig UVB und UVC-Strahlung enthalten
Einschaltzeit ton = 167 ms, Abschaltzeit toff = 91 ms
ist, ist auch dieser Bereich mit LEDs gut darstell-
bar. Für die Emission eines Spektrums ähnlich
leuchtung gezielt abgeschwächt [(16), Folie 18]. dem des Sonnenlichts im Bereich 400–1100 nm
So lange diese Lichtquellen einen wesentlichen sind LEDs mit 23 verschiedenen Wellenlängen
Marktanteil an den Lichtquellen zur Allgemein- („LED-Kanäle“) erforderlich, siehe Abbildung 4.
beleuchtung aufwiesen, waren diese eine preis- Auf Grund der materialbedingt geringen Effi
werte Lösung bei sehr einfacher Ansteuerung. zienz der direkt emittierenden LEDs im Bereich
Glühlampen als Lichtquellen emittieren nur 520–580 nm werden häufig Konversions-LEDs
einen geringen Anteil des Spektrums bei Wel- für den grünen und gelben Bereich eingesetzt,
lenlängen unterhalb 500 nm, UV-Licht ist also am Beispiel im Bild 4 wurden LEDs mit einer
kaum vorhanden (siehe Bild 3). Eine Erhöhung Peak-Wellenlänge von 545 nm beziehungsweise
der Wendeltemperatur auf 3500 K erhöht das 572 nm LED auf Konversions-Basis verwen-
Signal im Blauen und Grünen Bereich erheblich, det. In diesem Anwendungsbeispiel ist der UV-
geht aber drastisch zu Lasten der Lebensdauer Bereich zwischen 265 und 385 nm noch nicht
[(16) Folie 10]. Eine weitere Herausforderung enthalten.
photonics Flashlight 29Sie können auch lesen
