Aktuelles › Fraun­ho­fer IOF • »Applied Pho­to­nics Award 2021« – Preis­ver­lei­hung mit Nobel­preis­trä­ger Rein­hard Genzel

Beste Bache­lor­ar­beit (1.000 €)

Kat­rin Bihr (Hoch­schule Furt­wan­gen): »Tie­fen­mes­sung in endo­sko­pi­schen 3D-Systemen«

Unter Endo­sko­pie ver­steht man die Unter­su­chung und Aus­leuch­tung von Hohl­or­ga­nen oder des Kör­per­in­ne­ren mit­hilfe eines medi­zi­ni­schen Instru­men­tes, dem soge­nann­ten »Endo­skop«. Ste­reo­en­do­skope bestehen dabei aus zwei Kame­ras und ermög­li­chen eine drei­di­men­sio­nale Sicht. Jedoch kön­nen beim Ein­satz von 3D-Endo­sko­pen Distan­zen und Grö­ßen über die Tie­fen­wahr­neh­mung des Instru­men­tes vom Ope­ra­teur der­zeit nur grob abge­schätzt wer­den. Dies beein­träch­tigt die objek­tive Doku­men­ta­tion eines Befun­des. Im Rah­men ihrer Bache­lor­ar­beit hat Kat­rin Bihr ein Ver­fah­ren ent­wi­ckelt, mit dem die Tiefe eines Objekt­punk­tes vor dem Endo­skop bestimmt wer­den kann. Die Mög­lich­keit, Gewebe und Tumore im Inne­ren des Kör­pers zu ver­mes­sen, kann einen gro­ßen Fort­schritt für Dia­gnos­tik und Behand­lung in der Medi­zin bedeu­ten. Hier­durch kön­nen z. B. Ver­fah­ren in der Krebs­the­ra­pie scho­nen­der oder ziel­ge­rich­te­ter durch­ge­führt wer­den. Doch der Ansatz zur Tie­fen­mes­sung ist auch über den Bereich der Endo­sko­pie hin­aus anwend­bar: Ste­reo­ka­me­ra­sys­teme kön­nen poten­zi­ell über­all dort zur Anwen­dung kom­men, wo die Kame­ra­po­si­tion rela­tiv zur Objekt­ober­flä­che fixiert ist und nur ein klei­ner Raum zur Ver­fü­gung steht.

Beste Mas­ter­ar­beit (2.000 €)

Luise Hoff­mann (Tech­ni­sche Uni­ver­si­tät Claus­thal): »Her­stel­lung und Cha­rak­te­ri­sie­rung von Fem­to­se­kun­den­la­ser-legier­ten Nickel­netz­elek­tro­den für die alka­li­sche Wasserelektrolyse«

Fem­to­se­kun­den­la­ser bie­ten ein brei­tes Anwen­dungs­spek­trum in der Medi­zin und Mess­tech­nik. Doch auch im Bereich der Mate­ri­al­be­ar­bei­tung rücken sie immer wei­ter in den Fokus. Ins­be­son­dere bei der Ober­flä­chen­be­ar­bei­tung ermög­licht die Modi­fi­ka­tion deren phy­si­ka­li­scher Eigen­schaf­ten neue Anwen­dungs­be­rei­che für ver­schie­denste Mate­ria­lien wie Halb­lei­ter, Glä­ser und Metalle.

Luise Hoff­mann stellt in ihrer Mas­ter­ar­beit ein neu­ent­wi­ckel­tes drei­stu­fi­ges Fem­to­se­kun­den­la­ser-Legie­rungs­ver­fah­ren vor. Hier­bei wird das Kata­ly­sa­tor­ma­te­rial aus dün­nen Folien in die Ober­flä­che ein­ge­ar­bei­tet. Die von Hoff­mann vor­ge­stellte Methode wird ange­wen­det, um neben der Erzeu­gung einer struk­tu­rier­ten Ober­flä­che sta­bile Metall­le­gie­run­gen aus Molyb­dän als Kata­ly­sa­tor auf Nickel­netz­elek­tro­den für die Was­ser­stoff­ent­wick­lungs­seite (HER) in der alka­li­schen Was­ser­elek­tro­lyse (AEL) herzustellen.

Aus dem von Hoff­mann ent­wi­ckel­ten Ver­fah­ren ergibt sich eine Viel­zahl von wei­te­ren Anwen­dungs­ge­bie­ten, wel­che auch für den indus­tri­el­len Bereich von Inter­esse sind. Auf­grund gegen­wär­ti­ger kli­ma­po­li­ti­scher Ziele liegt ein Haupt­au­gen­merk aktu­el­ler For­schung auf der Erzeu­gung und Spei­che­rung von Was­ser­stoff, um elek­tro­che­mi­sche Ver­lus­t­er­schei­nun­gen zu minimieren.

Beste Dis­ser­ta­tion (3.000 €)

Dr. Tobias Schna­bel (Bau­haus-Uni­ver­si­tät Wei­mar): »Pho­to­ka­ta­ly­ti­scher Abbau von phar­ma­zeu­ti­schen Mikro­schad­stof­fen an trä­ger­ge­bun­de­nen Katalysatoren«

Schad­stoffe in unse­rem Abwas­ser, die nur gering­fü­gig bis gar nicht durch die kom­mu­na­len Klär­an­la­gen ent­fernt wer­den kön­nen, bezeich­nen wir als »anthro­po­gene Mikro­schad­stoffe«. Wie das Was­ser mit­hilfe eines pho­to­ni­schen Sys­tems gerei­nigt wer­den kann, schil­dert Dr. Tobias Schna­bel in sei­ner Dis­ser­ta­tion. Schna­bels Arbeit beschäf­tigt sich mit der Nut­zung von UV‑A LEDs als Anre­gungs­quelle für trä­ger­ge­bun­dene Pho­to­ka­ta­ly­sa­to­ren. Hierzu wur­den neue Reak­ti­ons­kon­zepte und Kata­ly­sa­to­ren für die Oxi­da­tion von phar­ma­zeu­ti­schen Mikro­schad­stof­fen in der Matrix des kom­mu­na­len Abwas­sers ent­wi­ckelt und unter­sucht. Im Rah­men der Arbeit wurde ein pho­to­ni­sches Sys­tem für die kalte Ver­bren­nung (»pho­to­ka­ta­ly­ti­sche Oxi­da­tion«) von Phar­maka im Ablauf kom­mu­na­ler Klär­an­la­gen ent­wi­ckelt, auf­ge­baut und unter rea­len Bedin­gun­gen getes­tet. Die Ergeb­nisse haben gezeigt, dass es mit rela­tiv klei­nem Ener­gie­be­darf mög­lich ist kom­mu­na­les Abwas­ser mit einem pho­to­ka­ta­ly­ti­schen Sys­tem zu reinigen.

Preis der Jury für beson­dere Anwen­dungs­po­ten­ziale (1.500 €)

Dr. Chris­toph Stih­ler (Fried­rich-Schil­ler-Uni­ver­si­tät Jena): »Trans­verse mode insta­bi­lity – Insights into modal energy trans­fer in high-power fiber lasers«

Durch ihre ein­zig­ar­ti­gen Eigen­schaf­ten ermög­li­chen Faser­la­ser schon heute eine Viel­zahl von Anwen­dun­gen. Mit­tels einer spe­zi­el­len dün­nen Glas­fa­ser und dem Prin­zip der Licht­lei­tung wird hoch­en­er­ge­ti­sche Laser­strah­lung erzeugt. Diese Strah­lung hat im Ver­gleich zu der von ande­ren Laser­tech­no­lo­gien eine äußerst hohe Strahl­qua­li­tät und kann damit auf eine extrem kleine Flä­che fokus­siert wer­den. Dadurch kön­nen Anwen­dun­gen mit höchs­ter Prä­zi­sion durch­ge­führt wer­den. Zudem ermög­licht die große Ober­flä­che der Faser eine effi­zi­ente Küh­lung. In der Ver­gan­gen­heit konnte so die Durch­schnitts­leis­tung von Faser­la­sern nahezu expo­nen­ti­ell gestei­gert wer­den, ohne auf die her­vor­ra­gende Strahl­qua­li­tät ver­zich­ten zu müs­sen. 2010 stoppte diese Ent­wick­lung jedoch abrupt. Faser­la­ser waren in einen Leis­tungs­be­reich vor­ge­drun­gen, in dem ein neu­ar­ti­ger ther­mi­scher Effekt zu beob­ach­ten war. Die­ser führte dazu, dass zeit­li­che und räum­li­che Fluk­tua­tio­nen das sonst so sta­bile und ideale Strahl­pro­fil des Faser­la­sers zer­stör­ten. Seit­her behin­dert das Phä­no­men der soge­nann­ten »trans­ver­sa­len Moden­in­sta­bi­li­tät« (TMI) eine wei­tere Stei­ge­rung der Leis­tung von Faser­la­sern mit idea­ler Strahlqualität.

Mit sei­ner Dok­tor­ar­bei­tet will Dr. Chris­toph Stih­ler zu einem fun­da­men­ta­len Ver­ständ­nis der Moden­in­sta­bi­li­tät und damit der Über­win­dung der sich aus ihr erge­ben­den Beschrän­kun­gen bei­tra­gen. Mit sei­nen Erkennt­nis­sen hat er neue Stra­te­gien zur Unter­drü­ckung von TMI ent­wi­ckelt und damit den Weg für die wei­tere Leis­tungs­ska­lie­rung von Faser­la­sern geeb­net. Die höhere Durch­schnitts­leis­tung bei idea­ler Strahl­qua­li­tät hat viel­fäl­tige Anwen­dungs­po­ten­ziale, dar­un­ter die Besei­ti­gung von Well­traum­schrott durch den Beschuss von Trüm­mer­tei­len mit leis­tungs­star­ken boden- oder satel­li­ten­ge­stütz­ten Lasern.