18.08.2014

Beispiel aus der Praxis: Ultrakurzpulslaser

Anwendungen in Grundlagenforschung, Medizin und Industrie


Ultrakurzpulslaser (UKL) finden nicht mehr nur in den Laboren der Grundlagenforscher ihre Anwendung. Sie haben bereits Einzug in der Industrie (Trennen, Oberflächenbearbeitung und Strukturerkennung) und der Medizintechnik gehalten. In der Medizintechnik werden sie unter anderem zur Erkennung von Krebszellen eingesetzt. Mit einem speziellen Mikroskop, das die Strahlung eines UKL einsetzt, kann durch die kurze Wellenlänge des Lasers eine deutlich größere Auflösung erzielt und somit einzelne Zelltypen unterschieden werden. Dadurch ist es möglich, gesunde Zellen von Tumorzellen zu unterscheiden.

Anforderungen

Für eine Anlage zur Erzeugung  hochenergetischer UKL-Pulse sind lithografisch strukturierte Gitter zur spektralen Zerlegung bzw. Zusammenführung des Lasers im einstelligen Nanometer-Bereich zu positionieren. Dabei sind Justierfreiheitsgrade bis 70 nm bzw. 80 µrad notwendig. Die zu justierende Masse kann bis zu 20 kg betragen. Hierzu ist eine Ansteuerung von 5 Achsen, 2 translatorische und 3 rotatorische, notwendig, die überdies die Möglichkeit bietet, das Halten der Position sensorisch zu überwachen. Der erreichte Justierzustand muss langzeitstabil, mit Unsicherheiten im Nanometer-Bereich, fixierbar sein. Weiterhin ist ein modularer Aufbau der Anlage erforderlich.

Realisierung

Ein Laboraufbau, mit einem Hexapod-System zur Positionierung, konnte diese Spezifikationen nicht erfüllen. Hexapod Justiersysteme erlauben eine sehr bequeme mehrdimensionale Justage, erfüllen aber nicht die hohen Anforderungen an die Langzeitstabilität im Nanometer-Bereich. Deshalb wurde eine Lösung mit Hexpod vom Kunden ausgeschlossen.

Um die geforderte Langzeitstabilität zu erreichen, wurde ein sehr kompakter Aufbau gewählt. Damit kann jede Achse nach der „Grobpositionierung“ (die bereits auf wenige µm genau positioniert) fixiert werden. Ein Transport und Handling des Rahmens nach Abschluss der Grobpositionierung soll somit erreicht werden. Aufgrund der hohen Genauigkeit der Grobpositionierung können zur aktiven Feinjustage Piezo-Aktoren mit geringem Hub aber hoher Steifigkeit und Stabilität gewählt werden. Durch den kompakten Aufbau ist diese Gitterjustagestation für eine modulare Auslegung mit einer größeren Anzahl an Gittern geeignet.

Ergebnis

  • sehr stabiler Aufbau mit temperaturangepasstem Substrat zum Gitter
  • Grobpositionierung auf ±5 µm, die Grobpositionierung ist bereits langzeitstabil
  • Feinpositionierung mit intern vorgespannten Piezo-Aktoren
  • punktuelle Zug- und Druckkräfte gewährleisten, dass keine Spannungen, Verspannungen auf die Gitterstruktur einwirken
  • die Piezo-Aktoren werden durchschnittlich mit 25% ihres maximalen Hubes betrieben (maximal 50%)
  • Erhöhung der Lebensdauer
  • ausreichende Nachregelreserve verfügbar
  • Verwendung einheitlicher Antriebe und der zugehörigen Steuerelektronik
  • Voraussetzungen für eine kostengünstige Skalierbarkeit

An einem ersten Laboraufbau konnten Regelbewegungen von wenigen Nanometern nachgewiesen werden. Diese Parameter können bei aktiver Regelung theoretisch unbegrenzt lange gehalten werden. Positionssprünge bis hinab zu einem Nanometer waren problemlos möglich und reproduzierbar.

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