2-Mikrometer-Technologie: Schlüssel zur nächsten Generation optischer Systeme
Präzision für industrielle und medizinische Anwendungen im IR-Bereich
Inhalt
Die Lasertechnologie erfährt aktuell eine neue Dynamik. Neben den bekannten 1 und 1,5 µm-Systemen rückt eine weitere Wellenlänge zunehmend in den Fokus: 2 µm bzw. 2000 nm. Durch hohe Absorption in Wasser, besondere Materialwechselwirkungen und der Tatsache, dass diese Wellenlänge für das menschliche Auge weitgehend ungefährlich ist („eye-safe“) , eröffnet dieser Wellenlängenbereich völlig neue Anwendungsszenarien von der Medizin über die Materialbearbeitung bis hin zur Sensorik und Forschung.
In diesem Blogbeitrag werden die besonderen Eigenschaften der Wellenlänge und mögliche Anwendungen mit ihren heutigen Herausforderungen im Detail beleuchtet.
Warum rückt die Wellenlänge 2 µm in den Fokus?
Die Bezeichnung bezieht sich auf Laser- und Lichtquellen, die im Spektralbereich um 2 Mikrometer emittieren, also im mittleren Infrarot (MIR). Typischerweise liegen diese Systeme zwischen 1,8 und 2,1 µm. Im Unterschied zu klassischen Lasern auf Nd:YAG-Basis (1,06 µm) oder Faserlasern (1,5 µm), nutzt die 2 µm-Technologie andere aktive Materialien, darunter vor allem Thulium- (Tm³⁺) und Holmium- (Ho³⁺) dotierte Medien. Diese erlauben sowohl einen Dauerstrichbetrieb als auch die Erzeugung ultrakurzer Pulse mit hoher Energie und optimaler Strahlqualität.
Dank optimierter Technoligen für Fasern und Kristallwachstum rücken 2 µm-Laser zunehmend in den industriellen Reifegrad. Sie kombinieren Effizienz mit thermischer Stabilität und bieten gleichzeitig neue Wechselwirkungen mit Materialien, die in anderen Spektralbereichen schwer zugänglich sind.
Auf einen Blick:
Was ist die 2-µm-Technologie?
2-µm-Technologie beschreibt Laser- und Lichtquellen, die im mittleren Infrarot bei etwa 2 Mikrometern (1,8 - 2,1 µm) emittieren. Sie basieren meist auf Thulium- oder Holmium-dotierten aktiven Medien und ermöglichen präzise, thermisch stabile Prozesse in Materialbearbeitung, Medizin, Sensorik und Forschung. Dank hoher Absorption in Wasser, augensicherem Betrieb und neuen Materialinteraktionen gilt die 2-µm-Wellenlänge als Schlüsselbereich für die nächste Generation optischer Systeme.
Besondere physikalische Eigenschaften der 2-µm-Wellenlänge
Der Bereich um 2 µm ist kein Zufall. Hierunter vereinen sich mehrere physikalische Vorteile, die den Wellenlängenbereich für verschiedenste Anwendungen besonders interessant und vor allem zu einem Schlüsselfaktor für künftige Fortschritte in der Photonik machen. Fünf ausgewählte Eigenschaften werden im Folgenden beleuchtet.
1. Starke Absorption in Wasser und biologischem Gewebe
In diesem Wellenlängenbereich gibt es mehrere starke Absorptionsbanden von Wasser. Dadurch lässt sich Energie präzise in Gewebe oder feuchte Materialien einbringen, was z.B. ein entscheidender Vorteil für medizinische und biotechnologische Anwendungen bietet.
Auf einen Blick:
Warum absorbiert Gewebe 2 µm besonders stark?
Weil Wasser bei 1,8 - 2,1 µm ein Absorptionsmaximum besitzt. Die Wellenlänge koppelt Energie effizient in wasserhaltige Strukturen ein und ermöglicht dadurch hochpräzise Schnitte bei minimaler thermischer Schädigung.
Abbildung 1: Relative modellierte Absorption von Wasser im IR-Bereich. Besonders deutlich sichtbar sind Absorptionsmaxima bei 1,45 µm und im Bereich von 1,8 bis 2,1 µm
2. Natürliche Augensicherheit („eye-safe“)
2 µm-Licht wird von der Hornhaut stärker absorbiert und erreicht die Netzhaut kaum. Das macht die Technologie für Freiraumkommunikation oder LIDAR-Anwendungen sicherer und auch praktikabler.
3. Neue Möglichkeiten der Materialbearbeitung
Viele Werkstoffe, die bei 1 µm kaum reagieren, zeigen bei 2 µm ein völlig anderes Verhalten. Dazu gehören u.a. Keramiken, Kunststoffe, Halbleiter mit Wellenlängenfenstern im MIR und Silizium. Letzteres beispielsweise, verzeichnet eine hohe Absorption bei 2 µm und ermöglicht damit eine bessere und präzisere Bearbeitbarkeit.
Abbildung 2: Vergleich der relativen Materialinteraktionen von Silizium, Polymeren und Keramik bei 1, 1,5 und 2 µm. Die Graphen zeigen, warum die 2-µm-Wellenlänge neue Prozessfenster in der Materialbearbeitung eröffnet, insbesondere durch die zunehmende Absorption.
4. Breites Anwendungsspektrum für Ultrakurzpulse
In Kombination mit UKP-Lasern (Ultrakurzpuls-Lasern) lassen sich Prozesse mit höchster Präzision und minimaler thermischer Beeinflussung realisieren. Während bei klassischen UKP-Systemen um 1 µm die Absorption vieler Materialien begrenzt ist, eröffnen 2 µm zudem neue nichtlineare Prozessfenster mit veränderter Materialkopplung und Prozessdynamik.
5. Thermisch stabile Quellen
Thulium- und Holmium-basierte Laser zeichnen sich durch eine hohe Strahlqualität (typisch M² ≈ 1,1 - 1,3) und Effizienzen von 30 - 50% aus. Auch bei erhöhten Betriebstemperaturen von bis zu etwa 50 - 60°C bleiben Strahlstabilität und Leistungsfähigkeit erhalten, was sie besonders attraktiv für industrielle und kompakte Lasersysteme macht.
Von Medizin bis Mikrostrukturierung: der Beginn vielfältiger Anwendungen
Zwar befindet sich die Technologie noch in ihrer Entwicklungsphase, doch schon heute zeichnen sich vielfältige Anwendungsfeder ab.
Medizin und Chirurgie
Die hohe Absorption in Wasser prädestiniert 2 µm-Laser für medizinische Eingriffe. Sie ermöglichen präzises Schneiden und das gezielte Zusammenziehen bzw. Verfestigen von Gewebe (= Koagulieren) bei minimalen Gewebeschäden. Besonders in der Urologie oder der HNO-Chirurgie haben sich 2 µm-Laser bereits als Alternative zu herkömmlichen Infrarotsystemen etabliert.
Materialbearbeitung und Fertigung
Im industriellen Umfeld ermöglicht die 2 µm-Technologie neue Bearbeitungsprozesse. Sie eignet sich z.B. für Mikrostrukturierung, Schneiden dünner Silizium-Schichten, die Bearbeitung von Verbundwerkstoffen oder das Polymerschweißen.
Für Anwendungen mit UKP-Lasern ist die Wellenlänge besonders spannend, da sich durch die gezielte Energieabsorption Werkstoffe nahezu ohne thermische Einflüsse und die damit verbundenen Nachteile strukturieren lassen. Sensorik, Lidar und Umwelttechnik Auch im Bereich LIDAR, der laserbasierten Fernerkundung, bietet die 2 µm-Technologie deutliche Vorteile. Die Wellenlänge ist „eye-safe“ und erlaubt gleichzeitig hohe Reichweiten. In der Umwelttechnik wird sie zur Messung von Spurengasen, wie CO₂ oder Methan, eingesetzt.
Sensorik, Lidar und Umwelttechnik
Auch im Bereich LIDAR, der laserbasierten Fernerkundung, bietet die 2 µm-Technologie deutliche Vorteile. Die Wellenlänge ist „eye-safe“ und erlaubt gleichzeitig hohe Reichweiten. In der Umwelttechnik wird sie zur Messung von Spurengasen, wie CO₂ oder Methan, eingesetzt.
Forschung und Spezialanwendungen
Ultraschnelle 2 µm-Faserlaser dienen in der Grundlagenforschung zur Erzeugung von Superkontinua oder zur Anregung nichtlinearer Prozesse. Auch in der Spektroskopie und Metrologie eröffnen sie neue Möglichkeiten, etwa zur Analyse transparenter Materialien oder dünner Schichten.
Auf einen Blick:
Warum 2-µm-Laser die Zukunft der Laserfertigung sind.
2-µm-Laser setzen sich durch, weil sie Fertigungsprozesse ermöglichen, die mit bisherigen Industrielaser-Wellenlängen kaum realisierbar waren. Sie bieten höhere Prozessstabilität bei temperaturempfindlichen Materialien, erlauben feinere Strukturgrößen und unterstützen neue Fertigungsmethoden wie Silizium-Bearbeitung, Polymerfügen und IR-basierte Mikromontage. Da immer mehr Anwendungen auf präzise, materialselektive Energieeinbringung angewiesen sind, entwickelt sich die 2-µm-Wellenlänge zu einer Schlüsselplattform für die nächste Generation optischer Produktionstechnologien.
Aktuelle Herausforderungen der 2 µm-Technologie
Trotz aller Vorteile steht die 2 µm-Technologie noch am Beginn ihrer industriellen Etablierung. Zu den zentralen Herausforderungen zählen:
- Materialverfügbarkeit und Beschichtungsoptimierung: Nicht jedes Glas oder Kristallmaterial ist im 2 µm-Bereich hoch transmissiv. Optische Beschichtungen müssen noch auf den Bereich angepasst werden (z.B. geringe Absorption, hohe Laserfestigkeit).
- Wärmemanagement: Die Wärmeleitfähigkeit der Lasermaterialien Thulium und Holmium ist geringer als bei kürzeren Wellenlängen. Ein effizientes Thermomanagement mit kontrollierter Kühlung und optimierten Pumpgeometrien ist daher entscheidend für die Stabilität.
- Systemintegration: Optiken und Sub-Systeme müssen auf größere Wellenlängen abgestimmt werden, was bei der Faserkopplung beginnt und sich bis zur Strahlformung durchzieht.
- Kosten und Skalierbarkeit: Komponenten befinden sich aktuell noch im Übergang zur Serienfertigung, sodass die Produktionskosten noch vergleichsweise hoch sind.
Die genannten Herausforderungen zeigen, dass es für den breiten industriellen Einsatz der 2-µm-Technologie weiterer Entwicklungen bedarf, insbesondere im Bereich optischer Komponenten, Systemintegration und Prozessstabilität. Mehrere Forschungsteams und Industriepartner arbeiten derzeit daran, diese Lücken zu schließen und die Technologie für serientaugliche Anwendungen verfügbar zu machen.
Forschungsprojekt UKPiño - gezielte Lösungen für die 2-µm-Systemtechnik
Genau bei diesen Herausforderungen stellt sich das RUBIN Verbundforschungsprojekt UKPiño. Es vereint Forschung und Entwicklung im Bereich der UKP-Laseranwendungen und fokussiert sich auf 2 µm-Systeme. Entstehen sollen optische und mechanische Designs, die gemeinsam von den beteiligten Partnern, darunter auch asphericon, entwickelt und realisiert werden.
Im Fokus stehen unter anderem:
Öffner-Strecker-Systeme, die Pulse im 2 µm-Bereich mit aberrationsfreier Präzision strecken und formen
Abbildung 3: Das optimierte Design auf Basis von Freiformoptiken erweitert das klassische Öffner-Strecker-Konzept, ermöglicht größere spektrale Bandbreiten und eine verbesserte Strahlqualität. Der Geometriewechsel von sphärischen zu komplexen Spiegelgeometrien erlaubt zudem die Integration nicht austauschbarer Komponenten wie Gitter sowie Spiegel mit hohem Aspektverhältnis in kompakter Bauform.
Spektral-Kollimatoren für stabile Phasensteuerung über erweiterte Bandbreiten
Abbildung 4: Das kompakte System mit gefaltetem Strahlengang verbessert die Strahlqualität und sorgt für eine homogene Ausleuchtung des Spatial Light Modulators (SLM). Eine hohe numerische Apertur (NA) und die anspruchsvolle Optikgeometrie ermöglichen eine präzise spektrale Kontrolle bei gleichzeitig reduzierter Baugröße.
Koppeloptiken, die effiziente Mehrwellenlängen-Faserkopplungen ermöglichen
Abbildung 5: Ein sensitivitätsoptimiertes Design ermöglicht die verlustarme Einkopplung von Pumplicht aus Multimode-Fasern in aktive Laserfasern bei gleichzeitiger Kollimation des Laserausgangs. Asphären mit hoher NA, spezifische Beschichtungen und Aberrationskompensation gewährleisten eine hohe Kopplungseffizienz für verschiedene Pumpwellenlängen.
2 µm-Bonding-Objektive zur Fokussierung gepulster Strahlung durch Siliziumsubstrate, etwa beim Wafer-Bonding oder der Mikromontage
Abbildung 6: Das für den IR-Bereich optimierte System ermöglicht nahezu beugungsbegrenzte Fokussierung durch Siliziumdicken von 0,25 - 1 mm. Durch speziell ausgewählte Materialien und Beschichtungen mit hoher Transmission bei 2 µm sowie flexible Systemkonfigurationen eignet sich das Objektiv für Wafer-Bonding und Mikromontageprozesse.
Diese Entwicklungen adressieren direkt die zuvor beschriebenen Herausforderungen. Sie verbessern die Materialverfügbarkeit, erhöhen die Prozessstabilität und schaffen optische Komponenten, die für 2-µm-Anwendungen bisher nicht existierten. Damit leistet UKPiño einen entscheidenden Beitrag zur technologischen Reife künftiger MIR-Lasersysteme. Weitere Informationen zum Projekt finden Sie unter: https://www.ukpino.com/
Ein Blick in die Zukunft
Langfristig bietet der 2 µm-Bereich ein enormes Potenzial, nicht nur als Nischenlösung, sondern als Technologieplattform für die nächste Generation laserbasierter Anwendungen. 2 µm-Technologie kombiniert Präzision, Sicherheit und neue Materialinteraktionen in einem Wellenlängenbereich, der bisher kaum genutzt wurde. Ihre Entwicklung steht an einem Punkt, an dem Forschung und industrielle Umsetzung zusammenwachsen. Projekte wie UKPiño verfolgen das Ziel, diese Brücke aktiv zu schlagen.
