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13.04.2016

„Fortschritte bei Ultrakurzpulslasern sind phänomenal“

Dr. Wilhelm Kaenders, Vorstand der TOPTICA AG


Highend-Lösungen für Quantenoptik, Spektroskopie oder Biophotonik sind sein Metier. Im Interview erklärt TOPTICA-Vorstand Dr. Wilhelm Kaenders, warum „ein Laser für Alles“ vorerst ein Traum bleibt, welche Rolle Laser in Inline-Prozesskontrollen der Industrie 4.0 spielen können und wie er die Entwicklung von Ultrakurzpulslasern einschätzt.


Herr Dr. Kaenders, im ohnehin wachsenden Markt für Laser in der Analytik und Forschung wächst TOPTICA überdurchschnittlich. Was sind die Treiber?

Dr. Wilhelm Kaenders: TOPTICA hat seine Wurzeln vor allem im Highend-Forschungsmarkt, dessen hohe Dynamik sich in den zuletzt vergebenen Nobelpreisen ausdrückt: die Ionen- und Atom-Fallen in 1989 und 1997, die Bose-Einstein-Kondensation 2001 und vier Jahre später Selbst-referenzierte Frequenzkämme, das Quantum Computing in 2012 und die Ultrahochauflösende Mikroskopie im Jahr 2014.


Heißt das, Sie entwickeln Technologien im Highend-Forschungsbereich und übertragen sie dann quasi Top-Down auf breitere Anwendungsfelder?

Kaenders: Ja. Viele unserer Laseransätze sind dem industriellen Markt um fünf bis zehn Jahre voraus, und finden erst nach und nach breitere Anwendung. Für unsere Forschungskunden sind die absolute und relative Präzision der Wellenlängen und Linienbreiten sowie Kohärenz und Polarisation unserer Laser entscheidende Kriterien - noch vor Preis, Größe oder spektraler Abdeckung. Über die Jahre konnten wir unseren Zugang zur Analytik für industrielle Märkte deutlich verbreitern. Etwa durch absolut stabile Laser mit höchster Kohärenz, weit abstimmbare Laser oder den heute über Kurzpulsfaserlaser erzeugbaren Weißlichtlasern und Terahertz-Applikationen. Denen trauen wir Einiges zu. Wir können den optischen Spektralbereich von vakuumultraviolett bis in den mittleren Infrarot- und in den Terahertz-Bereich abdecken. In der Weißlichttechnologie tun sich gerade neue Marktzugänge auf.


Welches technologische und ökonomische Potential sehen Sie für durchstimmbare Laser?

Kaenders: Ein abstimmbarer Laser ist natürlich der Traum der Analytik schlechthin. Denn das Versprechen, aus einem Gerät für jeden Nachweis die richtige Wellenlänge anbieten zu können, klingt sehr verlockend. Doch ein „Laser für Alles“ ist in der Realität nicht machbar.


Warum?

Kaenders: Oft übersteigen die analytischen Anforderungen an Multikomponentenanalysen die Möglichkeiten der realen Abstimmbarkeit. Zudem sind für viele potentielle Anwendungsfälle die Systemkosten zu hoch, als dass Laserdioden heutige Lichtquellen schnell verdrängen könnten; zumal ihre Durchstimmbereiche kaum mit Spektralbereichen von Lampen mithalten können. Der Lasereinsatz braucht seine ganz spezifische Begründung, etwa um besonders empfindlich, schnell oder über weite Distanzen zu messen.


Was sind potentielle Anwendungsfälle?

Kaenders: Pipelineüberwachung aus Hubschraubern oder Methanaustritte auf Ölplattformen. Mit einem Laser können sie über Spiegel eine ganze Plattform überwachen. Ein völlig anderer Bereich ist die konfokale Raman-Mikroskopie. Für die Abstimmbarkeit braucht es weitere spezifische Begründungen, etwa um zusätzlich die Temperatur oder die exakte Zusammensetzung von austretenden Gasen zu messen. Massenmärkte und damit verbundene Skaleneffekte sehen wir kaum. Das ist anders als zum Beispiel bei Miniaturspektrometern in Verbindung mit LEDs. Die auf Superkontinua beruhenden Weißlichtlaser werden wohl die ersten sein, denen es gelingen wird.


Inline-Prozessüberwachung wird in der Industrie 4.0 unverzichtbar. Halten Sie die Vision fortlaufender Inline-Spektroskopie auf Basis durchstimmbarer Laser für realistisch?

Kaenders: Eine spektrale Diagnostik für Produktionsprozesse ist sicher denkbar. TOPTICA hat dazu sehr früh zwei wichtige Entscheidungen gefällt. Erstens die Fokussierung auf Laserdioden und Faserlaser, und damit auf Technologiefelder, die von Consumer-Produkten getrieben sind. Nur diese erlauben Volumens-kalierung in der Art und Weise wie sie die Industrie 4.0 erfordert. Und zweitens, die intelligente Produktent-wicklung mit hoch integrierter Regeltechnik im Laser. Sie erlaubt uns, die oft komplexe Handhabung von z.B. aktiv referenzierten oder weit abstimmbaren Lasern im Gerät kompakt zu integrieren. Zudem können wir sie mit geringem Aufwand drahtlos oder über Standardinterfaces wie USB oder Ethernet in eine Steuerumgebung einbinden. Doch auch hier gilt: Die etablierten, oft sehr einfachen und günstigen Techniken der Analytik sind nicht zu unterschätzen. Laser werden nur Anwendung finden, wo ihr Einsatz echten Mehrwert verspricht, also ihre Selektivität und Spezifität die deutlich höheren Einstiegskosten rechtfertigt.


Bei Diodenlasern drückt das Problem der Wärmeabfuhr. Welche Lösungsansätze sehen Sie, um Leistungssteigerung und Miniaturisierung dennoch weiter zu treiben?

Kaenders: Die Miniaturisierung der Diodenlaser können wir durch den Kauf der Berliner Firma eagleyard heute schon auf der untersten Wertschöpfungsstufe realisieren und anbieten. eagleyard hat sich seit Gründung vor 13 Jahren auf die Integration von geringer Linienbreite, spektraler Stabilität und moden-sprungfreie Abstimmung mit hoher Grundmodeleistung gleich in der Laserdiode spezialisiert. Die Wärmeabfuhr wird durch Halbleiterbauteile hoher Effizienz und entsprechende Packaging-Technologie realisiert. Die Anlaufkosten von hochspezialisierten Halbleitern mit dedizierter analytischer Funktionalität sind leider immer noch recht hoch. Dafür bieten sie umso mehr Potential zur Kostenreduktion, wenn Stückzahlen auf viele Tausend bis zu Millionen Einheiten pro Jahr steigen. Wir gehen davon aus, dass sich Angebot und Nachfrage in den nächsten Jahren treffen werden.


Ultraschnelle Faserlaser sind in Forschung und Industrie gefragt. Ihre Zuverlässigkeit steigt, die Kosten sind im Sinkflug. Wo sehen Sie noch Entwicklungspotentiale?

Kaenders: Die Fortschritte hinsichtlich Zuverlässigkeit und Kosten für Ultrakurpulsfaserlaser sind phänomenal. Heute sind diese Lasermodule in mittlerer bis großer Stückzahl für etwa 10.000 Euro erhältlich. Die Robustheit dieses Lasertyps in All-Fiber-Ausführung war immer ausgezeichnet und von Anfang an industriekompatibel. Wir haben obendrein massiv an der Lebensdauer gearbeitet und bereits ein Niveau um 30.000 Betriebsstunden erreicht. Wir hoffen gegen Ende dieses Jahres sogar 50.000 Stunden garantieren zu können.


Wer sind die Abnehmer?

Kaenders: Unsere kompaktesten Kurzpuls-Faserlaser sind bei namhaften Herstellern sehr erfolgreich als Seeder für deren Materialbearbeitungslaser im Einsatz. Wir erwarten, dass dieser Lasertyp in Einsätzen als Oszillatoren mit Femtosekunden-Präzision oder als Signalquelle in vielen analytischen oder messtechni-schen Anwendungen Nutzen stiften kann. Etwa bei der Umsetzung von Terahertz-Messtechnik. Die optischen Oszillatoren erlauben, die Grenzen der klassischen Elektronik in punkto Pulslänge und Synchronisation über den 10 ps-Bereich hinaus deutlich zu erweitern. Gerade im Zusammenspiel mit Highend-Elektronik erwarten wir für diese Ultraschnellen Laser eine goldene Zukunft. Ich sehe darin in der Tat den Beginn einer gelebten Opto-Elektronik, die von den Stärken beider Industrien profitiert.



Dr. Wilhelm Kaenders ist Vorstand und Mitgründer der TOPTICA Photonics AG, die seit Gründung 1998 auf rund 200 Mitarbeiter und zuletzt 40 Mio. Euro Jahresumsatz wuchs, und mit Highend-Lasertechnologie für Quantenoptik & Spektroskopie, Biophotonik & Life Sciences sowie das Mess- und Prüfwesen weiter zweistellige Wachstumsraten verzeichnet. Vor der Gründung war Kaenders Mitglied der Forschergruppe um Nobelpreisträger Prof. Theodor Hänsch am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching. Seit Jahren gehört Kaenders dem Fachbeirat der LASER World of PHOTONICS an.


Bildquelle: Toptica AG

 
 
 
 
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