SC4 / HOCHINTENSITÄTSLASERSYSTEME

Die Wechselwirkung von Licht mit Materie treibt unzählige biologische und chemische Vorgänge. So spielt die Photosynthese, bei der die Energie von Sonnenlicht in Kohlenhydraten gespeichert wird, eine zentrale Rolle für das Leben auf der Erde.

Die Fähigkeit, mit Licht Materie zu verändern, ist jedoch auch in Wissenschaft und Technik von großer Bedeutung. Licht, besonders Laserlicht, ist eines der flexibelsten und mächtigsten Werkzeuge zur Untersuchung und Bearbeitung von Materialien. Die extremen Eigenschaften von Hochintensitätslasersystemen ermöglichen es Zustände von Materie zu erzeugen, die sonst nur im Innern von Sternen anzutreffen sind und Elementarteilchen auf beinahe Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen [1].

Lasersysteme mit hohen Spitzenleistungen und kurzen Pulsdauern werden deshalb u. a. in folgenden Wissenschaftsgebieten Fortschritte ermöglichen [2]:

  • Grundlagenforschung: Hochintensitätslasersysteme ermöglichen die Erforschung extremer Materiezustände ohne große Teilchenbeschleuniger. Davon werden Gebiete wie Kernphysik, Hochenergiephysik, Vakuumphysik oder auch Kosmologie, die damit im Labormaßstab betrieben werden können, profitieren.
  • Medizin / Gesundheit: Hochintensive Laserquellen ermöglichen neuartige Verfahren zur biologisch-medizinischen Bildgebung sowie zur Erforschung von Therapieansätzen. Damit lassen sich beispielsweise wesentliche Fortschritte bei der Früherkennung und Behandlung von Krebserkrankungen erzielen.
  • Energie: Die Erforschung von Laserfusion kann den Weg für einen wichtigen und nachhaltigen Baustein der globalen Energiewende ebnen. Darüber hinaus erlauben die Lasersysteme die Untersuchung von Dynamiken in lichtverarbeitenden Komplexen, die Lichtenergie direkt in chemische Energie umwandeln. Erst dadurch können diese Prozesse technisch nutzbar gemacht werden.
  • Lasermaterialbearbeitung / Industrie 4.0: Ultrakurzpulslaserquellen bieten die Möglichkeit, Materialien energieeffizient, schnell und hochpräzise zu bearbeiten. Laserpulse machen bei vielen innovativen Materialien eine Bearbeitung überhaupt erst möglich [3]. Die Erforschung der Licht-Materie-Wechselwirkung ist damit eine unersetzliche Grundlage der industriellen Produktion der Zukunft.

Die Bearbeitung dieser wissenschaftlichen Fragestellungen erfordert immer höhere Spitzenleistungen bei immer kürzeren Pulsdauern. Schlüsselsysteme dazu sind neben Laserquellen, langlebige, integriert-optische Systeme. Pulskompressionsgitter spielen hierbei eine herausragende Rolle.


ENABLER: EFFIZIENTE, HOCHPRÄZISE KOMPRESSORGITTER

Je nach Anwendungsfall können die Gitter in Transmission oder Reflexion arbeiten, wobei Transmissionsgitter typischerweise die Einhaltung kleinerer Parametertoleranzen erfordern und dazu neigen sich zu verbiegen. Reflektierende Gitter hingegen werden auf dicken, verwindungsfesten Substraten hergestellt, weisen aber eine entsprechend große Masse auf.

Eine der größten Limitierungen aktuell verwendeter Beugungsgitter ist ihre geringe Leistungsbeständigkeit, die dazu führt, dass Gitter und Laserstrahldurchmesser außerordentlicher Größe (bis etwa 1 Meter) verwendet werden müssen. Eine Erhöhung der Leistungsbeständigkeit ermöglicht

  • kompaktere Lasersysteme mit preiswerteren Komponenten bei gleichbleibender Spitzenleistung,
  • eine Erhöhung der Leistung ohne Vergrößerung von Abmessung oder Komponentenkosten,
  • eine Effizienzsteigerung durch Verkürzung der Prozess-/ Experimentierdauer mittels Erhöhung der mittleren Leistung.
Pulskompressionsgitter für Hochintensitätslaser. Der am IOF entwickelte Prototyp erreichte eine Effizienz von mehr als 99.3 % über alle Betriebswellenlängen.
Pulskompressionsgitter für Hochintensitätslaser. Der am IOF entwickelte Prototyp erreichte eine Effizienz von mehr als 99.3 % über alle Betriebswellenlängen.

Eine aktuelle Übersicht typischer Performanceparameter für Pulskompressorgitter, wie sie z.B. bei ELI-Beamlines Anwendung finden sollen [2], zeigt die folgende Tabelle.

Technische Parameter für Gitter in der ELI-Beamline [2].
Technische Parameter für Gitter in der ELI-Beamline [2].

Kompressorgitter können im Volumen oder auf der Oberfläche eines Substrats gefertigt werden. Bei Volumengittern ist eine hohe Effizienz mit einer großen spektralen Bandbreite nicht vereinbar [4]. Die flexibel einstellbare Nanostruktur lithografischer Oberflächengitter hingegen ermöglicht die Optimierung aller optischer Parameter. Je nach Herstellungsverfahren wird unterschieden in:

  • geritzte Gitter, die mit einer speziellen Spitze in ein Substrat geritzt werden,
  • holographische Gitter, die mittels interferierender Laserstrahlen in Fotolacke belichtet werden und anschließend über Ätzverfahren in das Substrat übertragen werden [5],
  • lithographische Gitter, die mittels direktschreibender oder Beugungslithographie in Fotolacke belichtet und anschließend über Ätzverfahren in das Substrat übertragen werden [6].

Die Herstellung von sowohl geritzten als auch holographischen Gittern skaliert allerdings sehr schlecht zu großen Flächen und erlauben nur eine begrenzte Steuerung der Nanostruktur des Gitters.

Im Gegensatz dazu ist die direktschreibende Belichtung der Gitterstrukturen grundsätzlich auch auf große Flächen skalierbar, bei hoher Gleichmäßigkeit und Genauigkeit über die gesamte Gitterfläche. Darüber hinaus erlaubt diese Technologie ein hohes Maß an Kon-trolle über die Nanostruktur und Flexibilität in Bezug auf die eingesetzten Materialien und Beschichtungen. Für viele Anwendungen kann die Kombination von Elektronenstrahllithographie mit optischer Beugungslithographie eine komplementäre Technologie mit noch besserer Skalierbarkeit auf große Flächen darstellen [7, 8].


WISS.-TECHNOLOGISCHE UMSETZUNG

Gitter mit Abmessungen von 500 mm und größer erfordern in der Regel Substrate mit einem Gewicht von 30 kg und mehr. Für das Handling solcher Substrate, die Beschichtung mit Photolacken, die Reinigung, etc. müssen spezielle Verfahren entwickelt werden, welche eine exzellente Qualität der finalen Nanostrukturen sicherstellen. Zur hochgenauen Positionierung solcher Substrate werden gemeinsam mit Anlagenherstellern spezielle Tischsysteme für die Lithographieanlagen entwickelt werden.

Der von NPL verfolgte Ansatz kombiniert herausragende Strukturierungstechnologie mit innovativen Materialsystemen und neuartigen Beschichtungsverfahren, wie Atomlagenabscheidung, um Gitter höchster Effizienz und großer Bandbreite zu kreieren. Für neuartige Materialien werden neue Ätzverfahren entwickelt werden. Die gewonnenen Designfreiheiten werden verbesserte optische Eigenschaften ermöglichen.

Nur mittels der ganzen technologisch-wissenschaftliche Breite von NPL, können die notwendigen Innovationen geschaffen werden, um die oben skizzierten Herausforderungen zu adressieren. Dabei werden zentrale wissenschaftliche Herausforderungen angegangen und zu neuen technologischen Lösungen entwickelt:

  • Nanostrukturverfahren sowie Ätz- und Beschichtungstechniken werden auf Substratgrößen >500 mm und Substratgewichte >30 kg erweitert,
  • für hochleistungsstabile optische Materialsysteme werden Beschichtungsverfahren, wie z.B. Atomlagenabscheidung auf großen Flächen etabliert,
  • Hochauflösende Charakterisierungstechnologien wie Rasterelektronenmikroskopie, Atomic-Force-Mikroskopie und Streulichtverfahren werden auf große Substrate angewendet.

Zur Entwicklung der erforderlichen Technologieketten sind beim Antragsteller exzellente Voraussetzungen gegeben. Die langjährige Expertise manifestiert sich in zahlreichen Projekten, die sich sowohl in der Realisierung der optischen Hochleistungskomponenten als auch in der weltweit anerkannten Exzellenz in auf Charakterisierungstechniken für nanostrukturierte Großkomponenten [9-14]. Die Arbeiten sind dabei stets eng verzahnt mit Entwicklungsaktivitäten von Anlagenherstellern. Wesentliche Bearbeitungsanlagen, Technologien sowie Messtechnik für die avisierte Skalierung der Technologieketten werden in diesem Umfeld in intensiver Zusammenarbeit mit Anwendern weiterentwickelt werden. Zu wichtigen Forschungseinrichtungen bestehen darüber hinaus enge wissenschaftliche Verbindungen. Diese beziehen sich vor allem auf die Entwicklung und den Einsatz von

  • hochinnovativen Lasersystemen, vor allem auf Basis von Ultrakurzpulsfaserlasern,
  • faserbasierte Systemen zur nichtlinearen Pulskompression,
  • Systemen zu Bestimmung der absoluten Phase optischer Pulse,
  • Systemen zur Leistungssteigerung von Lasersystemen auf Basis räumlicher und zeitlicher kohärenter Kombination und Überhöhungscavities,
  • sowie integrierten, nichtlinearen Hochleistungs-Lichtkonvertern.
Das Fraunhofer IOF entwickelt innovative Konzepte, Komponenten und Systeme für Hochinten-sitätslasersysteme.
Das Fraunhofer IOF entwickelt innovative Konzepte, Komponenten und Systeme für Hochintensitätslasersysteme.

INVESTITIONSBEDARFE

Aus den oben beschriebenen Anforderungen ergeben sich folgende Entwicklungsbedarfe für die Kerntechnologien.

Investitionsbedarfe

WICHTIGE PROJEKTE DER NPL-PARTNER MIT BEZUG ZUM SCIENCE CASE

  • Pulse Compressor Grating (reflective) für CFEL bei Deutsches Elektronensynchrotron (DESY).
  • Beam Splitter Grating für ELI bei Extreme Light Infrastrcuture (ELI).
  • Pulse Compressor Grating (reflective) für ELI bei Dausinger & Giesen.
  • WDM-Grating für High Power Laser System bei Trumpf Lasertechnik.
  • Pulse Compressor Grating (transmissive) für High Power Laser System bei Trumpf Lasertechnik.
  • Pulse Compressor Grating (transmissive) für High Power Laser System bei SpectraPhysics.
  • WDM-Grating für High Power Laser System bei RWM.
  • Covered Pulse Compressor Grating (transmissive) für High Power Laser System bei LightConversion.
  • Pulse Compressor Grating (reflective) für High Power Laser System bei Institute of Photonic Sciences (ICFO).

REFFERENZEN

[1] W.Leemans. White paper of the ICfa-ICuil joint task force - high power laser technology for accelerators. Technical report (2011).

[2] G.A. Mourou, G.Korn, W.Sandner etal., eds. Extreme Light Infrastructure Whitebook - Science and Technology with Ultra-Intense Lasers. THOSS Media GmbH (2011).

[3] J.König, S.Nolte, and D.Sutter. Ultrakurzpulslaser für die industrielle massenfertigung - produzieren mit lichtblitzen (2013).

[4] J.-K. Rhee, J.A. Arns, W.S. Colburn etal. Chirped-pulse amplification of 85-fs pulses at 250 khz with third-order dispersion compensation by use of holographic transmission gratings. Opt. Lett., 19:1550 (1994). doi: 10.1364/OL.19.001550.

[5] N.George and J.W. Matthews. Holographic diffraction gratings. Appl. Phys. Lett., 9:212 (1966). doi: http://dx.doi.org/10.1063/1.1754714.

[6] U.Zeitner, M.Oliva, F.Fuchs etal. High performance diffraction gratings made by e-beam lithography. Appl. Phys. A, 109:789 (2012). doi: 10.1007/s00339-012-7346-z.

[7] L.Stuerzebecher, F.Fuchs, T.Harzendorf etal. Pulse compression grating fabrication by diffractive proximity photolithography. Opt. Lett., 39:1042 (2014). doi: 10.1364/OL.39.001042.

[8] L.Stuerzebecher, F.Fuchs, U.D. Zeitner etal. High-resolution proximity lithography for nano-optical components. Microelectron. Eng., 132:120 (2015). doi: 10.1016/j.mee.2014.10.010.

[9] L.Coriand, M.Mitterhuber, A.Duparré etal. Definition of roughness structures for superhydrophobic and hydrophilic optical coatings on glass. Appl. Opt., 50:C257 (2011). doi: 10.1364/AO.50.00C257.

[10] A.Duparré. Handbuch zur Industriellen Bildverarbeitung : Qualitätssicherung in der Praxis, chapter Charakterisierung von Mikro- und Nanostrukturen für funktionale Oberflächen und Schichten. Fraunhofer IRB Verlag (2007).

[11] A.Duparré and L.Coriand. Advances in Contact Angle, Wettability and Adhesion, chapter Assessment Criteria for Superhydrophobic Surfaces with Stochastic Roughness. Wiley InterScience (2013).

[12] A.Duparré, J.Ferre-Borrull, S.Gliech etal. Surface characterization techniques for determining the root-mean-square roughness and power spectral densities of optical components. Appl. Opt., 41:154 (2002). doi: 10.1364/AO.41.000154.

[13] A.Duparré, M.Flemming, G.Notni etal. Nanorauheit statt lotusstruktur: Chancen für ultrahydrophobe optische Oberflächen. Photonik, 2 (2005).

[14] S.Schröder, T.Herffurth, H.Blaschke etal. Angle-resolved scattering: an effective method for characterizing thin-film coatings. Appl. Opt., 50:C164 (2011). doi: 10.1364/AO.50.00C164.

Hochleistungslaser
Hochleistungslaser

ANWENDER

- Hochintensitätslaserlabors
- Labors für laserbasierte Materialbearbeitung

WISSENSCHAFTSFELDER

- Kernphysik
- Laborbasierte Kosmologie
- Grundlagenphysik
- Elementarteilchenphysik
- Biologie / Medizin
- Lasermaterialbearbeitung

ENABLER

- Großflächige, hochpräzise Pulskompressorgitter hoher Effizienz

The most important hurdle in getting ultrahigh peak power is improving the diffraction grating optical damage threshold.


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