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Photonik

In aller Kürze

Photonik umfasst alle Anwendungen optischer Technologien. Licht transportiert dabei nicht nur Informationen in Glasfaserkabeln, sondern hilft auch bei der Herstellung und Verarbeitung von Werkstoffen, neuen und energiesparenden Möglichkeiten zur Beleuchtung oder der abhörsicheren (Quanten-)Kommunikation.

Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts

Photonik, also die technische Nutzung des Lichts, ermöglicht unzählige Anwendungen im industriellen und privaten Bereich, die ohne diese Schlüsseltechnologie undenkbar wären: Licht hilft in der Medizin, Licht produziert Gegenstände, Licht lässt uns Dinge sehen, die zu klein sind, um sie mit bloßem Auge zu erkennen. Und Licht sorgt dafür, dass wir nachts sicher nach Hause kommen. Die unerschöpflichen Möglichkeiten von Licht für die unterschiedlichsten Zwecke zu erforschen, das ist Aufgabe der Photonik.
Photonische Lösungen und besonders Laserlösungen finden sich in den unterschiedlichsten Anwendungsfeldern: von der Kommunikation und dem Gesundheitswesen über die Materialverarbeitung in der Produktion, die Beleuchtung und die Energie- und Batterietechnik bis hin zu sensorischen Lösungen in der Agrar- und Mobilitätstechnik. Doch das volle Umwälzungspotenzial der Photonik ist bei weitem nicht ausgeschöpft.

Die Beherrschung des Lichts

Photonik ist die technische Beherrschung von Licht in jeder Form. Der Begriff „Photonik“ stellt eine Verbindung zum Photon her, dem Lichtteilchen. Licht besitzt eine Reihe außergewöhnlicher Eigenschaften, die man sich mit Hilfe der Photonik zu Nutze machen weiß:

  • Fokussierbarkeit bis auf die Einheit Nanometer (der millionste Teil eines Millimeters)
  • Lichtgeschwindigkeit
  • Kürzeste Pulse bis zur Attosekunde (der milliardsten Teil einer milliardstel Sekunde)
  • Höchste Leistungen bis zur Einheit Petawatt (Milliarden von Megawatt)
  • Ungestörte Überlagerungsfähigkeit (Terabit pro Sekunde)

Branchenstruktur

Photonik ist zu einem der wichtigsten Innovationstreiber für die moderne Gesellschaft und Wirtschaft geworden: sie stellt heute einen global umworbenen, hoch dynamischen Weltmarkt mit einem Umsatzvolumen von ca. 250 Milliarden Euro dar. Photonikproduzenten in Deutschland sind zum großen Teil mittelständische Unternehmen mit spezialisierten Produktportfolios, mit denen Systemintegratoren in verschiedensten Anwendungsfeldern bedient werden können. Die Photonik-Branche ist heute eine globale Hightech-Industrie mit überdurchschnittlichen Wachstumsraten. Automobilhersteller, Maschinenbauer, Life-Sciences-Firmen oder Hersteller von Medizinprodukten verlangen von den Herstellern maßgeschneiderte optische Lösungen, die ein hohes Knowhow und Qualitätsbewusstsein verlangen. Wichtige Anwendungsfelder sind daher Produktionstechnik, Messtechnik, Medizintechnik, Kommunikationstechnik, Informationstechnik sowie Sicherheit und Verteidigung.


Produkte & Technologien

  • Lasertechnik
  • LEDs und OLEDs
  • Glasfasern (Leitungs- und Informationsübertragung)
  • Kameras
  • Mikroskope und Endoskope
  • Optische Sensoren

Anwendungsfelder

Oberflächentechnik

Mithilfe von Ultrakurzpulslasern, UKP, lässt sich jede Art von Werkstoff unabhängig seiner Absorptionseigenschaften und thermomechanischen Kennwerten mit höchster Präzision im Nanometerbereich bearbeiten. Sie erreichen Pulsdauern von einigen 10 Femtosekunden bis zu einigen Pikosekunden, während die Pulsspitzenleistung bis in den Gigawattbereich ansteigen kann. Sogenannte Multistrahlanordnungen kombiniert mit einer Polygon-Scantechnik sorgen für die Umsetzbarkeit von bis zu einigen 100 W Leistung.

Möglichkeiten eines UKP

  • Bohrungen im Submikrometerbereich
  • Fertigung von Vernebler-Düsen in der Medizintechnik
  • Großflächige Oberflächenstrukturierungen in tribologischen Anwendungen
  • Bearbeitung transparenter Werkstoffe (Glas, Saphir)
  • Selektives Laserabtragen und -polieren in der Optikfertigung
  • Selective Laser ETCHING zur Herstellung von hochgenauen Glas-Interposern oder Ionenfallen (Quantencomputing)
Additive Fertigung

Laserverfahren ermöglichen bereits jetzt eine durchgängige in-situ-Überwachung eines Fertigungsprozesses. Dabei ist es zusätzlich möglich, dass jedes einzelne Photon selektiv angesteuert werden kann und in der Lage ist digital Prozesse zu adressieren. Aus diesem Grund sind Laserverfahren im Bereich der additiven Fertigung das Mittel der Wahl: Durch sie lassen sich Bauteile Schicht für Schicht additiv fertigen. Dabei werden sowohl polymere Werkstoffe in der Stereolithographie und im Selective Laser Sintering als auch metallische Werkstoffe im Laser Powder Bed Fusion Prozess oder im Laserauftragsschweißen eingesetzt. Vereinfacht gesagt: ein Zusatzwerkstoff wird als Pulver vom Laser aufgeschmolzen und mit dem Grundwerkstoff verbunden. So können mittels Laserauftragschweißen diverse Bauteile repariert oder beschichtet werden.

Innovationen

  • Multistrahlprozesse beim Laserstrahlschweißen und -schneiden
    • Produktivitätssteigerung, Prozessverbesserung und Fehlervermeidung
  • Kohärente Strahlkopplung
    • Neue Fertigungsansätze mittels KI und Machine Learning
  • Spatial Light Modulatoren
    • Neue Fertigungsansätze mittels KI und Machine Learning
Medizintechnik

Frühdiagnosen und die richtige Folgebehandlung werden durch den Einsatz von Biophotonik immer genauer. Mittels hochauflösender optischer Raman-Spektroskopie werden bereits einzelne Mikroorganismen für eine effiziente Gesundheitsdiagnostik, Luft- und Bodenkontrolle sowie Lebensmittelanalytik nutzbar. Diese Form der Spektroskopie ist auch in der Lage Zellen, wie z. B. Tumorzellen zu klassifizieren.
Neuartige Lichtmikroskope erlauben den Blick in die lebende Zelle, so dass es sogar möglich ist, die Wirkung eines Medikaments in der Zelle zu beobachten. Im Operationssaal schaffen Endoskope und Laser die Möglichkeit zu Operationen, die kaum noch belastend für den Menschen sind.
Ein weiteres Feld ist die Herstellung medizinischer Implantate, die durch den Einsatz von Laserverfahren erzeugt werden können, z. B. Hüftgelenke.
Ein weiteres Feld ist die Herstellung medizinischer Implantate, die durch den Einsatz von Laserverfahren erzeugt werden können, z. B. Hüftgelenke.

Nutzen in der Zukunft

  • Laser-Zelldruck (Herstellung künstlicher Organe)
  • Präzisions-Laserverfahren
    • Herstellung von Wasserfiltern zur Entfernung von Mikroplastik
    • Überwachung der Wasser- und Nährstoffversorgung im Agrarbereich
Industrie

Photonische und lasertechnische Werkzeuge sind bereits heute in vielen Anwendungen zu finden. Durch neue Wellenlängen kann die Energiedeposition in Laserfertigungsprozessen exakt an die zu bearbeitenden Werkstoffe angepasst werden, was zu einer ressourcen- und kostenschonenderen Produktion führt und Laserverfahren umso attraktiver für die industrielle Fertigung werden lässt.

Die Miniaturisierung von Strahlquellen und optischen Komponenten macht diese für Sensorik und Datentechnik vielseitig einsetzbar: Es entstehen PICs (Photonic Integrated Circuits). Darunter fallen z. B. die Bereiche rund um LiDAR für autonomes Fahren oder die Lebensmittelmesstechnik.

Technologie für eine bessere Zukunft: In der Industrie wie auch im Alltag

Die Photonik bietet zahlreiche Ansätze zur Lösung drängender gesellschaftlicher Fragen und trägt dazu bei, Zukunftsfelder für eine ressourcenschonende Wirtschaft zu gestalten.

Licht dient im Alltag vor allem der Beleuchtung. Inzwischen fließt etwa 20 Prozent der erzeugten Energie in die Beleuchtung. Eine herkömmliche Glühbirne wandelt den Strom zu 95 % in Wärme um, davon allerdings nur 5 % in Licht. Die Photonik hat an dieser Stelle die Aufgabe, Leuchtmittel zu entwickeln, die deutlich weniger Strom verbrauchen und dabei über eine lange Lebensdauer und helles wie angenehmes Licht verfügen. Wir kennen dieses Leuchtmittel bereits in unserem Alltag: die LED. und sie befindet sich in stetiger Weiterentwicklung.

Auch in der Industrie wird Photonik genutzt, um nicht nur effizienter zu arbeiten und zu produzieren, sondern auch um die vorhandenen Ressourcen zu schonen: In der Produktion wird schon seit längerer Zeit mit Lasern gemessen und geschnitten. Neu ist die Produktion in Laser-Sinter-Anlagen, aus der sich neuartige Möglichkeiten ergeben, und Produktion energiesparender und flexibler gestaltet werden kann.