Neue Beschichtungen für effiziente und kompakte UV-Lasersysteme
11.02.2016

Bild 1: Funktionale Schichten ermöglichen Optiken die gezielte Transmission und Reflexion von Strahlung. (Foto: LZH)

Bild 2: Beim Ionenstrahlsputtern schlägt eine Ionenquelle Atome aus dem Beschichtungsmaterial in Richtung der Substrate. Die so erreichten funktionalen Schichten sind aufgrund ihrer hohen Dichte besonders stabil. (Abbildung: LZH)

Bild 3: Schematischer Aufbau einer Ionenstrahlsputter-Anlage.Von links kommt der Ionenstrahl, der das Beschichtungsmaterial aus einer Platte herausschlägt und auf die obigen Substrate (Optiken) treffen lässt. Der gesamte Beschichtungsprozess wird durch den optischen Breitbandmonitor BBM überwacht. (Abbildung: LZH)

Ein kompaktes, energieeffizientes Lasersystem für Präzisionsmessungen und den medizinischen Markt – daran arbeitete das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) zusammen mit drei Partnern im Eurostars-Projekt CELL-UV. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des LZH verbesserten die funktionalen Schichten der eingesetzten Optiken, um die Ausgangsleistung und die Effizienz von bestehenden Laserquellen im UV-Bereich (355 nm) zu erhöhen.

Langlebige, leistungsfeste Optiken mit geringer Absorption sind die Grundvoraussetzung für energieeffiziente Lasersysteme. Für die Vergütung der Laserkomponenten hat die Gruppe Beschichtungen des LZH daher das Ionenstrahlsputtern (Ion Beam Sputtering, IBS) eingesetzt. Diese Beschichtungstechnik ermöglicht eine hohe Dichte der optischen Schichten, macht sie so besonders stabil und lässt sie hohe Laserleistungen aushalten. Um Absorption und Streuung der Optiken zu reduzieren, wurden zwei Ansätze untersucht: die Kombination von Beschichtungsmaterialien sowie der Einsatz einer zusätzlichen Ionenquelle.

Neue Materialkombination: HfO2 und Al2O3
Um die Absorption und die Streuung des im UV-Bereich eingesetzten Hafniumoxids zu senken, sollten Materialien beigemischt werden, bei denen die Verluste in diesen Bereichen geringer ausfallen. Die Wissenschaftler verwendeten daher eine Mischung aus Hafniumoxid (HfO2) und Aluminiumoxid (Al2O3) für die optischen Beschichtungen. Mit diesem Ansatz konnten die Partner die angestrebte Ausgangsleistung des Lasersystems von 60 mW im Laboraufbau erreichen.

Schichtoptimierung durch Ionenbeschuss
Der Einsatz einer zusätzlichen Ionenquelle während des IBS-Prozesses erhöhte die Energie der aufwachsenden Teilchen und verringerte die Streuung der Schichten. Die Stützquelle ermöglichte es außerdem, bereits aufgetragene Schichten wieder kontrolliert zu entfernen, ohne die Beschichtung zu beschädigen. Wird dieses Vorgehen in bestimmten Phasen des Beschichtungsprozesses gezielt angewendet, verringert es die Absorption der Schichten. Den Schichtdickenverlauf bestimmten die Wissenschaftler im laufenden Prozess durch den am LZH entwickelten optischen Breitbandmonitor BBM.

Über CELL-UV
Am Eurostars-Projekt CELL-UV (Compact and Efficient Laser for Life science and other applications, emitting > 60 mW continuous-wave radiation at 355 nm) waren neben dem LZH die Cutting Edge Coatings GmbH (Hannover), die die Beschichtungstechnik lieferte, und HC Photonics Corp. (Taiwan), welche die benötigten Frequenzkonversionskristalle beisteuerte, beteiligt. Koordiniert wurde das Projekt von der Cobolt AB (Schweden), die nun das System zur Serienreife bringen wird.

 

Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH)

Als unabhängiges gemeinnütziges Forschungsinstitut steht das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) für innovative Forschung, Entwicklung und Beratung. Das durch das Niedersächsische Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Verkehr geförderte LZH widmet sich der selbstlosen Förderung der angewandten Forschung auf dem Gebiet der Photonik und Lasertechnologie. 1986 gegründet arbeiten inzwischen über 170 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter am LZH.

Der Fokus des LZH liegt auf den Bereichen Optische Komponenten und Systeme, Optische Produktionstechnologien und Biomedizinische Photonik. Die interdisziplinäre Zusammenarbeit von Naturwissenschaftlern und Maschinenbauern ermöglicht innovative Ansätze für Herausforderungen verschiedenster Bereiche: von der Komponentenentwicklung für spezifische Lasersysteme bis hin zu Prozessentwicklungen für die unterschiedlichsten Laseranwendungen, zum Beispiel für die Medizintechnik oder den Leichtbau im Automobilsektor. 17 Ausgründungen sind bis heute aus dem LZH hervorgegangen. Das LZH schafft so einen starken Transfer zwischen grundlagenorientierter Wissenschaft, anwendungsnaher Forschung und Industrie.