"banner top"

Der Januskopf der angewandten Forschung

Download

Die Zusammenarbeit der BFH-TI mit dem Institut für Angewandte Physik (IAP) der Universität Bern im Bereich Laser und Laser-Material-Wechselwirkung hat eine lange Tradition und ist bottom-up entstanden, manchmal mit leichtem, auf «Purismus» basierendem Widerstand der Institutionen. Die Forscher, die an angewandten Projekten arbeiteten, erkannten aber schnell, dass die erfolgreiche Lösung einer angewandten Forschungsaufgabe immer zwei komplementäre Seiten hat: das grundsätzliche Verstehen der Vorgänge einerseits und deren Anwendung andererseits.

Für das grundsätzliche Verstehen, das nahe an der Grundlagenforschung steht, sind die Universitäten zuständig. Die Fachhochschulen sind darin spezialisiert, grundsätzlich Verstandenes erfolgreich anzuwenden. Beide Aufgaben bilden ein Ganzes, und wie bei einem Januskopf schaut der eine Teil, die Universität, nach hinten, zur Grundlage hin, während der andere, die Fachhochschule, nach vorne blickt und die gesellschaftliche und industrielle Relevanz einer Anwendung sucht.
Wurde nämlich die optische Glasfaser früher vorwiegend für die optische Kommunikation verwendet, ist sie heute Kernstück vieler moderner Laser sowohl für die Generierung von Laserlicht wie auch für dessen Zuführung zum Werkstück.

Mit der richtigen Aufgabenteilung geht es zusammen besser
Die Zusammenarbeit zwischen dem Institut ALPS der BFH-TI und dem IAP der Universität Bern ist in letzter Zeit enger geworden. Die Konkretisierung dieser Zusammenarbeit ist ein gemeinsames Kompetenzzentrum für Fasern und Faserlaser, welches aus zwei Labors besteht: eines am IAP in Bern und eines an der BFH-TI in Burgdorf. Die Aufgabenteilung besteht weitgehend darin, dass am IAP grundlegende Untersuchungen an Fasern gemacht sowie neue Faserlasersysteme konzipiert werden, während an der BFH-TI deren Integration in Maschinen studiert und durchgeführt wird. Die Zusammenarbeit geht viel weiter als bei gewöhnlichen Projektkooperationen: Zwar bilden die Forschungsprojekte deren Grundlage, aber die Durchführung erfolgt in sehr enger Abstimmung, nicht zuletzt durch die «Personalunion» des Leiters der beiden Labors. Die beiden Teams betreiben auch einen Faserziehturm am IAP, mit dem sie in Zusammenarbeit mit der Industrie Prototypen neuartiger, mikrostrukturierter Glasfasern herstellen. Zwar werden derzeit viele der untersuchten Faserlasersysteme mit kommerziell erhältlichen Glasfasern hergestellt, aber in absehbarer Zeit sollen eigene Glasfasern dazu gezogen und eingesetzt werden. Dabei rücken auch in der Lehre gemeinsame Aktivitäten in die Nähe.

Infrarotbild der aktiven Faser in einem Ytterbium Faserlaser. Obwohl die Faser 10 Watt Leistung emittiert, braucht sie nicht gekühlt zu werden. Um dies zu veranschaulichen, ist sie lose auf einer Plastikrolle aufgerollt. Foto: IAP Bern

Auf Sand bauen ist nicht immer schlecht
Eines der Vorhaben der beiden Institutionen ist sprichwörtlich auf «auf Sand gebaut» – zwar nicht ganz im Sinne der Redensart, aber dem Inhalt nach sehr treffend. Eine kreative kleine Firma aus Boudry, die Firma Silitec, hatte nämlich aus Kostenspargründen nach einer Möglichkeit gesucht, optische Glasfasern günstiger bei gleichbleibender Qualität herzustellen. Dazu entwickelte und patentierte sie einen Prozess, bei dem die Herstellung der nichtkritischen Teile der Faservorform auf der Grundlage von reinstem Quarzsand erfolgt. Das senkt die Kosten und stachelt die Phantasie der Forscher an! Mit Hilfe dieser Methode ist es sehr einfach, mikrostrukturierte Fasern herzustellen. Die Strukturen ersetzen den einfachen Brechungsindexsprung traditioneller Glasfasern und ermöglichen die Leitung von Licht im Faserkern. Solche Fasern basieren auf einem genialen Einfall von Forschern des MIT in den späten 80er Jahren, nämlich dem photonischen Kristalleffekt. Insbesondere kann man solchen Fasern eine Eigenschaft einprägen, welche für die Materialbearbeitung von Interesse ist: Bei entsprechender Struktur kann man deren Kern vergrössern, ohne dass die Strahlqualität leidet. Das ist interessant, weil dadurch das Licht mit erheblich weniger nichtlinearen Effekten transportiert werden kann. Am liebsten möchte man den Kerndurchmesser auf mehrere Hundertstel oder sogar einem Zehntel statt einiger Tausendstel Millimeter vergrössern. Tut man dies bei einer traditionellen Faser, so hat man die Wahl zwischen dem Teufel und dem Belzebub: Entweder verschlechtert man die Strahlqualität oder die Strahlung kann vor allem an Biegestellen nicht mehr im Kern gehalten werden und tritt aus der Faser aus. Mikrostrukturierte Fasern helfen da weiter: Es gibt spezielle Lochmuster um den Kern, welche erlauben, den Kern zu vergrössern ohne dass sich damit die Strahlqualität beim Transport verschlechtert (photonische Kristallfasern und Leakage-Channel-Fasern).

Infrarotbild eines Ytterbium Faserlasers Foto: IAP Bern
Preform einer mikrostrukturierten optischen Glasfaser, Foto: Silitec SA

Heute passiv…
Passive Fasern solcher Art sind am IAP in Zusammenarbeit mit der Firma Silitec entwickelt und an der BFH getestet und erfolgreich eingesetzt worden. Sie bilden eine mögliche Grundlage, um Laser in Maschinen zu integrieren, und zwar mit wesentlichen Erleichterungen und mehr Flexibilität beim Design durch die flexible Strahlführung und mit grösserer Augensicherheit für den Benutzer. … morgen aktiv Ja, und wie ist es mit aktiven Fasern? Aktive Fasern sind Fasern, deren Kern mit einem Material dotiert ist, welches erlaubt, im Faserkern direkt Laserlicht zu generieren oder zu verstärken. Auch diese sollten von der Sandmethode profitieren können. Das notwendige Dotierungsmaterial kann als Pulver dem Quarzsand im passenden Verhältnis beigemischt werden. Damit man hat in Stunden statt in Wochen eine fertige Faser mit einer Struktur, die anders derzeit nicht erzeugbar ist. Dieses einfache Prinzip funktioniert tatsächlich und ist am IAP nachgewiesen worden. Die Verluste sind jedoch noch höher als erwünscht, aber wir sind auf gutem Weg.