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Laser-Historie Teil 2 Die Laserreise ist nach 60 Jahren noch lange nicht beendet!

Autor / Redakteur: Nikolaus Fecht und Andreas Thoss / Peter Königsreuther

Der Laser ist 60 geworden. Blickten wir im ersten Teil dieser Story auf einige entscheidende Entwicklungen, so erfahren wir nun, wo die Reise offensichtlich als nächstes hingeht...

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Laser-Story Teil 2: Hier werden verschränkte Photonen erzeugt. Haben wir Mut zur Unschärfe, können wir die wahre Natur modelltechnisch nachvollziehen und verstehen, sagen Experten.
Laser-Story Teil 2: Hier werden verschränkte Photonen erzeugt. Haben wir Mut zur Unschärfe, können wir die wahre Natur modelltechnisch nachvollziehen und verstehen, sagen Experten.
(Bild: Fraunhofer-ILT / V. Lannert)

Als Peter Leibinger auf der Messe Lasys 2013 den Laser zur Commodity erklärte, ging noch ein Raunen durch den Saal. Der Markt wuchs weiter rasant, drei Jahre später überschritten erstmals vier Laserfirmen die Umsatzmarke von einer Milliarde. Heute werden im größten Lasermarkt der Welt, in China, Lasersysteme bis in den kW-Bereich über den Preis verkauft. Ist der Laser jetzt ein Gerät wie jedes andere? Hat er den Charme des Neuen verloren?

Die Kommodifizierung des Lasers treibt die Branche an

„Ich würde das sogar positiv sehen“, sagt Christian Schmitz, CEO Lasertechnik von Trumpf. „Durch diese Kommodifizierung gibt es größere Stückzahlen, der Laser wird für andere Anwendungen interessant und insofern sehe ich das eigentlich als ein Signal dafür, dass die Laseranwendung ein Erfolgsmodell ist.“ Aber wie geht es für einen Hightech-Pionier wie Trumpf weiter? „Als professioneller Laserbauer kann man auch in der Breite mitspielen. Nichtsdestotrotz wollen wir natürlich die High-End-Anwendungen nie aus dem Auge verlieren“, merkt Schmitz an.

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Ein Beispiel ist für ihn die Herstellung von Lasern für die Halbleiterindustrie. Trumpf liefert dafür den stärksten je in Serie gebauten Laser an den niederländischen Systemanbieter ASML. Rund 15 Jahre lang hat sich Trumpf für diese sehr spezielle Laseranwendung engagiert. In 2020 dürfte sie zu über 10 % zum Umsatz beitragen und gegen den Abwärtstrend im Werkzeugmaschinen-Bau weiter wachsen. Schmitz: „Um solche Hightech-Projekte voranzubringen wird es immer wichtiger, dass man die richtigen Partner findet, mit denen man solche Speziallösungen an die technologischen Grenzen treibt.“

Das „Fraunhofer-Prinzip“ trägt viel zu Lasererfolgen bei

Gefunden hat man solche Partner bei der Fraunhofer-Gesellschaft. Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF etwa ist mit Trumpf und Zeiss für den Zukunftspreis nominiert. Die Jenaer haben die EUV-Spiegelschichten entwickelt. Bemerkenswert: Die Oberflächen dieser Spiegel müssen Rauigkeiten unter 0,1 nm aufweisen – das ist ein Atomdurchmesser!

Dahinter steht das Fraunhofer-Prinzip. Denn mit einem Drittel staatlicher Grundfinanzierung können die Fraunhofer-Institute Grundlagenforschung betreiben. Den Rest ihrer Mittel müssen sie über Verbundprojekte und Auftragsforschung erwirtschaften. Als Bindeglied zwischen Universitäten und Industrie haben sie dabei etwas international Einmaliges geschafft: den effektiven Technologietransfer.

Genauso wichtig und erfolgreich war in den vergangenen 60 Jahren auch die Förderung durch die Wissenschafts- (erst BMFT, jetzt BMBF) und Wirtschaftsministerien. Mit dem Instrument der Verbundförderung holten sie Unternehmen und Institute an einen Tisch. „Verbundforschung funktioniert auch nur, wo es eine Kultur der Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft und Wirtschaft gibt,“ meint Andreas Tünnermann, Direktor am Fraunhofer-IOF.

Das Cluster Photonik in Aachen markiert neue Art der Zusammenarbeit

Bei solchen Großprojekten zeichnet sich ab, dass die Technologie der Zukunft zwischen den verschiedensten Sparten entstehen wird. Am Fraunhofer-ILT in Aachen hat man damit viel Erfahrung, denn schon früh gab es separate Versuchsräume von Industriepartnern am ILT.

Mit der Erfahrung hat Reinhart Poprawe, der Vorgänger von ILT-Direktor Constantin Häfner, auf dem RWTH Aachen Campus die Bildung des Clusters Photonik vorangetrieben. Durch diesen wird an seiner Vision der Digitalen Photonischen Produktion DPP über alle Fachgrenzen hinweg gearbeitet.

Dafür entstanden in Rufweite der Fraunhofer-Institute und der RWTH Aachen zwei neue Gebäude: Im Industry Building DPP haben sich rund 30 Unternehmen angesiedelt. Ihre gemeinsamen Forschungsvorhaben mit Universität und Fraunhofer werden im Rahmen des Forschungscampus Digital Photonic Production DPP durch das BMBF gefördert. Gegenüber steht das Research Building DPP. Dort hat das „Research Center for Digital Photonic Production“ (RCDPP) als „I³ – Integriertes Interdisziplinäres Institut“ der RWTH Aachen seine Forschungsarbeiten aufgenommen. Insgesamt 16 Institute aus 6 Fakultäten der RWTH Aachen University sind daran beteiligt. Was da erst einmal reichlich komplex klingt, ist der Ansatz des 21. Jahrhunderts, meinen die Experten: „Multidisziplinär, forschungsinterkulturell sowie vernetzt arbeiten und dabei Innovation leben, ist der Weg, um das Potenzial der Lasertechnologie nachhaltig für die Produktion der Zukunft voll ausschöpfen zu können“, bringt Häfner, der auch Sprecher des Clusters Photonik ist, es auf den Punkt. (Hier geht es übrigens noch zu einem passenden Interview mit Prof. Poprawe in Sachen Lasergeschichte).

Das nächste Spenderorgan könnte aus dem 3D-Drucker kommen

Und die Zukunft hat zum Teil schon begonnen. In der Medizin ist der Laser nämlich auch angekommen. Und für laserunterstützte Mikroskope mit extremer Auflösung gab es bereits Nobelpreise. In der Zukunft aber könnte die Lasertechnik weitere Bereiche im Labor erobern. Dafür wird am Fraunhofer-ILT an der Wechselwirkung von Photonen mit biologischen Zellen geforscht.

„Wir arbeiten daran, per Bioprinting im Labor 3D-Gewebemodelle aus Biomaterialien und lebenden Zellen aufzubauen, die heute schon immunologische, zelluläre und anatomische Eigenschaften eines menschlichen Patienten abbilden“, führt Häfner dazu aus. Denkbar wäre für ihn sogar eines Tages die Additive Fertigung von personalisierten Gewebe und Organen im Labor, um den Bedarf an Transplantaten für kranke Menschen in der Zukunft besser erfüllen zu können.

Der sportliche Wettkampf um die Quantentechnolgie läuft auch schon

Das heißeste Thema in der angewandten Laserforschung ist im Moment die Quantentechnologie. Im Februar 2020 hat die Bundesregierung 600 Mio. Euro dafür angekündigt, im Corona-Programm noch 2 Mrd. Euro nachgelegt. Das dürfte die Summe aller vorherigen Fördermittel für Lasertechnik überschreiten.

Andreas Tünnermann vom Fraunhofer-IOF macht klar: „Wir in Deutschland fördern über Jahrzehnte bereits die Quantentechnologien. Diese Programme haben dazu geführt, dass wir eine exzellente Grundlagenforschung haben.“ Aber China und die USA scheinen weit voraus zu sen, merkt er an. Doch: „Ich persönlich glaube, dass hier die Volkswirtschaften erfolgreich sein werden, die über Strukturen verfügen, wo ein Transfer auch tatsächlich gelebt wird. Deshalb ist die Photonik ein hervorragendes Beispiel – auch dafür, wie man in den Quantentechnologien langfristig erfolgreich kann.“

Derzeit laufen umfangreiche Agendaprozesse, um die Experten aus Industrie, Forschung und Anwendung quer über die verschiedensten Fachgebiete zu organisieren, um die Fördergelder möglichst effektiv einzusetzen.

Kann der Laser das Energieproblem lösen?

In den 60er-Jahren wurde der Laser als „Next big thing“ nach der Kernenergie gesehen. Im Gegensatz zu ihr ist die Lasertechnik in unserem Alltag angekommen. In der Telekommunikation und in der Fertigungstechnik ist der Laser an entscheidender Stelle dabei: Und seine Bedeutung wird noch wachsen.

Ein Münchner Startup hat aber noch deutlich größere Ziele: Die Marvel Fusion GmbH will die laserbasierte Kernfusion erforschen. Die Technologie basiert auf Systemen, wie sie in der Europäischen Extreme Light Infrastructure ELI entwickelt werden.

Mit inzwischen 1 Mrd. Euro an Förderung wird dafür an drei Instituten in Osteuropa die Idee von Physik-Nobelpreisträger Gérard Mourou umgesetzt. In seiner Nobelpreisträgerrede von 2018 zog er den Bogen von Maimans Erfindung bis weit in die Zukunft: Dort werden Laser zu Teilchenbeschleunigern. Sie werden Bedingungen wie im Innern von Sternen im irdischen Labor erzeugen. Sie werden Atomkerne zertrümmern und fusionieren. Sie werden durch schiere Intensität Teilchen aus dem Nichts holen. Mourou sprach über Anwendungen zur Beseitigung von Atommüll, in der Medizin und in der Materialwissenschaft.

Der Laser mag im Alltag angekommen sein. Die Anwendung sicherer robuster Lasersysteme wird in den kommenden Jahren die Produktivität in vielen Bereichen steigern. In der Forschung jedoch gilt die Prognose von Gérard Mourou „The best is yet to come!“

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