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Ausgezeichnete Innovationen

In sechs Kategorien wurde der Innovation Award auf der LASER World of PHOTONICS 2023 verliehen. Diese Teams und Innovationen haben unsere Jury überzeugt.

Achtzehn Innovationen, je drei pro Kategorie, standen im Finale des Innovation Award 2023. Der Gesamtsieg ging dieses Jahr an ein Lasersystem für die industrielle Fertigung, dessen Leistung keine Wünsch offenlässt: Mit 100.000 Watt hat der Single-Mode-Laser DBL 100KW des israelischen Unternehmens Civan Lasers genug Leistung, um 25 – 70 mm starke Stähle mit höchster Effizienz zu schweißen. Während herkömmliche Schweißverfahren bei diesen Materialstärken an Grenzen stoßen, durch ihren hohen Wärmeeintrag ins Material Probleme in der Folgekette verursachen und nur mithilfe von aufwändiger Vakuumtechnik die nötigen Eindringtiefen erreichen, schafft der prämierte 100 kW-Laser hochqualitative Schweißnähte bei Atmosphärendruck. Dabei erreicht die Vorschubgeschwindigkeit bis zu 40 Millimeter pro Sekunde. Da die Vakuumtechnik und wiederholte Schweißdurchgänge entfallen, verkürzen sich die Taktzeiten und sinken die Schweißkosten laut Civan Laser um bis zu Faktor 30. Im Kurzinterview spricht das Siegerteam über die technische Konzeption des Lasers, seine wichtigsten Zielmärkte – und die bereits spürbaren Auswirkungen des Awards.

Ushio gewinnt in der Kategorie Quanten-Technologien

Anders als in der Stahlbearbeitung zählt in den Quantentechnologien weniger die Leistung als die Präzision und Zuverlässigkeit. Mit den ausgezeichneten Singlemode-Laserdioden HL67001DG & HL69001DG ist es Ushio erstmals gelungen, auf Basis des III-V-Halbleiters Aluminium-Gallium-Indium-Phosphid (AlGaInP) 200 Milliwatt-Dioden zu realisieren, die im CW-Betrieb den Wellenlängenbereich von 660 bis 705 Nanometer (nm) abdecken und sich in 5-nm-Schritten verstellen lassen. Vor allem aber ist es dem Team gelungen, die in diesem Wellenlängenbereich typische Degradation der aktiven Kristallschicht abzustellen. Laut Ushio sind 705 nm Wellenlänge für einen Dauerstrichlaser mit einer Lebensdauer von mehreren tausend Stunden ohne jegliche Degradation bisher unerreicht. Zudem liege die elektrische Effizienz der Dioden vom Stecker zur Strahlquelle bei über 30 Prozent, böten sie sehr gute Temperatureigenschaften bis 75°C und obendrein eine Gauß-ähnliche Strahlcharakteristik der transversalen Moden. Damit böten sie Potenzial für die Quantentechnologie, Sensorik und Biophotonik. Einsatzfelder sieht das Unternehmen in der Entwicklung von hochpräzisen Atomuhren sowie in der Genomanalyse mit Quantencomputern oder auch im Pharmadesign. Yano Masato Hagimoto, Leiter des Engineering-Teams, freut sich über den Award: „Das ist eine Anerkennung für unser Engagement und unseren Einsatz, um die Herausforderungen von AlGaInP-basierten Materialien zu meistern und Produkte zu realisieren, die innovativ und zugleich zuverlässig und effizient sind“.

Prämierte Kristalle von Twenty-One Semiconductors

Um einfache und kompakte Lasermodule für den sichtbaren Spektralbereich geht es bei der ausgezeichneten MEXL-(MEmbrane eXternal cavity Laser)-Technologie der jungen Twenty-One Semiconductors GmbH. Mit Emissionen im Wattbereich eignen sich die grün-gelben und orangefarbenen Laser in biophotonischen Anwendungen wie die Durchflusszytometrie oder Fluoreszenzmikroskopie als günstige Alternative zu diodengepumpten Festkörperlasern (DPSSLs) oder Diodenlasern. Dafür setzt das Team auf ein optisch gepumptes Lasersystem, das per Design die Vorteile von Festkörper- und Diodenlasern kombiniert: Denn während die Verstärkung in einer mikrometer-dünnen Halbleitermembran erfolgt, lassen sich im externen Resonator optische Elemente zur Anpassung der Lasereigenschaften integrieren. Herzstück des Membranlasers ist laut Team der MEXL-Verstärkungskristall. Als Basis dient die besagte Halbleitermembran, die zwischen zwei optisch transparenten Wärmespreizern eingebettet ist – und über deren Materialzusammensetzung sich die Wellenlänge anpassen lässt.

Dank des innovativen Designs kommt die lineare Pumpgeometrie ohne Fokussieroptik aus. Das ebnet im Zusammenspiel mit der breiten Absorption des Halbleiters den Weg für das ultrakompakte Design mit minimalen Anforderungen an Wellenlänge und die Modenqualität der optischen Pumpe. Dennoch gewährleisten die Membranlaser auf Basis der MEXL Gain Chystals exzellente Strahlqualität über einen weiten Spektralbereich und einen rauscharmen Betrieb. Auch die direkte Modulation sowie das Abstimmen der Wellenlängen im laufenden Betrieb sind damit möglich. Zugleich ist ihr Leistungsbereich vom Milliwatt- bis in den Multi-Watt-Bereich skalierbar. Durch Integration optischer Elemente in die offene Kavität sind laut Unternehmen maßgeschneiderte Emissionseigenschaften machbar, etwa für den Betrieb mit geringer Linienbreite. Der Jury hat dieses neuartige Laserkonzept mit dem Innovation Award in der Kategorie Laser und Optoelektronik ausgezeichnet.

Trioptics gewinnt in der Kategorie Optik und Fertigungstechnik für Optik

Ebenso überzeugt hat sie ein Messgerät für Einzellinsen und Doubletten von der JENOPTIK-Tochter Trioptics. Das etablierte Gerät OptiSurf® LTM (Lens Thickness Measurement) kann dank dem neuentwickelten Erweiterungsmodul „LensGage“ berührungslos die Mittendicke von Linsen messen. Für diese Messung per Niederkohärenz-Interferometrie ist es nicht mehr erforderlich, vorab das Material und dessen Brechungsindex zu bestimmen. Denn das neue Modul kann das Glasmaterial anhand seines Gruppenbrechungsindexes identifizieren. Um die software-unterstützte Messung durchzuführen, wird die Probe zwischen zwei Glasplatten fixiert, die als Begrenzung der Messzelle dienen. Die Genauigkeit der Mittendicken-Messung liegt laut Trioptics bei 1,5 Mikrometern. Weil auch der Gruppenbrechungsindex mit höchster Präzision (~ 10-4) ermittelt wird, lässt sich damit auch das Material von unbekannten Linsen zweifelsfrei identifizieren. Trioptics hebt zudem die hohe thermische Stabilität des LensGage-Moduls sowie dessen sehr einfach durchführbare Kalibrierung hervor.

Deutsch-kanadische Kooperation gewinnt Kategorie-Award Sensorik, Test & Imaging

Die Thorlabs GmbH und das Entwicklungsteam von Castor Optics aus Kanada stehen hinter einer „photonischen Laterne“, die den Innovation Award 2023 der Kategorie „Sensoren, Test & Messung, Optische Messtechnik und Imaging“ gewonnen hat. Es handelt sich dabei um ein Ganzfasergerät für das hochpräzise, effiziente modale Multiplexing und De-Multiplexing optischer Signale am Übergang von Monomode- zu Multimode-Fasern. Dank der eigenen modenselektiven Beschaffenheit ermöglicht das Gerät die Eins-zu-eins-Entsprechung der Signale zwischen der Monomode-Eingangsfaser und den jeweiligen Moden der Multimode-Ausgangsfaser. In der aktuellen Ausführung werden zwei Modi unterstützt, doch die Laterne ist auf eine höhere Anzahl an Moden skalierbar. Das macht sie die Kommunikationstechnik, Sensorik und Bildgebung interessant. Schon jetzt gibt es Anwendungen in der optischen Kohärenztomographie (OCT), in der jede einzelne Mode Signale transportiert, die über die Mikrostruktur der jeweiligen Probe Auskunft geben. Das Gerät ermöglicht nahezu verlustfreie Übertragung über einen breiten Wellenlängenbereich mit exzellenter Modaltrennung. Castor nennt Werte von unter 0,1 dB Einfügedämpfung und über 30 dB Isolation. Die störungsfreie Signalübertragung ist in der Schlüssel zur hochaufgelösten OCT-Sensorik. Da das Gerät bis zu zehnmal kürzere Kopplungslängen als bisherige Designs erlaubt – und damit auch in Standard-Glasfaseranschlüsse passt – ist es auch darüber hinaus vielseitig einsetzbar.

Highend-Mikroskopie einfach gemacht – auch PicoQuant gewinnt Award

Vielseitigkeit ist auch einer der Vorzüge des konfokalen Mikroskops Luminosa, mit dem die Berliner PicoQuant GmbH die Kategorie Biophotonik & Medizintechnik für sich entscheiden konnte. Das moderne Mikroskop mit Einzelphotonenzählung besticht zudem durch intuitive Bedienbarkeit. Dafür führt die Systemsoftware Anwenderinnen und Anwender durch typische Arbeitsabläufe und nimmt automatisiert zahlreiche Geräteeinstellungen vor, um die Qualität und Reproduzierbarkeit der Untersuchungen sicherzustellen. Mit dem Mikroskop lassen sich unterschiedliche zeitaufgelöste Fluoreszenzmethoden umsetzen, die in Summe mit den Intensitäts- und Spektralinformationen der Proben vertiefte Befunde ermöglichen. Typische Einsatzgebiete sind die dynamische Strukturbiologie auf Einzelmolekülebene, das Verfolgen von zellulären Mechanismen und Kartieren von Zellstrukturen, das Erfassen der lokalen Probenumgebung durch Auslesen von fluoreszenten Sensoren sowie Anwendungen in der Chemie, darunter die Charakterisierung von (Nano-)Materialien und die Untersuchung von chemischen Reaktionen auf Einzelmolekülebene. Dafür ist die Hardware auf Einzelphotonendetektion ausgelegt. Laut PicoQuant-Vertriebsleiter Uwe Ortmann reicht die Sensitivität des Geräts, „um in einem großen See Zuckermoleküle nachzuweisen, wenn man ein Kilogramm Zucker darin auflöst“.

Damit die Sensitivität und Anwendungsvielfalt auch weniger erfahrenen Forscherinnen und Forschern ohne Begleitung technisch geschulter Fachleute zugutekommen, leitet die Software sie systematisch durch die jeweiligen Parametereinstellungen für die Einzelmoleküldetektion, die Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie (FCS) und für weitere zeitaufgelöste Verfahren wie das Fluoreszenz-Lifetime-Imaging-(FLIM) oder den Fluoreszenz-Resonanzenergietransfer (FRET). Hierbei können sie bei Bedarf eigene Mess- und Analysemodi definieren. In das Mikroskop und dessen Software hat PicoQuant langjähriges Erfahrungswissen einfließen lassen, damit auch Nicht-Physiker das Optimum aus diesen Verfahren herausholen können. Weil das Gros der Einstellungen automatisiert erfolgt, können die manuellen Abläufe einer klaren und übersichtlichen Struktur folgen. Das beugt Flüchtigkeitsfehlern vor und steigert die Effizienz.

Die Fluoreszenzlebensdauer ist für jedes Fluorophor charakteristisch. Darum war es dem Unternehmen möglich, entsprechende Datensätze für alle gängigen Fluoreszenz-Marker in der Software zu hinterlegen. Bei Auswahl des jeweiligen Farbstoffs wählt das Gerät passende Laser, Laserleistungen, Filter und weitere Einstellungen selbst aus. Es verschafft Anwendenden damit Zugang zu komplexem Expertenwissen, damit sie das Potenzial der Fluoreszenzlebensdauer-Messung ausschöpfen können. Auch um die Einstellungen der Optiken müssen sie sich nicht kümmern; die erfolgt ebenfalls automatisch. „Das Gerät justiert sich dank der Integration diverser Kameras ohne Probe binnen 20 Sekunden von selbst“, erklärt Ortmann. Zudem lege es eingangs der Mikroskopie per Spiral-Scan ein Koordinatensystem über die Gesamtprobe, in dem folgende Detailuntersuchungen später exakt lokalisierbar sind.

Hochsensitiv – und dennoch für Laien bedienbar

Der hohe Automatisierungsgrad erlaubt es Nutzerinnen und Nutzern, sich voll auf die Proben und ihr Versuchsdesign zu konzentrieren und dem Mikroskop zu vertrauen. Die Darstellung der Daten in Echtzeit während der Aufnahme spart Zeit, Material und erhöht den Durchsatz. Zugleich haben auch Laien ein erweitertes Spektrum an experimentellen Möglichkeiten, weil sie das Mikroskop bei ihren Experimenten konkret unterstützt – und sich seine Filter- und Optikmodule problemlos austauschen, entfernen oder ergänzen lassen. Hochsensitive Einzelmolekül-Messungen ohne bewegliche Komponenten sind ebenso möglich, wie schnelle durch Scan-Spiegel unterstützte FLIM-Videoaufnahmen. Dafür steht eine große Auswahl an Lasern, optischen Bauelementen sowie Positionierlösungen und Detektoren bereit. Dieses Gesamtpaket aus innovativer Hard- und Software hat die Jury überzeugt.

„Der Innovation Award birgt jedes Mal aufs Neue überzeugende Ideen und bahnbrechende Erfindungen“, erklärt Anke Odouli, Projektleiterin der LASER World of PHOTONICS. Dieses Mal habe die Jury über 50 Einreichungen gesichtet, um die sechs Kategorie-Awards und den Gesamtsieger auszuwählen. „Wir sind schon jetzt gespannt, welche Ideen für die nächste Runde im Jahr 2025 bei uns eingehen werden“, sagt sie.