Jahresbericht 2007 - 2009 (PDF 2,9 MB)

Transcription

Laser- und Medizin-Technologie GmbH, Berlin
Jahresbericht für die Geschäftsjahre 2007/2008 und 2008/2009
In Kooperation mit den drei Berliner Universitäten
Freie Universität Berlin
Technische Universität Berlin
Humboldt-Universität zu Berlin
im Rahmen des Kooperationsvertrages zwischen
LMTB / FU, HU, TU
vom 26.2.1997
September 2010
© Laser-und Medizin-Technologie GmbH, Berlin
Fabeckstr. 60 – 62
14195 Berlin
Tel.: +49 (0) 30 844 923 0
Fax: +49 (0) 30 844 923 99
info(at)lmtb.de
www.lmtb.de
ISBN 978-3-86624-507-5
Gestaltung und Layout: Dipl.-Phys. Oliver Lux
Inhaltsverzeichnis
4
Vorwort
9
25 Jahre LMTB
17
Dienstleistungen
20
24
Applikationslabor und laseroptische Komponenten
Biomedizinische Optik und Medizintechnik
29
Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten
29
32
37
41
44
48
52
55
Biomedizinische Optik
Lichtausbreitung in biologischen Geweben
Optische Reinigungskontrolle
Früherkennung der rheumatoiden Arthritis
Mobiles In-vivo-Laserscanningmikroskop
Optisches Screening für die molekulare Wirkstoffforschung
Intraoperative Fluoreszenzbildgebung
CO2-Laser-Alternativen in der Chirurgie
58
61
65
68
75
Angewandte Lasertechnik
Mikrobearbeitung spröder und transparenter Materialien
Selektiver Abtrag dünner Schichten für die Photovoltaik
Spannungsfreie und spannungsarme Innenmarkierung
Laseroptische Systemkomponenten für die Mikrobearbeitung
79
Weiterbildungsangebote
83
Fakten
83
84
86
87
90
92
98
Organisationsstruktur
Geschäftsführung, Aufsichtsrat und Gesellschafter
Laufende öffentlich finanzierte Projekte
Kooperationspartner und Netzwerke
Examensarbeiten
Aktive Patente
Umzug und Standortentwicklung
3
Vorwort
Das gemeinnützige Institut LMTB –
Laser- und Medizin-Technologie – ist
Nahtstelle zwischen Kliniken, Forschungsinstituten und Wirtschaft. Im breiten Gesellschafterkreis sind Mittelständler neben Konzernen … vertreten. Damit ist die
LMTB ein Abbild der Photonikszene in der
Hauptstadt.
Financial Times Deutschland
vom 07.01.2010
50 Jahre Laser – 25 Jahre LMTB
Auch im fünfzigsten Jahr erschließen sich
Laser immer neue Anwendungen in einer
schier unübersehbaren Vielfalt. Zum einen
sinken bei kontinuierlicher Leistungssteigerung die Kosten, zum anderen eröffnen
sich viele qualitativ völlig neuartige Möglichkeiten. So durchdringen etwa derzeit
die Ultrakurzpulslaser sowohl die medizinische Diagnostik wie die Materialbearbeitung. In jedem Fall müssen aber für einen
erfolgreichen Einsatz passende laseroptische Komponenten und Applikationen
entwickelt werden, und dafür ist die LMTB
seit nunmehr 25 Jahren ein hervorragender Partner für Medizin und Industrie.
Die LMTB wurde 1985 auf Betreiben von
Industrieunternehmen als erstes deutsches Lasermedizinzentrum mit starker
Unterstützung des Landes Berlin gegründet, um die Lasermedizin voran zu treiben.
Die heutige LMTB ist 1995 durch Zusam4
menschluss des LMZ mit dem Festkörperlaserinstitut entstanden, das seit 1987 mit
seinen Forschungen zur führenden Positionierung deutscher Laserhersteller am
Weltmarkt beigetragen hat.
In der Biomedizin erlangt neben den Lasertherapien eine Vielzahl möglicher diagnostischer Laseranwendungen immer
stärkere Bedeutung, und so ist der Bereich
Biomedizinische Optik / Medizintechnik
der LMTB heute vor allem mit der Entwicklung innovativer medizinischer Diagnostik
beschäftigt. Dies wird durch die vorhandene Wissensbasis über das tiefgreifende
Verständnis der Lichtausbreitung in biologischen Geweben ermöglicht, wie es für
die Entwicklung der Lasertherapie und
der entsprechenden Dosimetrie zentral
war. Zutaten für diese erfolgreiche Technologieplattform sind eine hervorragende
Kompetenz in Spektroskopie verbunden
Vorwort
mit der entsprechende Ausstattung, in
und Lasertechnologie gut positioniert. Dies
Jahrzehnten aufgebaute Datenbanken der
schlägt sich in einer erfolgreichen Zusam-
optischen Eigenschaften von Geweben
menarbeit mit der Industrie sowohl mit
sowie Erfahrungen in der Fertigung opti-
den Gesellschaftern der LMTB als auch mit
scher Standards und in der Beherrschung
externen Unternehmen nieder. Über 300
von Simulationsmethoden. Schließlich
Patentanmeldungen, davon über 185 ver-
bündelt die LMTB unter einem Dach alle
wertet, geben einen Hinweis auf Erfolge.
Fähigkeiten, um Geräte, auch zulassungs-
Auf Grund ihrer Historie wie ihres aktuellen
fähige Medizinprodukte, zu bauen. Die
Leistungsspektrums ist die LMTB einer der
Kompetenzen reichen dabei von Vorstudi-
wichtigen Berliner Inkubatoren im Schnitt-
en zu Schutzrechten, Risiken und Märkten
punkt von Biotech / Medtech / Pharma ei-
bis zur optischen, mechanischen und elek-
nerseits und den Optischen Technologien
tronischen Auslegung und Realisierung,
andererseits, also dort wo zwei der fünf
einschließlich der Softwareentwicklung.
Zukunftsfelder für die Innovationsstrategie
In ganz analoger Weise hat der Bereich
der Länder Berlin und Brandenburg zusam-
Angewandte Lasertechnik der LMTB sei-
mentreffen.
ne Schwerpunkte von der Entwicklung
Die bei der LMTB entwickelte Laserbohrop-
der Festkörperlaser zu den laseroptischen
tik ist in verschiedenen Varianten bei füh-
Komponenten und Applikationen verla-
renden Laser- und Lasersystemherstellern
gert. Ein Schwerpunkt ist hierbei die Bear-
im Einsatz, und als Nachweis erfolgreichen
beitung spröder Materialien wie Glas und
Technologietransfers konnte in 2010 ein Li-
Keramik, vor allem auch von Materialien
zenzvertrag abgeschlossen werden, der die
für die Photovoltaik.
weltweite Vermarktung zum Ziel hat.
Schon immer ist die Kernkompetenz der
Als Beispiel aus der Biomedizinischen
LMTB die Umsetzung wissenschaftlicher Er-
Optik sei hier das von der LMTB koor-
kenntnisse in neue Verfahren und Demons-
dinierte BMBF-Projekt „Optische Reini-
tratoren, um besonders mittelständische
gungskontrolle“ genannt, das neben den
Unternehmen zu stärken, Ausgründungen
akademischen Partnern von der TU Berlin
zu unterstützen und so Arbeitsplätze, ins-
Medizintechnikunternehmen, Messgeräte-
besondere auch in der Region Berlin-Bran-
hersteller bis hin zu Anwendern aus der
denburg, zu schaffen. Aber auch überregi-
Nahrungsmittelindustrie umfasst.
onal und international ist die LMTB in den
Im Vergleich mit anderen FuE-Einrichtun-
Hochtechnologiebranchen Medizintechnik
gen stellt die LMTB ein kompaktes und
5
Vorwort
6
effizientes Institut dar, das flexibel und
schnell Aufträge ausführen kann, und
darin Modellcharakter besitzt. Eine der
wesentlichen Stärken ist hierbei das motivierte Team: Die LMTB beschäftigt mit
Studenten und Doktoranden der Berliner
Fachhochschulen und Universitäten rund
40 hochqualifizierte Mitarbeiter. Dies
entspricht 27 Vollzeitstellen, von denen
22 dem wissenschaftlich-technischen Bereich zuzuordnen sind. Vermehrt werden
Kontakte auf europäischer und internationaler Ebene genutzt, etwa zur Columbia
University, New York, um weitere Postdocs
und Doktoranden zu gewinnen.
Die räumliche Zusammenlegung der beiden Geschäftsbereiche in Berlin Dahlem
ist Mitte 2010 erfolgt, so dass die ganze
LMTB mit verbesserter Ausstattung und
größerer innerer Effizienz an einem Standort zur Verfügung steht. Mit Unterstützung
des Bezirks Steglitz-Zehlendorf und der
umliegenden Wissenschaftseinrichtungen
ist beabsichtigt, an diesem Standort ein
Technologie-Center aufzubauen, um Ausgründungen Raum zu bieten.
Eine aktuelle Umfrage der Technologiestiftung Berlin zur Vernetzung der Forschungsinstitute und Laserfirmen hat
ergeben, dass die LMTB weit überdurchschnittlich als gewünschter Kooperationspartner angegeben wird. Sie steht an
siebter Stelle von insgesamt 64 Instituten
und Firmen mit wesentlich höheren Mitarbeiterzahlen, was die hohe Effektivität
der LMTB belegt.
Die Erfolge der LMTB beruhen auf der
Unterstützung durch die eigenen Gesellschafter, die wissenschaftlichen Partner,
wesentlich durch geeignete Förderprogramme des Bundes und vor allem des
Landes Berlin, denen an dieser Stelle für
den zurückgelegten Weg zu danken ist.
Wir schauen angesichts der weiterhin
stürmischen Entwicklung der Laser optimistisch in die Zukunft.
Dr. Gerd Illing
Sprecher der Geschäftsführung
Prof. Dr.-Ing. Hans Joachim Eichler
Wissenschaftlicher Geschäftsführer
Henrike Wilms studiert Physik und
führt bei der LMTB ihre Bachelorarbeit
durch. Sechs Monate lang experimentiert sie an einem Versuchsaufbau zur
ortsaufgelösten Messung der diffusen
Reflektion von trüben Medien im
infraroten Spektralbereich. Durch den
Vergleich von Messung und MonteCarlo-Simulation der Lichtausbreitung
können Absorptions- und Streukoeffizient des trüben Mediums getrennt
bestimmt werden. Ziel ihrer Arbeit ist
es, die Voraussetzungen für die Messung verschiedener physiologischer
Parameter zu schaffen.
25 Jahre LMTB
Die Laser- und Medizin-Technologie
Am 6. März 1985 wird ein Kooperations-
GmbH, Berlin blickt auf 25 Jahre erfolgrei-
vertrag zwischen der LMZ GmbH in Grün-
cher FuE-Tätigkeit und effektiven Techno-
dung, vertreten durch die Industriegesell-
logietransfers zurück. Die starke Stellung
schafter, und der Freien Universität Berlin
der heutigen LMTB auf zwei der wichtigs-
unterzeichnet. Die Firma wird am 21. Mai
ten Anwendungsfelder von Lasertechno-
in das Handelsregister Berlin eingetragen
logien spiegelt ihre Entstehung aus der Fu-
und Prof. Dr.-Ing. Gerhard Müller am 1.
sion von zwei Vorläufer-Instituten wider,
Juni 1985 zum Gründungsgeschäftsführer
die schon zuvor jedes auf seinem Gebiet
bestellt. Er nimmt mit den ersten Mitar-
Pionierleistungen erbracht hatten.
beitern in Räumen der Zentralen Tierlaboratorien der FU Berlin die Arbeit auf.
Im Herbst 1983 treffen sich Vertreter von
Am 15. August 1985 wird der Oberarzt Dr.
Politik, Wirtschaft und Universität auf Ein-
med. Hans-Peter Berlien als Medizinischer
ladung des VDI-Technologiezentrums in
Leiter eingestellt. Prof. Dr.-Ing. G. Mül-
Berlin und diskutieren die Idee der Grün-
ler wird zum 1. März 1986 auf eine Pro-
dung eines Lasermedizin-Zentrums. Eine
fessur (C4) für Biomedizinische Technik
Planungsgruppe aus VDI-TZ Berlin, der
mit Schwerpunkt Lasermedizin am Uni-
Senatsverwaltung für Wirtschaft und Ar-
versitätsklinikum Steglitz berufen. Damit
beit, dem Universitätsklinikum Steglitz
beginnt der Aufbau des Fachgebiets Bio-
der FU Berlin und den Medizintechnik-
medizinische Technik und Lasermedizin.
firmen Carl Zeiss Aesculap AG und MBB-
Im Sommer 1986 wird das Laser-Behand-
Medizintechnik entwickelt das Konzept
lungszentrum am Universitätsklinikum
für die neue Einrichtung. Die Aufgaben
Steglitz mit einem chirurgischen CO2-Laser
der geplanten Forschungseinrichtung sind
eröffnet.
die Verbreitung der Lasermedizin, die Erarbeitung von therapeutischen Leitlinien
Das Festkörper-Laser-Institut Berlin GmbH
und Grundlagen für die Zertifizierung der
(FLI) wird am 6. Dezember 1986 gegrün-
Ärzte im Sinne einer Qualitätssicherung
det. Seine Aufgaben sind die angewandte
sowie die Durchführung von angewandter
Forschung auf dem Gebiet der Festkörper-
Forschung und Entwicklung als Auftrags-
laser und lasertechnischer Komponenten
forschung. Der Name der neuen Gesell-
sowie die Weiterbildung von Physikern
schaft ist Laser-Medizin-Zentrum GmbH,
und Ingenieuren. Gründungsgesellschaf-
Berlin (LMZ).
ter sind die Firmen Carl Zeiss, Carl Haas,
9
25 Jahre LMTB
Trumpf Lasertechnik, MBB Medizintechnik,
Nach mehr als sechsmonatigen Verhand-
Schott-Glaswerke, Spektrum, die Fraunho-
lungen schließt das LMZ im November
fer-Gesellschaft, die Wirtschaftsförderung
1988 mit dem Institut für Allgemeine
Berlin, der Verband Deutscher Maschi-
Physik der Akademie der Wissenschaften
nen- und Anlagenbau e.V. (VDMA) und
der UdSSR ein Abkommen zur wissen-
der Verband Feinmechanik und Optik e.V.
schaftlichen Zusammenarbeit, das wegen
Gründungsgeschäftsführer ist Prof. Dr.-Ing.
des besonderen Status von Berlin (West)
Horst Weber. Der Eintragung ins Handels-
im Rahmen des Viermächteabkommens
register Berlin am 5. Februar 1987 folgt am
zunächst nur als Austausch von einseitig
10. März eine Kooperationsvereinbarung
unterschriebenen
mit der Technischen Universität Berlin. Die
zustande kommt. Am 8. November 1989
Geschäftstätigkeit wird am 1. Juni 1987 in
folgt ein regulärer Kooperationsvertrag
provisorischen Räumen aufgenommen,
zwischen dem LMZ und der Akademie der
am 19. Oktober 1987 können die Instituts-
Wissenschaften der UdSSR im Rahmen
räume im Physik-Altbau der TU Berlin mit
des Abkommens über die Wissenschaft-
11 Mitarbeitern bezogen werden.
lich-technische Zusammenarbeit der Bun-
Absichtserklärungen
desregierung mit der UdSSR. 1991 wird
10
Das LMZ kann nach seiner Gründungs-
dieser Vertrag mit der Akademie der Wis-
phase
senschaften der Russischen Förderation
weitere
Industriegesellschafter
gewinnen: Im Februar 1987 kommen die
verlängert.
Firmen B. Braun Melsungen und Biotronik
Im November 1988 wird die unter Feder-
hinzu, im September 1991 die Firma Fritz
führung des LMZ gegründete konzertierte
Hüttinger. Die Geschäftsanteile der MBB-
Aktion der Europäischen Gemeinschaft
Medizintechnik gehen auf die Firma Dor-
zur Entwicklung der Mitgliedstaaten der
nier Medizintechnik über und die Firma
EG auf dem Gebiet der Lasermedizin
CeramOptec übernimmt 1994 die Anteile
mit einer Generalversammlung aller De-
des ausscheidenden Gesellschafters Bio-
legierten in Berlin eröffnet. 1991 wird
tronik.
das EUREKA-Projekt EU 642 STILMED
Im April 1988 wird das LMZ durch das Bun-
„Safety Technology in Laser Medicine“ auf
desministerium für Arbeit zur Prüfstelle für
einer Konferenz der Forschungsminister in
medizinische Geräte ernannt und im April
Den Haag bekannt gegeben. Die Koordi-
1991 für die Homologation nach französi-
nation wird dem Laser-Medizin-Zentrum
schem Recht zugelassen.
übertragen.
25 Jahre LMTB
Im Februar 1989 wird der Medizinische
lagenbau e.V., der Verband Feinmechanik
Leiter des LMZ, Prof. Dr. med. H.-P. Berlien,
und Optik e.V. und die Wirtschaftsförde-
auf die erste deutsche Professur (C3) für
rung Berlin. Im März 1996 beschließt die
Lasermedizin
Universitätsklinikum
Gesellschafterversammlung, die Siemens
Steglitz der Freien Universität Berlin beru-
AG, Medizinische Technik, Erlangen, als
fen. Am 13. Juli 1990 beschließt das Kura-
weiteren Gesellschafter aufzunehmen,
torium der FU Berlin die Einrichtung des
der die Gesellschafteranteile von Rofin-
Instituts für Medizinisch / Technische Phy-
Sinar übernimmt. 1998 tritt die Dr. Hiel-
sik und Lasermedizin des UKS.
scher GmbH als neuer Gesellschafter ein,
am
2001 kommt die World of Medicine AG
Das
Festkörper-Laser-Institut
eröffnet
(W.O.M.) hinzu.
1990 ein Applikationslabor mit einer 1-kW-
Von April bis Juli 1996 ziehen der Ge-
Bearbeitungsstation mit Nd:YAG-Laser.
schäftsbereich Lasertechnik, die Prüfstelle
1992 wird die Firma Rofin-Sinar weiterer
und der Bereich Umweltanalytik des Ge-
Gesellschafter. Ein Prüflabor für optische
schäftsbereichs Biomedizinische Technik in
Schichten nach ISO-Standards, die vom FLI
das Photonik-Zentrum, Berlin-Adlershof.
maßgeblich mit entwickelt wurden, wird
1994 eingerichtet.
Im Februar 1997 schließen die drei Berliner Universitäten Freie Universität Berlin,
Eine gemeinsame Gesellschafterversamm-
Technische Universität Berlin und Hum-
lung der Laser-Medizin-Zentrum GmbH,
boldt-Universität zu Berlin mit der LMTB
Berlin (LMZ) und der Festkörper-Laser-
einen einheitlichen Kooperationsrahmen-
Institut Berlin GmbH (FLI) beschließt am
vertrag, der die LMTB in gleicher Weise
21. Februar 1995 die Fusion der beiden
mit allen drei Universitäten verbindet. Im
Einrichtungen rückwirkend zum 1. Janu-
gleichen Monat tritt Prof. Dr. med. habil.
ar 1995. Die neue Einrichtung führt den
Dr.-Ing. Michael Ungethüm, Aesculap AG,
Namen Laser- und Medizin-Technologie
nach 12-jähriger Tätigkeit als Vorsitzender
GmbH, Berlin (LMTB). Als Geschäftsführer
des Aufsichtsrates und der Gesellschafter-
werden Prof. Dr.-Ing. G. Müller und Prof.
versammlung zurück. Als neuer Vorsitzen-
Dr.-Ing. H. Weber bestellt. Gesellschafter
der wird Dr.-Ing. Frank Frank, Dornier Me-
der LMTB sind nun zehn Industrieunter-
dizintechnik, gewählt, der diese Position
nehmen, die Fraunhofer-Gesellschaft, der
bis heute innehat. Im Februar 2000 schei-
Verband Deutscher Maschinen- und An-
det Prof. Dr.-Ing. H. Weber, Gründungsge11
25 Jahre LMTB
schäftsführer des FLI und Geschäftsführer
der bisherige stellvertretende Vorsitzende
der LMTB, aus der Geschäftsleitung aus.
des Aufsichtsrates, Prof. Dr.-Ing. Hans Jo-
Sein Nachfolger wird Prof. Dr.-Ing. Dr. med.
achim Eichler vom Optischen Institut der
Holger Kiesewetter, Direktor des Instituts
TU Berlin.
für Transfusionsmedizin der Charité.
Im November 2003 gewinnt die LMTB
12
Zusammen mit dem Fraunhofer-Institut
zum dritten Mal nach 1992 und 1993 den
für Biomedizinische Technik in St. Ingbert
Innovationspreis Berlin/Brandenburg. Das
erhält die LMTB im März 2000 im Wettbe-
Institut für Medizinische Physik und Laser-
werb zur Errichtung von Kompetenzzent-
medizin wird im Rahmen der Neustruktu-
ren für die Medizintechnik in Deutschland
rierung der Berliner Universitätsmedizin
den Zuschlag für das überregionale Kompe-
zum 1. Juni 2003 Institut der Charité – Uni-
tenzzentrum für „Miniaturisierte Monito-
versitätsmedizin Berlin, Campus Benjamin
ring- und Interventionssysteme“ (MOTIV).
Franklin.
In einem weiteren Wettbewerb des Bun-
Für die LMTB bringen diese Jahre auch
desministeriums für Bildung und For-
einschneidende Änderungen in der Fi-
schung, dem Innovationswettbewerb zur
nanzierungsstruktur. Sie entwickelte sich
Förderung der Medizintechnik, gehört das
von einem wissenschaftlichen Institut
Institut für Medizinische Physik und Laser-
mit Teilfinanzierung durch die Industrie-
medizin zu den zwölf von einer internatio-
Gesellschafter zu einem rein projektfi-
nalen Jury ausgewählten Siegern. Im Juni/
nanzierten Institut mit Auftragsforschung.
Juli 2000 ziehen die LMTB und das Institut
Auf die Anfangsjahre mit Zuwendungen
für Medizinische Physik und Lasermedizin
der Firmengesellschafter ohne explizite
von ihrem bisherigen Standort in den Zen-
Verpflichtungen folgte 2002/2003 eine
tralen Tierlaboratorien der FU Berlin in ein
Phase mit Mindestauftragsvolumina der
eigenes Gebäude auf dem Gelände des
Gesellschafter in Form von Rahmenver-
früheren US-Hospitals in Dahlem. Zum 30.
trägen bzw. Spenden für die LMTB. Seit
April 2003 scheidet Prof. Dr.-Ing. G. Mül-
dem Geschäftsjahr 2003/2004 erfolgen
ler aus der Geschäftsführung der LMTB
Aufträge der Gesellschafter nur noch auf
aus. Dr. rer. nat. Hansjörg Albrecht, bisher
freiwilliger Basis und werden ebenso wie
Prokurist, wird zum Geschäftsführer und
externe Industrieaufträge von Fall zu Fall
Sprecher der Geschäftsleitung bestellt.
aktiv eingeworben. Die LMTB hat diesen
Wissenschaftlicher Geschäftsführer wird
Anpassungsprozess nach erfolgreicher fi-
25 Jahre LMTB
nanzieller Konsolidierung in 2003/2004
bewältigt und sich eine gesunde Wachstumsperspektive durch verstärkte Kooperation mit der Industrie erarbeitet, die bis
heute anhält.
Das Ziel eines vitalen Gesellschafterkreises mit starker Industrie-Anbindung und
gemeinsamen Entwicklungszielen geht
auch mit einem Erneuerungsprozess einher. So konnten Anfang 2009 die beiden
scheidenden Gesellschafter Aesculap und
Carl Zeiss bruchlos ersetzt werden: Die
MDI Schott Advanced Processing GmbH
und die Sorin Group Deutschland GmbH
haben die freiwerdenden Anteile übernommen, nachdem sie über Forschungsaufträge bereits zu Partnern der LMTB geworden waren.
Zum 1. Oktober 2008 trat Dr. rer. nat. Gerd
Illing in die Geschäftsführung der LMTB
ein, und Frau Dipl.-Kff. Kirsten GuthmannScholz wurde Prokura erteilt. Dr. Illing folgte Dr. Albrecht als Sprecher der Geschäftsführung nach dessen Ausscheiden zum 28.
Februar 2009. Prof. Dr.-Ing. Hans Joachim
Eichler bleibt weiterhin wissenschaftlicher
Geschäftsführer der LMTB.
Eine Zusammenlegung der beiden Geschäftsbereiche in Berlin Dahlem ist Mitte
2010 erfolgt, so dass die ganze LMTB mit
verbesserter Ausstattung und größerer
innerer Effizienz an einem Standort zur
Verfügung steht. Mit Unterstützung des
Bezirks Steglitz-Zehlendorf und der umliegenden
Wissenschaftseinrichtungen
Dr. Gerd Illing mit Prof. Dr. Martin Neumann (FDP, Ausschuss für Bildung, Forschung und Technikfolgenabschätzung) bei der LMTB-Präsentation in der Parlamentarischen Gesellschaft am 4. Mai 2010.
13
25 Jahre LMTB
wie der Freien Universität Berlin und dem
Max-Planck-Institut für molekulare Genetik ist beabsichtigt, an diesem Standort ein
Technologie-Center aufzubauen, um Ausgründungen Raum zu bieten.
Am 4. Mai 2010 gaben Dr. Illing und weitere LMTB-Mitarbeiter auf einem parlamentarischen Abend des Verbands der
Innovativen Unternehmen e.V. (VIU) interessierten Mitgliedern des Deutschen
Bundestages mit einem Vortrag und ausgewählten Exponaten einen Einblick in die
vielfältigen Aktivitäten der LMTB.
In diesem Jahr fällt das 25-jährige Jubiläum
der LMTB mit dem Berliner Wissenschaftsjahr 2010 zusammen. Dies bot die Gelegenheit, sich durch einen Stand auf dem Forschermarkt des Bezirks Steglitz-Zehlendorf
einer breiten Öffentlichkeit zu präsentieren.
Ein „Stresstest“ mittels Raman-spektroskopischer Bestimmung von Radikalfängern in
der Haut und faszinierende Beispiele für
die Laser-Mikrobearbeitung von Gläsern
stießen auf großes Interesse und waren
einer der Höhepunkte dieser erfolgreichen
Außendarstellung der wissenschaftlichen
Leuchttürme des Berliner Südwestens.
Forschermarkt Steglitz-Zehlendorf: Bezirksbürgermeister Norbert Kopp, Dr. Maxim Darwin
und PD Dr. Martina Meinke (beide Charité) sowie Bezirksstadträtin für Wirtschaft, Gesundheit und Verkehr Barbara Loth am 18. Mai 2010 am LMTB-Stand.
14
Wenn aus anspruchsvollen Messprinzipien am Ende handliche
und zuverlässige Geräte, oft Medizinprodukte, entstehen, dann
hat Reinhard Dietrich seine Hände im Spiel. Er sorgt im Bereich
Elektronik dafür, dass aus Ideen Layouts, Platinen und funktionierende Schaltungen werden, und er kümmert sich um die
Programmierung. Reinhard Dietrich ist seit 1999 bei der LMTB.
Dienstleistungen
Entsprechend ihrem Selbstverständnis als
gemeinnützige Technologie-Transfer-Einrichtung bietet die LMTB ein breites Leistungsspektrum auf dem Weg von der Idee
bis zum neuen Verfahren oder Demonstrator für ein neues Produkt.
Dabei hilft die LMTB oft bereits, Voraussetzungen für Innovationen zu schaffen mit
Gutachten, Beratung und Studien, etwa
zur technischen Machbarkeit, zu Risiken,
zur Schutzrechtslage oder der Markterwartung.
Die Kompetenzen rund um den Bau optischer Geräte und Komponenten reichen
von der Konzeptionierung, dem Optik und
Elektronik-Design zur mechanischen Konstruktion. Dabei können gegebenenfalls
von Anfang an die Anforderungen an Medizinprodukte berücksichtigt werden. Die
LMTB verfügt mit eigenen Werkstätten
und einem Netzwerk von hochspezialisierten Dienstleistern über alle Möglichkeiten,
Geräte zu bauen und zu testen, inklusive
der Hardware-nahen Programmierung
und Software-Entwicklung. Im biomedizinischen Bereich besonders wichtig ist die
enge Zusammenarbeit mit Ärzten und Kliniken bis hin zur Durchführung von Studien.
17
Dienstleistungen
Der Endpunkt besteht für die LMTB typischerweise im Bau von Demonstratoren
oder der Validierung der entwickelten
Verfahren, wobei aber auch Kleinserien
von Geräten und laseroptischen Komponenten bei der LMTB gefertigt werden.
Auf Grund ihrer Historie wie ihres aktuel-
Dabei sind zwei Querschnittsthemen dieser Innovationsstrategie – Technologietransfer und Fachkräftesicherung – zugleich auch Kernaufgaben der LMTB, die in
zahlreichen FuE-Projekten sowie mit Beratung, Kursangeboten, Praktika, Bachelor-,
Master- und Doktorarbeiten wesentlich
Innovationsstrategie Berlin
Berlin-Brandenburg
Brandenburg
Zukunftsfelder der Region
g
Berlin-Brandenburg
g
Energietechnik
InformationsKommuni
und Kommunikationstechnologie/
Medien
Biotech/
Medtech/
Optik
Pharma
V k h
Verkehrssystemtechnik
Technologietransfer
Querschnittsthemen
der Region
Fachkräftesicherung
Innovationsfinanzierung
9/6/2010
len Leistungsspektrums ist die LMTB ein
wichtiger Inkubator im Schnittpunkt von
zwei ausgewiesenen Zukunftsfeldern der
gemeinsamen Innovationsstrategie der
Länder Berlin und Brandenburg: Biotech /
Medtech / Pharma einerseits und Optische Technologien andererseits.
18
1
zur weiteren Entwicklung der Berliner
Wissenschaft und Industrie beiträgt. Dazu
bestehen Kooperationsrahmenverträge
mit den drei großen Berliner Universitäten
und enge Beziehungen zur Charité – Universitätsmedizin Berlin und der Evangelischen Elisabeth-Klinik Berlin.
Dienstleistungen
In einer aktuellen Umfrage der Technologiestiftung Berlin über die Vernetzung der
regionalen Forschungsinstitute und Laserfirmen wurde die LMTB weit überdurchschnittlich häufig als gewünschter Kooperationspartner genannt. Sie steht im
Ranking an siebter Stelle von insgesamt 64
Instituten und Firmen mit zumeist vielfach
höheren Mitarbeiterzahlen – ein Beleg für
die hohe Effektivität der LMTB.
Rang
Zentrale Akteure im Beziehungsgeflecht der Laserakteure
in Berlin-Brandenburg
1 Ferdinand-Braun-Institut
F di
dB
I tit t für
fü Höchstfrequenztechnik
Hö h tf
t h ik (FBH)
2 Berliner Glas KGaA Herbert Kubatz GmbH & Co.
3 Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI)
4 Photon AG
5 IBL Innovative Berlin Laser GmbH
6 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
7 Laser- und Medizin-Technologie
g GmbH Berlin ((LMTB))
8 Fachhochschule Brandenburg
9 Technische Universität Berlin
10 Frank Optic Products GmbH
11 Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik (HHI)
12 Newport Spectra-Physics GmbH
13 eagleyard Photonics GmbH
14 Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM)
15 Technische Fachhochschule Wildau
16 Jenoptik Diode Lab GmbH
… und 48 weitere
9/2/2010
Quelle: Netzwerkanalyse für BB, TSB Report 2010 „Lasertechnik“
3
19
Applikationslabor und
laseroptische Komponenten
Application Lab and laser-optical components
The applied laser technology group at
LMTB is dedicated to developing and
testing innovative laser-assisted manufacturing strategies. The working areas
in the application laboratory using diodepumped solid-state lasers which generate
high-energy nanosecond and picosecond
pulses are as follows:
• Micromachining of metals and semiconductive materials
• Microprocessing of brittle materials
(glass and ceramics)
• Sub-surface modification of transparent materials
• Selective removal of thin layers
• Development of optical components
Acting as an interface between industrial
fabrication and laser-optical machinery,
one of our main tasks is a customer-oriented know-how and technology transfer.
In vielen Bereichen der industriellen Fertigung ist ein Trend nach kleineren Strukturen mit anspruchsvolleren Toleranzanforderungen erkennbar. Als Alternative zu
den „klassischen“ mechanischen Bearbeitungsmethoden gewinnt die gütegeschaltete Lasertechnologie zum (möglichst
schonenden) Materialabtrag (Bohren,
Schneiden und Strukturieren) von Werkstoffen mit völlig unterschiedlichen opti20
Dienstleistungen
schen, mechanischen und thermischen
Eigenschaften zunehmend an Bedeutung.
Folgende Arbeitsgebiete stehen im Zentrum der FuE-Tätigkeit im Bereich Angewandte Lasertechnik:
• Mikrobearbeitung von Metallen und
Halbleitern • Mikroabtrag spröder Materialien (diverse Glassorten und Keramiken)
• Innenmodifikation
transparenter
Werkstoffe
• Selektiver Abtrag dünner Schichten
• Entwicklung optischer Laserkomponenten
Der Geschäftsbereich Angewandte Lasertechnik versteht sich als Schnittstelle
zwischen der industrienahen Anwendung
und den optischen „Werkzeugen“: Lasersysteme, Bearbeitungsoptiken und Verfahrenstechnologien.
„Optical Design and Construction“, 3D-Entwurfsmodell der LMTB-Trepanieroptik mit motorisierter
Einstellung von Anstellwinkel und Durchmesser.
Eine wesentliche Aufgabenstellung der Angewandten Lasertechnologie ist der Wissens- und Technologietransfer bei Fragestellungen der Laser-Mikrobearbeitung.
Kleinere Aufträge zu Machbarkeitsstudien
und Kleinserienfertigung sind in der Regel
nach Beauftragung in wenigen Wochen
abgeschlossen.
Neben der Durchführung von Forschungsprojekten und der Mitwirkung in der Lehre bzw. Betreuung von Diplomarbeiten,
jeweils in enger Kooperation mit Arbeitsgruppen aus Universitäten und außeruniversitären Einrichtungen (z.B. TU Berlin,
TFH Berlin, MBI Berlin), bietet die Angewandte Lasertechnik eine umfangreiche
Palette von Dienstleistungen für Exklusivarbeiten an – selbstverständlich auf
Wunsch auch unter strenger Beachtung
von Geheimhaltungsvereinbarungen:
Außer der Laserstrahlqualität, Strahlführung und Pulsverteilung auf dem Werkstück besitzen Pulsdauer und Wellenlänge
eine zentrale Bedeutung in der Materialbearbeitung. Folgende Systeme werden
zur Zeit im Laser-Applikationslabor zur
Durchführung der anwendungsorientierten FuE eingesetzt:
•
•
•
•
•
Beratung und Machbarkeitsstudien
Gerätetests
Kleinserienfertigung
Komponentenentwicklung
Verfahrensentwicklung inkl. Patentabsicherung
„Small Batch Production“, Kleinserienfertigung von
Endmaßen aus 2,7 mm starkem B33 Glas (Stegbreite nur 0,5 mm). Typische Losgrößen liegen hier
bei 10 bis 100.
• Picosekunden-Nd:YVO4-Laser (Hersteller: Lumera Laser): 8 W @ 1064 nm,
4 W @ 532 nm, 2,5 W @ 355 nm;
10 bis 640 kHz, 6 – 10 ps, TEM00
• Nanosekunden-Nd:YVO4-Laser (Hersteller: Azura Laser, Spezialentwicklung): 10 W @ 1064 nm, 4 W @ 532 nm,
2 W @ 355 nm; 10 – 50 kHz, 25 bis
45 ns, TEM00
• Nanosekunden-Nd:YVO 4 /Nd:YAGLaser (Hersteller: IB-Laser): 40 W @
1064 nm, 20 W @ 532 nm, 10 bis
50 kHz, 25 ns, TEM00
• Nanosekunden-Nd:YAG-Laser mit 2
Verstärkerkavitäten (LMTB-Eigenentwicklung): 35 W @ 1064 nm, 5 bis
20 kHz, 150 – 250 ns, M2 < 2
• Millisekunden-Nd:YAG-Laser mit Faserauskopplung (Hersteller: Haas):
600 W @ 1064 nm, < 600 Hz, 0,2 bis
50 ms, Multimode (600-µm-Faser)
Dienstleistungen
21
Das IGF-Nachfolgeprojekt zur Innenmarkierung und Innenbearbeitung wird voraussichtlich 2011 beginnen. Seit Februar
2010 wird im Rahmen eines neuen AiF/
IGF-Projekts der selektive Abtrag dünner
Schichten (z.B. CIS/CIGS) für die Photovoltaik untersucht.
„Picosecond Laser Machining of Quartz Capillary
Tubes“, Anfertigung von Mikrobohrungen in filigranen, 1-mm-Quarzkapillaren (Wandstärke 85 µm)
für die Entwicklung von Gassensoren am Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft.
Im Laser-Applikationslabor werden auch
komplexe Einzelstücke wie z.B. WolframMasken mit 1.000 Mikrobohrungen, Mikrolöcher in filigranen Quarzkapillaren
oder Kernbohrungen in Zeroduroptiken
angefertigt. Diese speziellen Fertigungsanfragen werden häufig für (andere) Forschungseinrichtungen, z.B. dem Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft
und dem Max-Born-Institut, umgesetzt.
In einem vom BMWi-geförderten Projekt
zur Industriellen Vorlaufforschung (Beginn
Januar 2009) wird die Laser-Präzisionsbearbeitung mit Unterstützung der Plasma-Analyse verfolgt. In diesem Vorhaben werden
auch neue Konzepte von Trepaniersystemen entwickelt, umgesetzt und erprobt.
Ein AiF/IGF-Vorhaben zur „Spannungsfreien Innenmarkierung“ konnte 2009 erfolgreich abgeschlossen werden [1].
22
Dienstleistungen
„Industry meets Science“, Vorstellung und Diskussion zur „Grünen“ Laser-Glasbearbeitung mit Vertretern aus der Industriesparte Glastechnik.
Der Wissensaustausch und -transfer zur
Laser-Mikrobearbeitung wird auch auf diversen Fachmessen und Konferenzen verfolgt, beispielsweise zwischen 2007 und
2009 auf folgenden Veranstaltungen:
• World of Photonics in München, 2007
und 2009
• World of Photonics China in Shanghai
(gemeinsam mit der TU Berlin), 2009
• Laser Optics Berlin (gemeinsam mit
OptecBB), 2008
• Glasstec in Düsseldorf (zusammen mit
Vitro Laser GmbH und MDI-Schott AP),
2008
• WLT-Konferenz Lasers in Manufacturing in München, 2007 und 2009
• SPIE-Konferenz Photonics West in San
Jose, USA, 2007
• Laser Precision Manufacturing, Konferenz der Japan Laser Processing Society, in Wien, 2007
Die Einbindung von Studenten aus Fachhochschulen und Universitäten in laufende FuE-Projekte spielt eine zentrale Rolle.
Im Laser-Applikationslabor wurden 2007
bis 2009 insgesamt neun experimentelle Diplom- und Bachelorarbeiten betreut
und erfolgreich fertig gestellt.
Zwei Absolventen, Herr Dipl.-Phys. A. Lemke und Herr Dipl.-Ing. T. Kaszemeikat, verstärken seit 2007/2008 das MitarbeiterTeam der Angewandten Lasertechnik.
LITERATUR
[1] A. Lemke, D. Ashkenasi: „Spannungsfreie Innenmarkierung von Gläsern durch laserinduzierte Färbung“, Photonik 42, No. 2-2010, 4042 (2010)
[2] J. Eichler, H. J. Eichler: „Laser - Bauformen,
Strahlführung, Anwendungen“, 7. Auflage
(2010), Springer-Verlag Berlin, Heidelberg
Kontakt
Dr. rer. nat. David Ashkenasi
Forschungsleiter
Angewandte Lasertechnologie
d.ashkenasi(at)LMTB.de
„International Trade Fairs and Conferences“, Teilnahme an der Laser Optics Berlin (LOB 2010).
Dienstleistungen
23
und Medizintechnik
Biomedical optics and medical devices
For development of commercial products
We offer a broad range of services which
in the industry, optical or tissue phantoms
can be used for the development of simple sensors and highly complex medical
devices. We also offer services along the
whole development chain from ideas and
the proof of concept, to the development,
are becoming more and more important
as a measure for quality control or calibration. They can be used during the development, at the manufacturing site and by
the service technician.
fabrication and testing of functional pro-
24
totypes.
Wir bieten eine sehr breite Palette an
Along this chain we use instruments and
Dienstleistungen für die Biomedizinische
competences which fit the special require-
Optik und Medizintechnik an. Diese kann
ments of biomedical optics. Our focus is
genutzt werden, um einfache Sensoren
on optics in turbid media. Here we apply
aber auch hochkomplexe diagnostische
inverse Monte Carlo simulations in order
oder therapeutische Geräte zu entwickeln.
to obtain the intrinsic optical parameters
Hierbei reicht unser Angebot von der Kon-
absorption coefficient µa, scattering coef-
zepterstellung über Machbarkeitsstudien
ficient µs and the phase function. These
bis hin zur Entwicklung, zum Bau und der
data enable the calculation of the optical
Erprobung von Funktionsmustern.
measurement process for a certain device
Auf dem Weg dorthin können wir auf Ge-
by forward Monte Carlo simulation on a
räte und Fähigkeiten zurückgreifen, die für
computer. This may also be used to opti-
die Aufgabenstellungen in der Biomedizi-
mize the measurement principle without
nischen Optik speziell zugeschnitten sind.
building a device, thus saving time and
Dies umfasst z.B. Geräte für die Spektro-
money for our customers.
skopie und die Bildgebung. Der Fokus ist
We cover the whole process of making
dabei auf die Anwendung in streuenden
functional prototypes from the optical de-
Geweben gerichtet, die spezielle Fähig-
sign to mechanical and electronic devel-
keiten wie z.B. die inverse Monte-Carlo-
opment, software and assembly of dem-
Simulation erfordern. Dies versetzt uns in
onstrators so that they are available for
die Lage von Geweben die intrinsischen
testing in a short time. During this process
optischen Eigenschaften wie Absorptions-
we take into account the criteria of the
koeffizient, Streukoeffizient und Phasen-
German regulations for medical devices,
funktion in einem weiten Spektralbereich
with which we are very familiar.
zu ermitteln.
Dienstleistungen
und Medizintechnik
Mit einer (Vorwärts-) Monte-Carlo-Simu-
Spektroskopie
lation kann dann jedes beliebige optische
UV/VIS-IR-Spektroskopie
Messgerät oder therapeutische Gerät im
Computer simuliert werden und z.B. seine
Empfindlichkeit für die Zielgröße optimiert
werden. Diese Vorgehensweise kann bei
unseren Kunden sehr viel Zeit und Aufwand sparen.
onsmusters von der Elektronik über die
Software, das Optikdesign und die Konstruktion wird von uns abgedeckt, so dass
in kurzer Zeit Funktionsmuster für eine
Erprobung aufgebaut werden können.
Durch sehr große Erfahrungen im Bereich
Medizinproduktegesetzes
von
250 nm bis 3.300 nm
• FTIR-Spektroskopie von 1.200 cm-1 bis
15.000 cm-1
–– Transmission, Reflexion, ATR, Mikroskopie
Die komplette Entwicklung eines Funkti-
des
• Transmissionsspektroskopie
(MPG)
durch den früheren Betrieb einer Prüfstelle können bereits während der Entwick-
• Streulichtspektroskopie mit Ulbrichtkugel von 250 bis 3.300 nm
–– Diffuse Transmission, totale Transmission, diffuse Reflexion
–– Inverse Monte-Carlo-Simulation zur
Ermittlung der optischen Parameter
Absorptionskoeffizient, Streukoeffizient, Phasenfunktion
–– Normgerechte Farbbestimmung
–– Datenbank optischer Parameter für
Gewebe und Modellsubstanzen
lung die Kriterien des MPG mit einfließen
• Ortsabhängige Rückstreuspektrosko-
und beispielsweise Risikoanalysen erstellt
pie (spatially resolved reflectance) von
werden.
350 nm bis 1.700 nm
–– Inverse Monte-Carlo-Simulation zur
In der Entwicklung aber gerade auch beim
Ermittlung der optischen Parameter
Übergang zum Serienprodukt sind Phan-
Absorptionskoeffizient, reduzierter
tome und Gewebemodelle wesentliche
Streukoeffizient
Hilfsmittel. Hiermit kann eine Serie kali-
Fluoreszenzspektroskopie
briert werden oder im Service oder vom
• Spektrometer mit Anregung mit mono-
Anwender die Funktion eines Geräts über-
chromatischer Lichtquelle von 250 nm
prüft werden.
bis 800 nm, Detektion von 250 nm bis
900 nm
Unser Dienstleistungsangebot in der Biomedizinischen Optik umfasst:
–– Fluoreszenz, Phosphoreszenz, (Bio-)
Lumineszenz
Dienstleistungen
25
und Medizintechnik
• Spektrometer mit Laseranregung von
365 nm bis 785 nm
Ramanspektroskopie
• Spektrometer mit Laseranregung von
365 nm bis 785 nm, variable Ortsauflösung von Mikrometer bis Millimeter
• FTIR-Spektrometer mit Laseranregung
bei 1064 nm
Doppler-Spektroskopie
• Laser-Doppler-Spektrometer mit Anregung bei 655 nm, Messbereich Dopplerfrequenz 0 bis 35 kHz
Bildgebung
Mikroskopie
• Aufrechte und inverse Weitfeldmikroskope mit DIC und Phasenkontrast sowie Fluoreszenz
• Laser-Scan-Mikroskop mit Anregungswellenlängen von 365 nm bis 647 nm
• Rasterelektronenmikroskopie
• FTIR-Mikroskopie
Makroskopische Bildgebung
• Fluoreszenzbildgebung
–– Handgehaltene 3-Kanal-Bildgebung
für intraoperativen Einsatz
–– Kleintierbildgebung
–– jeweils über Operationsmikroskop
oder Endoskop
• 3-dimensionale Topographie mit Streifenprojektion
• Zeitaufgelöste Streulicht- und Fluores-
26
• Photonen-Dichtewellen-,
Streulicht-
und Fluoreszenzbildgebung bis 1 GHz
• Fluoreszenzlebensdauerbildgebung
(FLI - fluorescence lifetime imaging)
Phantome und Gewebemodelle
• Gewebeähnliche Phantome mit definierten optischen Parametern
• Streulichtphantome,
Fluoreszenz-
phantome, Phantome für die Ramanstreuung
–– für die Entwicklung
–– für die Kalibration
–– für die Funktionsüberprüfung bei
Herstellung und Service
Monte-Carlo-Simulationen
• Streulichtausbreitung in Gewebe
• Elastische
Streuung,
Fluoreszenz,
FRET, Ramanstreuung, Doppler-Verschiebung
• Simulation von kompletten Messvorgängen, Bildgebung, Spektroskopie
• Optimierung von Sensorkonzepten
Funktionsmusterentwicklung und –bau
• Optikdesign
• Elektronik
• Ansteuerungs- und Auswertungssoftware
• Konstruktion und mechanische Fertigung
zenzbildgebung bis 300 ps Zeitauflö-
Laser-Messtechnik
sung
• 2-dimensionales Strahlprofil
Dienstleistungen
und Medizintechnik
• zeitaufgelöste Messung
• Leistungsmessung
• Klassifizierung
Generelle Dienstleistungen
•
•
•
•
Machbarkeitsstudien
Erprobungen
Risikoanalysen
Marktstudien
• Literatur- und Patentrecherchen
Kontakt
Dr. rer. nat. Jürgen Helfmann
Forschungsleiter Biomedizinische Optik
j.helfmann(at)LMTB.de
Dienstleistungen
27
Manuela Schwagmeier ist seit 2004 als technisch-wissenschaftliche Mitarbeiterin bei der LMTB. Zu ihren Gebieten gehört auch
die Charakterisierung von Proben, hier im Bild das Rasterelektronenmikroskop. Dessen Oberflächenanalysen helfen gerade, die
Qualität der Laserstrukturierung der verschiedenen Schichten
einer Solarzelle zu beurteilen. Verschiedene mikroskopische Verfahren und die entsprechende Ausstattung sind aber für nahezu
alle Bereiche der LMTB von zentraler Bedeutung.
Jürgen Helfmann
Biomedical Optics
Biomedical optics in LMTB covers the understanding and description of the propagation of light in turbid media such as soft
and hard tissue. It comprises elastic scattering as well as fluorescence and Raman
scattering in order to develop devices for
diagnostics, therapy and life sciences.
To give an overview of this field, examples
will be presented of tissue optics, spectroscopy, imaging, molecular medicine and
therapy in the following chapter.
“Tissue optics“ are the basis for all our
work. Using spatially resolved reflectance
spectroscopy, absorption and scattering
properties can be separated in order to determine in vivo concentrations of substances of interest, such as antioxidants in skin.
Tissue-like phantoms can be made and optically characterized for the development
of methods and for calibration purposes.
Based on the understanding of light propagation, imaging methods are developed
to allow for three dimensional reconstructions. All this represents the core competence of LMTB in biomedical optics.
The article “Sensors for cleaning validation
of surfaces“ is an example of fluorescence
spectroscopic control for the cleaning, for
instance, of medical devices.
Different optical imaging modalities have
been developed for diagnostics.
“Optical imaging of rheumatoid arthritis“
for example, is performed using photon
density waves. The potential for an early
and more sensitive diagnosis has been
demonstrated in a study. The possibilities
for medicine and biotechnology of a “Mobile in vivo laser scanning microscope“ are
presented by miniaturization of the scanning head with MEMS-based mirrors. We
meet the challenges of molecular medicine
at different stages – screening of molecules,
small animal imaging for pharmacological
testing and devices for diagnostics, as well
as therapy control in humans.
“Optical screening in drug development“
is presented using a fluorescence reader
and an interferometric reader for labelfree screening. The support and control
of therapy is carried out using a handheld
device for “Fluorescence imaging“. This
device enables sentinel lymph nodes to
be found more safely and rapidly during
cancer surgery. Fluorescence imaging can
also be used during photodynamic therapy to monitor progress. LMTB has been
involved in the evaluation and optimization of laser therapy and the development of laser application systems from
the very beginning. New laser sources are
always of interest and solid state lasers
as illustrated by “Alternatives to the CO2
laser in surgery“ are now coming into
focus.
29
Jürgen Helfmann
Die Biomedizinische Optik umfasst das
Die Erkennung der Belegung der Oberflä-
Verständnis und die Beschreibung der
chen von z.B. Medizinprodukten nach Rei-
Lichtausbreitung in stark streuenden bio-
nigungsprozessen ist Thema des Artikels
logischen Weich- und Hartgeweben. Die
„Optische Reinigungskontrolle“. Hierbei
elastische Streuung, Fluoreszenz und Ra-
werden verschiedene spektroskopische
manstreuung wird beschrieben, um die
Techniken der Fluoreszenzdetektion ge-
Umsetzung in anwendungsorientierte Ge-
nutzt, um sehr empfindlich Belegungen
räte und Verfahren für Diagnostik, Thera-
über die Eigenfluoreszenz von Protein
pie und Life Science zu betreiben.
(möglich sind auch Kohlenstoff und Fette)
Um einen Überblick über dieses Arbeits-
zu detektieren.
feld zu geben, werden im folgenden Kapi-
Im Bereich der Bildgebung wird durch
tel Beispiele von Entwicklungen aus den
optisch-tomographische Bildgebung mit
Bereichen Gewebeoptik, Spektroskopie,
Photonendichtewellen eine Verbesserung
Bildgebung, molekulare Medizin und The-
der „Früherkennung der rheumatoiden
rapie vorgestellt.
Arthritis“ angestrebt. Das optische Ver-
Die „Lichtausbreitung in biologischen
Geweben“ stellt die Basis für alle Unter-
30
fahren zeigt Ergebnisse, wenn mit Röntgenbildern noch keine Veränderungen
detektiert werden können. Desweiteren
suchungen dar. Durch Trennung von Ab-
ergab unsere Studie, dass optische Me-
sorption und Streuung durch abstandsab-
thoden potentiell sensitiver als Kernspin-
hängige Rückstreuspektroskopie ist eine
tomographie
Bestimmung von Stoffkonzentrationen in
oder Arthro-Sonographie sind.
vivo (z.B. Antioxidantien an Haut) mög-
Als mikroskopisches Bildgebungsverfah-
lich. Bei der Methodenentwicklung und
ren hat sich die konfokale Laserscanning-
zur Kalibration werden optische, gewebe-
mikroskopie etabliert. Um diese in die
ähnliche Modelle (Phantome) eingesetzt.
Medizin und Biotechnologie einzuführen
Zur Rekonstruktion von Schnittbildern aus
muss sie jedoch miniaturisiert und an-
Durchlichtmessungen ist das Verständnis
wendungsfreundlicher gestaltet werden.
über die Lichtausbreitung in biologischen
Dies ist uns mit dem Aufbau eines „mo-
Geweben notwendig, um entsprechende
bilen In-vivo-Laserscanningmikroskops“
Rechenverfahren zur entwickeln. Diese
gelungen, in welchem das Licht mit einem
Fähigkeiten stellen eine der Kernkompe-
MEMS-Mikrospiegel abgelenkt wird. Die
tenzen der LMTB dar.
molekulare Medizin gehört für die LMTB
(mit
Kontrastmittelgabe)
Jürgen Helfmann
zu den zukunftsweisenden Richtungen, in
die wir uns in mehreren Ebenen weiter
entwickeln – beim Finden von Molekülen,
bei der Erprobung im Tier und beim Hu-
Kontakt
maneinsatz. Wir entwickeln optische Auslesesysteme für die Wirkstoffforschung,
stellen Systeme für die Kleintierbildgebung
zur Verfügung und sind bereit für die humane Diagnostik und Therapiekontrolle.
Beim Finden von Molekülen für den diagnostischen und therapeutischen Einsatz
werden Methoden der molekularen Evolution eingesetzt, für die wir Verfahren für
das „optische Screening für die molekulare Wirkstoffforschung“ bereitstellen. Dies
beinhaltet Fluoreszenzverfahren wie auch
Label-freie Interferenzmethoden.
Mit der „intraoperativen Fluoreszenzbildgebung“ wird der Bereich der TherapieUnterstützung angesprochen und eine
Methode vorgestellt, um dem Chirurgen
für die Therapiekontrolle ein Hilfsmittel
zum Auffinden von Wächterlymphknoten
bzw. dem Behandler bei der photodynamischen Therapie ein Hilfsmittel zur Beurteilung des Therapiefortschrittes zu geben.
Die Erforschung von Laserwirkungen und
die Gestaltung von Applikationssystemen
für neu in den Fokus gerückte Laserquellen ist seit langer Zeit ein Thema für die
LMTB. Die Möglichkeiten von Halbleiterlasern als „CO2-Laser-Alternativen in der
Chirurgie“ werden diskutiert.
31
Carina Reble, Uwe Netz, Jan Toelsner, Ingo Gersonde, Stefan Andree
Lichtausbreitung in
biologischen Geweben
Tissue optics
In order to determine chromophore concentrations in turbid media, a spatially resolved reflectance set-up was developed
and used to determine chromophore concentrations in skin. Furthermore, a diffuse
optical tomography set-up for the 3D reconstruction of fluorescing objects in turbid samples was built. Monte Carlo calculations of the diffuse reflectance as well as
Raman and fluorescence measurements
were performed for various measurement
geometries and detection. Durable tissue
phantoms, with the optical properties of
skin and fatty tissue, were constructed for
the calibration and evaluation of measurements.
Für Entwicklung neuer Verfahren für die
tion und inelastische Streuung an Biomolekülen als Signalquelle genutzt, für therapeutische Zwecke die Absorption und
induzierte biochemische Prozesse im Zielgewebe.
Die optischen Eigenschaften vieler Gewebetypen wurden bereits seit Jahren mit
der Ulbrichtkugelmethode gemessen und
hausintern ein großer Datenpool angelegt, da nur wenige Daten in der Literatur
verfügbar sind. Da optische Parameter
jedoch intra- und interindividuell stark
variieren können und diese Variationen
zudem charakteristisch für pathologische
Veränderungen sein können, müssen in
vivo einsetzbare Methoden entwickelt
werden. Für diesen Zweck eignen sich die
abstandsabhängige Rückstreuspektroskopie und die optische Tomographie.
optische Diagnostik, Sensorik und Therapie sind eine genaue Kenntnis der optischen Parameter und eine Beschreibung
der Lichtausbreitung in Gewebe notwendig. Die optischen Parameter von Gewebe
sind wellenlängenabhängig und umfassen
Absorptionskoeffizient (µa), Streukoeffizient (µs), Winkelverteilung der Streuung
(charakterisiert durch g-Faktor und Phasenfunktion) und Brechungsindex (n).
Diese optischen Parameter beeinflussen
auch die Messung inelastischer Prozesse
wie Fluoreszenz oder Ramanstreuung. Für
Diagnostik und Sensorik werden Absorp32
Oben: Abstands- und Wellenlängenabhängigkeit
der Rückstreuung. Unten: Beispielmessung an einer Hand.
Lichtausbreitung in
Abstandsabhängige Rückstreuspektroskopie
Durch die ortsaufgelöste Messung der elastischen Rückstreuung ist die Bestimmung
eines Absorptionsspektrums unabhängig
von den Streueigenschaften möglich [1,2].
Aus den reinen Absorptionsspektren kann
dann die Konzentration der Absorber, wie
z.B. der Biomoleküle β-Karotin, Bilirubin,
Hämoglobin, Desoxyhämoglobin, Melanin
und Wasser bestimmt werden.
Innerhalb des laufenden Projekts OptiVivo
soll weiterhin untersucht werden, welche
Detektionslimits erreicht werden und unter welchen Bedingungen eine tiefenabhängige Konzentrationsverteilung durch
die Verwendung verschiedener Abstandsbereiche messbar ist. Gleichzeitig wird das
Verfahren durch einen Faserapplikator
mobil gemacht.
Im Fall von Fluoreszenz- oder Ramanspektroskopie besteht eine grundlegende
Schwierigkeit darin, dass die gemessenen
Verteilung des Amplitudensignals des Fluoreszenzlichts am Fettmodell, ICG-Stab 10-4 mol L-1,
Ø 1,5 mm in unterschiedlichen Tiefen.
Spektren von der Absorption und Streuung des Lichts in der Gewebematrix abhängen. Deshalb wurde das Messprinzip
der abstandsabhängigen Rückstreuspektroskopie mit der Ramanspektroskopie
in einem gemeinsamen Messkopf kombiniert. Wie am Beispiel von β-Karotin demonstriert wurde [3,4], ermöglicht dies
die Konzentrationsbestimmung eines bestimmten Ramanstreuers unabhängig von
den typischerweise stark variierenden Absorptions- und Streueigenschaften einer
biologischen Probe. Untersuchungen zur
Anwendbarkeit der Methode auf inhomogene Proben wie der menschlichen Haut
sind im Gange.
Diffus-optische Tomographie
Anpassung der Spektren einiger Absorber an das
Absorptionsspektrum der Haut zur Bestimmung
der Konzentration.
Mit der diffus-optischen Tomographie
kann die dreidimensionale Verteilung optischer Parameter bestimmt und in Schnittbildern dargestellt werden.
33
Lichtausbreitung in
Hierfür wurde mit moduliertem Laserlicht
über die Oberfläche der Probe gescannt
und für jede Laserposition mit einer
schnellen Kamera ein Bild der zurückgestreuten Licht- bzw. Fluoreszenzlichtintensität aufgenommen. Aus dieser Bilderserie
wurde mit Hilfe eines speziellen Algorithmus die 3D-Darstellung eines fluoreszierenden Objekts innerhalb einer Probe mit
vorher bekannten optischen Eigenschaften rekonstruiert.
Monte-Carlo-Simulation der Lichtausbreitung in trüben Medien
Der optische Strahlungstransport durch
stark streuendes Gewebe kann – ähnlich dem „ray tracing“ im Optikdesign für
nicht-streuende Materialien – mit Hilfe
der Monte-Carlo-Simulation der Lichtpfa-
de berechnet werden. Hiermit können alle
interessierenden Größen wie beispielsweise Strahlungsverteilung, Absorption
von Strahlung im Gewebe, Abstrahlung
von Signalen an der Oberfläche, Fluoreszenzentstehung und -ausbreitung vorhergesagt werden.
Somit kann ein optisches Messverfahren
vor dem aufwändigen Bau eines Prototypen am Rechner in seinen möglichen Konfigurationen simuliert werden. Aber auch
in der Phase der Optimierung, Fehlersuche und Fehlertoleranzbestimmung stellen Simulationsrechnungen ein effizientes
Entwicklungswerkzeug dar.
Im Rahmen der hier vorgestellten Projekte wurde der bisher im Haus verwendete
Simulationsalgorithmus so verbessert,
dass deutlich weniger Rechenzeit be-
Simulierte Trajektorien von detektierten Ramanphotonen für eine spezielle
Kombination von Anregungsspot- (grau) und Detektorgröße (grün).
Rekonstruierte Schnittbilder der Fluorophorverteilung von Daten der diffus-optischen Tomographie.
Originalpositionen der Fluoreszenzquellen sind durch rote Punkte markiert.
34
Lichtausbreitung in
nötigt wird, und außerdem für variable
Mess- und Probengeometrien ergänzt.
Die Simulation wurde unter anderem für
die Auswertung der abstandsabhängigen
Rückstreumessungen verwendet. Der
Code wurde außerdem um die Erzeugung
und Propagation von Raman-gestreuten
Photonen erweitert. Diese Methode wurde verwendet, um den Einfluss der optischen Eigenschaften und der Messgeometrie auf Raman- oder Fluoreszenzsignale
zu untersuchen. Für die Anwendung in
der diffus-optischen Tomographie wurde
der Einfluss des Mediums auf Intensität
und Phase der Photonendichtewellen simuliert und mit Experimenten verglichen.
Außerdem wurden Ergebnisse der MonteCarlo-Simulation für das Rekonstruktionsverfahren verwendet.
Gewebephantome zur Kalibration und
Evaluation der Messverfahren
Für die Entwicklung von Diagnostik und
Sensorik ist es sehr wichtig, unter wohldefinierten Bedingungen die Genauigkeit
und die Grenzen der Methoden zu bestimmen. Zu diesem Zweck werden optische
Phantom benötigt, die stabile, wiederholbare Bedingungen bieten und aus Materialien bestehen, welche gewebeähnliche
optische Eigenschaften besitzen.
Zur Charakterisierung der oben beschriebenen Verfahren wurden mehrere speziell
Oben: Fettmodell, homogene Matrix mit optischen
Eigenschaften von Fettgewebe mit Bohrungen in
unterschiedlicher Tiefe für zylindrische Tumorphantome mit verschiedenen ICG-Konzentrationen. Unten: Phantome mit optischen Eigenschaften von Haut aus Silikon.
für die jeweilige Messaufgabe optimierte
Phantome entwickelt.
Zum einen wurde basierend auf einer
Matrix aus transparentem Silikon mit
Absorbern und Streuern eine Serie von
Phantomen hergestellt, die die optischen
Eigenschaften von Haut imitieren und an
denen die abstandsabhängige Rückstreumessung evaluiert wurde. In eine weitere
Reihe dieser Phantome wurde zusätzlich
β-Karotin eingebracht, um die Veränderung des Ramansignals aufgrund variierender optischer Eigenschaften zu untersuchen.
Für die diffus-optische Tomographie wurden für drei relevante klinische Anwendungen verschiedene Gewebephantome
mit gewebeähnlichen optischen Parametern im nahinfraroten Spektralbereich
aus Epoxidharz entwickelt: Ein Gefäßmodell zur Detektion angefärbter Plaques,
35
Lichtausbreitung in
ein Schichtsystems als Hautmodell mit
fluoreszierenden Dysplasien unter der
Oberfläche sowie ein Fettmodell zur Simulation des humanen Lymphsystems in
Fettgewebe. Das Fettmodell ermöglicht
zudem eine temporäre Applikation von
fluoreszenzmarkierten Phantomen, d.h.
zylindrischen Fettphantomen mit verschiedenen Konzentrationen des Fluorophors Indocyangrün (ICG), an verschiedenen Positionen und damit die Simulation
einer tiefenabhängigen Detektion von z.B.
Wächterlymphknoten. Ferner bietet dies
die Möglichkeit, die Genauigkeit der 3D
Rekonstruktion zu bestimmen.
Die Arbeiten wurden mit Unterstützung durch den Berliner Senat und die
EU (EFRE), FKZ 10138595 (OptiVivo) und
FKZ 10138596 (OptiTOM) durchgeführt.
LITERATUR
[1] S. Andree, C. Reble, J. Helfmann, I. Gersonde,
and G. Illing: “Spatially resolved reflectance to
deduce absorption and reduced scattering coefficients“, Proc. SPIE 7368, 73680I (2009)
[2] S. Andree, C. Reble, J. Helfmann, I. Gersonde,
and G. Illing: “Spatially resolved reflectance to
deduce absorption and reduced scattering coefficients“, J. Biomed. Opt. (2010), in revision
[3] C. Reble, I. Gersonde, S. Andree, J. Helfmann,
G. Illing: “Correction of Raman signals for
tissue optical properties“, Proc. SPIE 7368,
73680C (2009)
[4] C. Reble, I. Gersonde, S. Andree, H. J. Eichler,
J. Helfmann: “Quantitative Raman spectroscopy in turbid media“, J. Biomed. Opt. 15(3),
e-first (2010)
36
Kontakt
Hans-Joachim Cappius, Franz-Josef Schmitt, Heinrich Südmeyer
Sensor for cleaning validation of surfaces
In this project we developed different optical sensors for three different scenarios.
The first was for the meat production industry, where machines are cleaned and
mostly tested for living microbes. The sensor here incorporates a mini spectrometer
and uses a notebook computer to detect
the fluorescence of proteins down to a
level of 0.5 µg albumin/cm².
The second scenario, pharmaceutical drug
detection, uses absorption spectroscopy
but has yet to be improved for measurements on rough and topologically varying
surfaces. For this purpose different measurement heads are required for diffuse
and specular reflection.
Lastly, a long and thin lumen as is found in
the working channel of endoscopes, can
be inspected using both time-resolved
fluorescence and a specially developed
side-firing fiber.
In den Bereichen der Lebensmittelherstellung oder Aufbereitung von medizinischen
Derzeit eingesetzte Verfahren basieren
auf dem Proteinnachweis mit nass-chemischen Methoden, bzw. der HPLC (high
pressure liquid chromatography). Diese
Verfahren durch optische Methoden zu
ersetzten, die berührungsfrei und ohne
Verbrauch von Agentien arbeiten können,
war Ziel dieses Projektes.
• Zum Erzielen der Projektergebnisse
wurden drei verschiedene Ansätze
verfolgt, die einen unterschiedlichen
Branchenbezug aufweisen:
• Lebensmittelverarbeitung - fluoreszenzoptische Detektion von Proteinen
(auch Kohlenhydrate und Fette fluoreszieren) mit 280 nm Anregungswellenlänge
• Wirkstoffherstellung - Absorptionsspektroskopie mit UV-Anregung (nicht
fluoreszierende Stoffe absorbieren oft
bei 230–270 nm)
• Medizintechnik - hier geht es speziell
um die Proteindetektion in langen, engen Lumen mit Messtechnik analog zu
der in der Lebensmittelverarbeitung
verwendeten
Instrumenten ist die Überprüfung einer
Bisher etablierte Grenzwerte
durchgeführten Reinigung wichtig genug,
In der EN ISO 15883 sind für die Medizintechnik zu prüfende Anschmutzungen und
Verfahren zum Proteinnachweis genannt.
Hierbei ist für die empfindlichste OPA-Methode, einem Eluationsverfahren mit photometrischem Nachweis, eine als unbe-
um eigene Verfahren zur Reinigungsvalidierung zu entwickeln. In der Herstellung
pharmakologischer Wirkstoffe ist dies zur
Wahrnehmung der Unternehmensverantwortung unumgänglich.
37
bildenden Einheiten) jeweils durch den
Betrieb festgelegt wird.
In der Wirkstoffherstellung wird aufgrund
der unterschiedlichen und auch unterschiedlich potenten Wirkstoffe mit der zulässigen Restwirkstoffdosis von z.B. 1/100
der Wirkdosis als Grenzwert gearbeitet.
Dies ist in höchstem Maße stoffspezifisch.
Crile-Klemme, gerade Ausführung.
Laboraufbauten
Die fluoreszenzoptische Messapparatur
deutend geltende, konkrete Extinktion in
der prEN ISO 15 883 angegeben worden,
die nach unseren Rechnungen im Bereich
von 0,015 µmol OPA-sensitive Aminogruppen je Instrument bzw. Prüfkörper liegt.
Hierbei liegt die Nachweisgrenze bezogen
auf 5 mL Elutionsvolumen bei 0,09 µmol
OPA-sensitive Aminogruppen/Instrument
bzw. 96 µg Protein/Instrument (Proteingehalt in 200 µl Schafblut; 22,6 µmol OPAsensitive Aminogruppen). Setzt man eine
Fläche einer Crile-Klemme mit 45 cm² an,
so ergibt sich bei Gleichverteilung eine
Belegung von 2,1 µg Protein/cm². Die von
uns entwickelten optischen Verfahren sind
deutlich sensibler (< 0,5 µg Protein/cm²).
Die lebensmittelverarbeitende Industrie
legt ihr Hauptaugenmerk auf lebende Mikroorganismen, wobei an kritischen Punkten durch Abklatsch einer 16 cm² großen
Nähragarplatte (oder Abstrich einer definierten Fläche) eine maximal zulässige
Konzentration von z.B. 200 KBE (kolonie38
wurde mit Mini-Spektrometer und Notebook für den Einsatz in einem fleischverarbeitenden Betrieb als Labordemonstrator
gestaltet und auch im Feld getestet. Dies
ermöglicht vor der Erstellung des Demonstrators eine Austestung der Funktionalität und Reduktion auf die im Betrieb
Portabler Messkopf mit UV-LED (unten vorn am
Messkopf mit Kabel zur Stromversorgung) im Einsatz in einem Trichter eines industriellen Fleischwolfes.
benötigen Mess- und Anzeigedaten. Der
Demonstrator erreicht eine Detektionsempfindlichkeit von 0,5 µg Albumin/cm².
Der Test war erfolgreich, und es konnte
sowohl gezeigt werden, dass die mikrobiologischen und optischen Messungen
korrelierten, als auch die Eignung zur
empfindlichen Messung unter Normalbeleuchtung.
Mit der optischen Methode wurden selbst
bei vernachlässigbarer Belegung mit Mikroorganismen (nach der Reinigung) signifikante Proteinbelegungen detektiert.
Die Laboraufbauten für die UV-Absorptionsmessung zeigten die Notwendigkeit,
für gerichtet spiegelnde Untergründe (poliertes Metall) und diffus spiegelnde Untergründe (Fliese, sandgestrahlte Metalle)
unterschiedliche Messköpfe zu verwenden. Mit einem Faserbündel mit zentraler
Beleuchtungsfaser wird derzeit versucht,
Prinzipskizze für eine Faser zur seitlichen Anregung
und Detektion.
die Bedingungen zu untersuchen, unter
denen ein Kratzer auf einem polierten
Untergrund kein falsch positives Signal liefert.
Der Aufbau zum Durchfahren der Fasersonde durch ein enges Lumen z.B.
im Arbeitskanal von Endoskopen sowie
die Fasersonde mit seitlicher, fokussierter Abstrahlung wurden entwickelt und
erfolgreich getestet. Die verwendeten
Schlauchmaterialien der Endoskope sind
fluoreszierend, weshalb eine zeitaufgelöste Fluoreszenzmessung zum Einsatz
kommt, die mit hoch repetitiven kurzen
Messpulsen eine Erkennung von Proteinbelegungen ermöglicht.
Weiteres Vorgehen
Einsatz des portablen Messkopfes (linke Hand des
Messenden) und Fasersonde (in der Maschine) mit
Spektrometer (Umhängetasche) und Notebook
(nicht gezeigt).
Im weiteren Projektverlauf werden wir
die Laboraufbauten charakterisieren und
die erzielbaren Grenzkonzentrationen in
anwendungsnahen Szenarien überprüfen.
Der Industriepartner hat einen Demonstrator entwickelt. Erste Testmessungen
liefen erfolgreich. Die Ergebnisse weiterer
Feldversuche werden mit den Verantwortlichen für Reinigungskontrolle diskutiert.
39
Die Arbeiten wurden mit Unterstützung durch das Bundesministerium für
Bildung und Forschung durchgeführt
(FKZ 01 RI 0645 A).
LITERATUR
[1] H. Südmeyer, F.-J. Schmitt, H.-J. Cappius and
H. J. Eichler: “Laser induced fluorescence for
contamination control“, IV. International Conference on Laser Processes and Components,
Shanghai March 17th- 18th 2009
[2] F.-J. Schmitt, H. Südmeyer, K. Reineke, I. Kahlen,
J. Börner, M. Schöngen, P. Hätti, H. J. Eichler,
H.-J. Cappius: “Fast and non-invasive optical
study of protein films on surfaces“, DPG 2010,
Regensburg, 21.3.2010-26.3.2010
Kontakt
Dipl.-Ing. Hans-Joachim Cappius
Technischer Leiter
h.cappius(at)LMTB.de
Dipl.-Phys. Franz-Josef Schmitt
TU Berlin
schmitt(at)physik.tu-berlin.de
Dipl.-Phys. Heinrich Südmeyer
TU Berlin
heinrich.suedmeyer(at)tu-berlin.de
40
Uwe Netz
Früherkennung der
rheumatoiden Arthritis
Optical imaging of rheumatoid arthritis
Over a period of more than 10 years, the
optical tomography of small joints with
rheumatoid arthritis has been the focus of
collaboration between the group of Prof.
Beuthan at Charité-Universitätsmedizin
Berlin and Prof. Hielscher at Columbia
University, New York. During this period,
several instruments for clinical use have
been realized and tested in cooperation
with Prof. Müller at the Uniklinikum in
Göttingen. The current project uses GHz
modulation of laser light intensity to monitor changes in scattering and absorption
more sensitively. First reconstructions
have shown an improved classification of
diseased joints compared to previous instruments.
Die Rheumatoide Arthritis (RA) zerstört
in Entzündungsschüben auf schmerzhafte Weise Gelenkknorpel und -knochen.
Eine Früherkennung ist Voraussetzung
für einen zielgerichteten und schnell wirkenden, kontrollierten Therapieansatz.
Im Frühstadium der RA zeigen entzündete Gelenke deutliche Veränderungen der
optischen Eigenschaften, also der Lichtabsorption und Lichtstreuung, in den Gelenkbestandteilen. Mittels nicht-invasiver
optischer Bildgebung ist es somit möglich,
die funktionellen und morphologischen
Veränderungen im Gelenk ohne Gabe von
Kontrastmitteln darzustellen. Dies stellt
eine wertvolle Ergänzung in der Diagnose
und der Therapiekontrolle bei RA-Patienten dar.
In einer über zehnjährigen Zusammenarbeit mit der AG Medizinische Physik und
Optische Diagnostik von Prof. Beuthan
an der Charité und der Gruppe um Prof.
Hielscher, Departments of Biomedical Engineering and Radiology, Columbia University, New York, wurde zunächst ein
neues optisch-tomographisches System
entwickelt, welches eine zweidimensionale Bildgebung der Verteilung der optischen
Parameter in Fingergelenken ermöglicht.
Ein Laser-Scanner (SLOT – Sagittal Laser
Optical Tomography) erfasst orts- und
winkelabhängig die Streulichtverteilung
an den Gelenken. Diese optischen Signale
werden einem Verfahren zur Rekonstruktion von tomographischen Schnittbildern
der durchleuchteten Ebene zugeführt.
Der Scanner wurde nach den Bedürfnissen klinischer Untersuchungen aufgebaut
und eine erste klinische Evaluation durchgeführt, zusammen mit der Abteilung für
Nephrologie und Rheumatologie von Prof.
Müller an der Georg-August-Universität
Göttingen. In den Untersuchungen konnten mit SLOT im Vergleich mit klinischen
und Ultraschall-Befunden Gelenke sicher
als entzündet beurteilt werden.
41
Uwe Netz
Früherkennung der
hängig beim Gelenkdurchtritt verformt
wird und mit einem ebenfalls ultraschnell
modulierbaren Flächendetektor und intelligenter Analysetechnik detektiert wird.
Amplituden- und Phasenänderung durch
das Gelenk werden nach ortsabhängiger
Messung zum tomographischen Bild umgerechnet. Zusätzlich wurde mit einem
speziell entwickelten 3D-Laserscanner die
Klinische Evaluation des optischen GHz-Tomographen
Oberflächengeometrie des Fingers erfasst
und für die Rekonstruktion der optischen
Parameter im Gelenk zu einem 3D-Modell
Optische GHz-Tomographie
des Fingers aufbereitet. Wie schon in vor-
Im Anschluss wurden in einer Fortsetzung
der Kooperation eine Verbesserung des
Bildkontrastes sowie der Ortsauflösung
und damit eine verbesserte Empfindlichkeit gegenüber frühen Gelenkveränderungen angestrebt. Dazu wurde ein neues
tomographisches Verfahren eingesetzt,
welches die Phasenbeziehungen von
hochfrequent modulierter Laserstrahlung
analysiert und dabei sehr empfindlich auf
herigen Projekten arbeitete die Arbeitsgruppe in New York an der Mathematik
zur Rekonstruktion, die klinische Evaluation wurde wieder am Uniklinikum Göttingen durchgeführt.
Für eine verbesserte Einordnung der Patienten in verschiedene Klassen (Gruppen
von Symptomen) wurden sowohl Ultraschall- als auch Kernspintomographiebilder der untersuchten Finger ausgewertet.
Änderung der Absorptions- und Streuparameter
im Gelenk reagiert. Aus
einem Laserstrahl wird
dabei durch Modulation
bis in den GHz-Bereich
eine periodisch pulsierende Photonendichtewelle (PDW) erzeugt, deren
3D-Fingerscanner und Optische Tomogramme eines gesunden (oben) und
Wellenfront gewebeab- arthritischen Fingers (unten), Darstellung des Absorptionskoeffizienten.
42
Uwe Netz
Früherkennung der
Im Ergebnis konnte eine im Vergleich zur
vorherigen Studie verbesserte dreidimensionale Darstellung der optischen Parameter sowie eine erhöhte Sensitivität und
Spezifität des Verfahrens erreicht werden.
Die Arbeiten zur optischen Tomographie
an Fingergelenken werden zusammen mit
der Charité und der Columbia University
mit Unterstützung durch das „National
Institute of Arthritis and Musculoskeletal
and Skin Diseases“ (NIAMS), USA, durchgeführt (Grant-Nr. R01-AR-46255).
LITERATUR
[1] A. K. Scheel, M. Backhaus, A. D. Klose, B. MoaAnderson, U. J. Netz, K.-G. A. Hermann, J. Beuthan, G. A. Müller, G. R. Burmester, A. H. Hielscher: “First clinical evaluation of sagittal laser
optical tomography for detection of synovitis
in arthritic finger joints”, Ann. Rheum. Dis. 64,
239-245 (2005)
[2] U. J. Netz, J. Beuthan, A. H. Hielscher: “Multipixel system for gigahertz frequency-domain
optical imaging of finger joints”, Rev. Sci. Instrum. 79 (3), 034301 (2008)
Kontakt
Dr. rer. medic. Uwe Netz, Dipl.-Phys.
wissenschaftlicher Mitarbeiter
u.netz(at)LMTB.de
43
Rijk Schütz, Ingo Gersonde, Jürgen Helfmann
Mobile in vivo laser scanning microscope
Confocal laser scanning microscopy (cLSM)
is a powerful tool for in vivo imaging of tissue to depths of about 150 μm. However
the requirements for in vivo use cannot be
met with table top microscopes. Therefore a cLSM was designed which can excite
indocyanine green (ICG) at a wavelength
of 682 nm with an emission wavelength
between 730 nm and 850 nm. The excitation light is used in parallel for the acquisi-
Schematische Darstellung des Prinzips der konfokalen Laser-Scanning-Mikroskopie.
tion of reflectance images.
in einem breiteren Umfang für die In-vivo-
Die konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie
Das Spektrum dieser Bemühungen reicht
(cLSM) ist ein leistungsfähiges Verfahren
zur Darstellung kompakter Gewebestrukturen. Dabei werden mit konventionellen
Tischmikroskopen Darstellungen von Gewebebereichen bis zu etwa 150 µm Tiefe
erzielt.
Konfokale Mikroskope in der In-vivoDiagnostik
Diagnostik verfügbar zu machen [1].
von der Miniaturisierung konventioneller
Komponenten über den Einsatz distal angeordneter Faserbündel in Endoskopen
oder piezoelektrisch bewegten Single-Mode-Fasern zum Scannen bis hin zu MEMSbasierten,
elektrostatisch
getriebenen
Mikroscannern. Letzteres stellt einen Ansatz dar, der in der LMTB über Jahre hinweg verfolgt wurde [2]. In diesem Bereich
Neben der unbestrittenen Leistungsfä-
wurde von der LMTB mit verschiedenen
higkeit dieser Mikroskope sind die Anfor-
Partnern ein umfangreiches Know-how
derungen für einen In-vivo-Einsatz häufig
gewonnen.
nur ungenügend erfüllt. Dies betrifft ins-
44
besondere die Fragen der Zugänglichkeit
Das zum Einsatz kommende Verfahren
des Untersuchungsfeldes und der Handha-
für die mikroskopische Bildgebung ist das
bung der Geräte. Daher gib es seit einiger
oben gezeigte Prinzip der konfokalen La-
Zeit Bemühungen, das leistungsfähige Ver-
ser-Scanning-Mikroskopie. Das von einem
fahren der konfokalen Mikroskopie durch
Laser stammende Beleuchtungslicht wird
Miniaturisierung und Flexibilisierung auch
über eine Single-Mode-Faser zu einer in
zwei Achsen ablenkenden Scannereinheit
geführt. Der abgelenkte Strahl wird über
ein Mikroskopobjektiv auf das zu untersuchende Areal abgebildet. Das entstehende Fluoreszenz- und Reflexionslicht wird
auf dem umgekehrten Weg in die Faser
eingekoppelt und durch entsprechende
Strahlteiler jeweils einem Detektor zugeführt. Durch die Ortszuordnung der Signale entstehen schließlich ein Fluoreszenzund ein Reflexionsbild.
Die Faser fungiert in diesem Prinzip als
konfokale Blende, wodurch sowohl in lateraler, als auch in axialer Richtung eine
erhöhte Auflösung erzielt wird und Licht
von außerhalb der Beobachtungsebene
effizient unterdrückt wird.
Das für das oben beschriebene Prinzip erforderliche Miniaturobjektiv ist von der
LMTB entwickelt und anschließend gefertigt worden. Damit sind bei einer Baugröße
von 5 mm Durchmesser und 7 mm Länge
beugungsbegrenzte Abbildungen in einem Bildfeld von 300 µm x 300 µm mit
einer lateralen Auflösung von besser als
1 µm erzielbar. Die realisierte Tiefenauflösung, also in axialer Richtung, liegt unter
10 µm. Durch Veränderung der Faserposition kann das Bildfeld innerhalb des Gewebes in verschiedene Tiefen verschoben
werden, womit dreidimensionale Bildinformation gewonnen wird.
Das Herzstück der Scannereinheit bildet
ein kardanisch aufgehängter, elektrostatisch angetriebener Mikrospiegel (IPMS
Dresden), welcher um beide Achsen resonant schwingt. Die daraus resultierende Lissajous-Trajektorie (vgl. Abbildung)
rastert in einem Durchlauf (ca. 1–2 s) das
gesamte Bildfeld in hoher Auflösung ab.
Die aus dem Antriebsprinzip des Spiegels
resultierende Bewegung stellt im Gegensatz zu klassischen Zeilenscannern eine
Besonderheit unseres Ansatzes dar. Die
2D-Bildinformation ist nach der Datenerfassung für die Darstellung zu rekonstruieren, und es sind besondere Anforderungen
an die Steuerelektronik bzgl. verschiedener Phasenlagen zu beachten.
Das skizzierte System ist weitestgehend
variabel in seinen grundsätzlichen Einsatzparametern. Für spezielle Anwendungen
Lissajous-Pattern infolge der harmonischen Auslenkung des zweiachsigen Mikrospiegels.
im dermatologischen Bereich wurde neben den genannten optischen AuflösunBiomedizinische Optik
45
gen Wert auf die Anregbarkeit von Indocyangrün (ICG) bzw. der Detektierbarkeit
von dessen Fluoreszenz im Bereich zwischen 730–850 nm gelegt. Das Objektiv
wurde für eine Gewebetiefe von 100 µm
optimiert, wobei eine geringe Bildfeldkrümmung (Positionsabweichung nur wenige µm) für den Einsatz in kompaktem
Gewebe zugelassen wurde.
Die Miniaturisierung und Umsetzung des
beschriebenen Ansatzes stellte eine Reihe
technologischer und interdisziplinärer Herausforderungen dar, insbesondere beim
Anschwingen des Spiegels und der Bilddarstellung. Im Ergebnis ist eine vielseitig
einsetzbare Scannerplattform entstanden.
Eine erste Umsetzung dieses MiniaturcLSM für spezielle dermatologische Fragestellungen zeigt folgende Abbildung als
Prototyp.
Die nachfolgende Abbildung zeigt einen
optischen Schnitt von massiver, kompakter Schweinehaut in 50 µm Tiefe als Fluoreszenzbild nach ICG-Färbung und Anregung mit 682 nm. Die Fluoreszenz wurde
oberhalb von 730 nm erfasst.
Fluoreszenzdarstellung intakter Schweinehaut
nach ICG-Färbung (200 µm x 200 µm) in 50 µm
Tiefe.
Die folgenden Abbildungen zeigen exemplarisch Zellkulturen auf planen Trägern
abgebildet durch das miniLSM.
Remissionsdarstellung von CHO-Zellen auf planem
Träger, Bildfeld 200 µm x 200 µm.
Prototyp eines miniaturisierten konfokalen LSM
für dermatologische Anwendungen.
46
Die erzielten Ergebnisse zeigen die Möglichkeiten der Miniaturisierung des konfokalen bildgebenden Verfahrens und der
dadurch erreichbaren Mobilität und Flexibilität. Die hier gezeigten Aufnahmen aus
[2] U. Hofmann, S. Mühlmann, M. Witt, K. Dörschel, R. Schütz, and B. Wagner: “Electrostatically driven micromirrors for a miniaturized
confocal laser scanning microscope” in Miniaturized Systems with Micro-Optics and MEMS,
Proc. SPIE 3878, pp. 29–38, (Santa Clara),
1999.
Fluoreszenzdarstellung von CHO-Zellen auf planem
Träger, Bildfeld 370 µm x 370 µm.
den Bereichen der Dermatologie und der
Zelluntersuchungen stellen nur einen kleinen Ausschnitt der möglichen zukünftigen
Einsätze dar. Die Integration einer automatisierten Faserverschiebung lässt neben
der Erfassung eines „optischen Schnittes“
auch die automatisierte Generierung von
Bildstapeln und damit eine dreidimensionale Bildgebung zu.
Angepasste Objektive oder Strahlungsquellen ermöglichen neben dem biologischen Einsatz auch eine Vielzahl technischer Anwendungen, z.B. im Bereich der
Prozesskontrolle.
Kontakt
Dipl.-Ing. Rijk Schütz
r.schuetz(at)LMTB.de
Die Arbeiten wurden mit Unterstützung
durch den Berliner Senat, kofinanziert
mit Mitteln der EU (EFRE), durchgeführt
(FKZ 10129002 und 10129003).
LITERATUR
[1] J. Helfmann, R. Schütz, I. Gersonde, G. Illing:
“MEMS-based confocal laser scanning microscope for in vivo imaging”, in Photonic Materials, Devices, and Applications III. Proc. SPIE
7366, pp. 73671P-73671P-6, 2009
47
Jürgen Helfmann, Rijk Schütz, Ihar Shchatsinin
Optisches Screening für die
molekulare Wirkstoffforschung
Optical Screening in Drug Development
hierfür ist die Fluoreszenzmarkierung ei-
Molecular drugs for diagnostics and ther-
nes Reaktionspartners und der Nachweis
apy have to fulfill many criteria among
which are certain properties of affinity,
chemical resistance and binding kinetics.
The most common technology for finding suitable molecules is high throughput
screening. In a different approach we use
molecular evolution of peptides in order
to save time in the development of new
molecules with optimized properties.
For this purpose optical readout devices
are required that are capable of measuring the kinetics of whole peptide libraries,
are highly sensitive and are able to measure label free.
dieser Fluoreszenz. Der Vorteil ist die einfache Handhabung und die hohe Empfindlichkeit. Der Nachteil ist die Notwendigkeit
der chemischen Kopplung eines Fluorophors an das gesuchte Molekül, welche
das chemische Verhalten des Wirkstoffs
beeinflusst und damit zu falschen Ergebnissen führen kann. Deshalb strebt man
einen Label-freien Nachweis an, der diesen Nachteil nicht aufweist. Dafür muss
in der Regel in Kauf genommen werden,
dass die Empfindlichkeit nicht so hoch ist,
wie bei der Detektion per Fluoreszenz.
The highly sensitive measurement of ki-
Die LMTB arbeitet in einem Verbund (Ver-
netics uses total internal reflection fluo-
bund PLOMS sowie Nachfolgeverbund
rescence excitation and detection (TIRF).
OPTOPROBE) an der Etablierung einer
When certain affinities are looked after,
Plattform zur Wirkstoffforschung auf der
label free detection of the kinetics based
Basis von Peptiden - unser Beitrag hierbei
on interference spectroscopy can be used
ist der optische Nachweis beim Screening
preferentially.
von Bibliotheken. Für den hochempfindlichen Nachweis bei geringer Affinität wird
48
Bei der Suche nach geeigneten Molekülen
die Fluoreszenz genutzt. In Epifluores-
zum Einsatz für die Diagnostik und Therapie
zenzanordnung werden Endpunktbestim-
müssen in der Wirkstoffforschung Eigen-
mungen von Reaktionen durchgeführt
schaften wie Bindekonstante, chemische
und in evaneszenter Anregung können
Beständigkeit und Reaktionsgeschwindig-
Kinetiken erfasst werden. Bei geringerer
keit quantitativ ermittelt werden. Diese
Empfindlichkeit, aber dafür ohne Fluores-
Größen müssen hochempfindlich und pa-
zenzlabel, kann durch interferometrischen
rallel an mehreren Messspots gleichzeitig
Nachweis im Bereich größerer Affinität ge-
erfasst werden. Das Standardverfahren
messen werden (Projekt LAFA).
Peptidchip-Plattform
Durch die „SPOT Synthese“ können aus
Aminosäuren ortsabhängig auf einem
Substrat Peptidbibliotheken unterschiedlicher Sequenz aufgebaut werden. In der
Peptidchip-Plattform geschieht dies in
Glas-Kapillarplatten, die eine große innere Oberfläche und damit eine große Empfindlichkeit aufweisen. Weitere Vorteile
gegenüber der herkömmlichen Synthese
auf Zellulose bestehen in einem geringen
Fluoreszenzuntergrund, geringer Verdunstung, guter Homogenität und günstigen
mikrofluidischen Eigenschaften.
Ziel eines Screenings ist das schnelle Auffinden von Molekülen mit gewünschten
Eigenschaften. Im Gegensatz zu herkömmlichen Ansätzen des „High Throughput
Screening“, das das Synthetisieren und
Untersuchen von vielen zufälligen Mole-
Molekulare Evolution von Peptiden zur Optimierung der Eigenschaften einer Molekülbibliothek
(Abbildung mit Genehmigung der Laborgruppe
Mukosaimmunologie, Forschungszentrum Borstel).
külen bedeutet, gehen wir in Anlehnung
an die molekulare Evolution des Immunsystems zielgerichtet vor. Ausgehend von
einer Bibliothek von Leitsubstanzen werden durch Kreuzung und Mutation der
besten Peptide von Generation zu Generation die gewünschten Eigenschaften
verbessert. Insgesamt wird dadurch die
Anzahl der notwendigen synthetisierten
Peptide drastisch verringert und das Auffinden von Peptiden mit gewünschten Eigenschaften deutlich beschleunigt [1,2].
Für einen effizienten Evolutionsprozess ist
ein empfindliches und möglichst auch Label-freies Nachweisverfahren notwendig.
Fluoreszenznachweis
Der Nachweis einer Gleichgewichtsbindekonstante geschieht durch die Kopplung
eines Fluoreszenzlabels an ein Zielmolekül.
Das gelöste Zielmolekül wird bei definierten Konzentrationen mit der Peptidbibliothek in Kontakt gebracht und nachfolgend
wird mit einer Waschlösung gespült. Durch
eine einfache Fluoreszenzmessung mit einer Kamera in Epifluoreszenzanordnung
wird der Gleichgewichtszustand der Bindung an der Bibliothek quantitativ erfasst
und kann für die molekulare Evolution als
Qualitätskriterium genutzt werden.
Soll auch die Reaktionskinetik, also die
Hin- und Rückreaktionskonstante erfasst
werden, so muss zeitabhängig während
der Inkubation mit Ziellösung und während
49
Label-freier Nachweis
Durchflussküvette
variable
Konzentration
Zielmolekül
Waste
Waschlösung
r
se
La
Molekulare Evolution von Peptiden zur Optimierung der Eigenschaften einer Molekülbibliothek
(Abbildung mit freundlicher Genehmigung von
B. Frey und A. Frey, FZ Borstel).
des Ablösens der Zielmoleküle durch Spülen mit Waschlösung, gemessen werden.
Da bei der Inkubation fluoreszenzmarkierte Zielmoleküle in der Lösung (über den
an der Bibliothek gebundenen Zielmolekülen) durch eine Fluoreszenzmessung
mit erfasst werden, würde eine fehlerhafte Messung mit sehr großem Untergrund resultieren. Deshalb wird in diesem
Fall die Fluoreszenz evaneszent über ein
Koppelprisma durchgeführt (TIRF), wie in
obiger Abbildung gezeigt. Die Anregungsintensität klingt hierbei exponentiell mit
der Eindringtiefe von nur ca. 200 nm in
die Zielmoleküllösung über der Peptidbibliothek ein und regt dabei nur einen sehr
geringen Anteil gelöster Zielmoleküle an,
deren Fluoreszenz als Untergrund abgezogen werden kann.
50
Während der molekularen Evolution von
Peptiden besteht das Risiko, dass die Fluoreszenzmarkierung die Bindungseigenschaften beeinflusst. Deshalb wird bei
ausreichender Affinität auf einen Labelfreien Nachweis gewechselt. Hierfür kann
als Eigenschaft der Brechungsindex der
Moleküle genutzt werden, die sich an
die Peptidbibliothek anlagern, der sich
von dem des verdrängten Lösungsmittels
unterscheidet. Es wird Weißlicht in einer
Reflexionsanordnung bestehend aus Peptidbibliothek und Durchflusszelle eingestrahlt. Das resultierende reflektierte Licht
wird über einen Bandpassfilter von einer
Kamera erfasst.
Brechungsindex 1,33
Brechungsindex 1,3301
Reflexion
Kamera
700
700.2
700.4
Wellenlänge / nm
700.6
Lichtquelle
z.B. LED
Filter
Strahlteiler
Kamera
Ventile
ZielMolekül
Durchflusszelle
Kapillarplatte
Schematischer Aufbau für die interferometrische
Detektion sowie beispielhafte berechnete Reflexionsspektren bei unterschiedlicher Bindung.
Durch eine schnelle Variation der Durchlasswellenlänge des Filters können ortsabhängige Spektren aufgezeichnet werden,
aus denen die Anlagerung von Zielmolekülen an die Peptidspots ermittelt werden
kann.
Die Arbeiten wurden mit Unterstützung
durch das Bundesministerium für Bildung
und Forschung (FKZ 13N10501, 13N8471)
und durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (FKZ VF090032)
durchgeführt.
LITERATUR
[1] N. Rockendorf, J. Helfmann, N. Fujimoto, K.
Wehry, M. Bürger, A. Frey: “Peptide-based optical contrast agents for targeting of intestinal
malignancies“, in: J. Popp, G. von Bally, (Ed)
Biophotonics 2007: Optics in Life Science. Munich, Germany: SPIE; 2007 p. 66332A-9.
[2] J. Helfmann, U. Bindig, B. Meckelein, K. Wehry, N. Röckendorf, D. Schädel, M. Schmidt, M.
Bürger, A. Frey: “Early Diagnosis of Cancer“,
in: J. Popp, M. Strehle: Biophotonics: visions
for better health care. Weinheim: Wiley-VCH;
2006 p. 231-300.
Kontakt
51
Uwe Netz, Tilmann Häupl
Fluorescence imaging
Molecular imaging indicates a paradigmatic change in modern medical imaging.
Target specific contrast media and sensors are used to demonstrate functional
and biochemical changes in tissue, in addition to the morphological image of a
selected region. Fluorescence imaging, as
an example of Optical Molecular Imaging,
is used for the pre-clinical investigation of
52
in surface-near tissue regions for use in
the detection of skin cancer.
Der Begriff Molecular Imaging steht für
einen Paradigmenwechsel in der modernen medizinischen Bildgebung: Über das
morphologische Abbild des Situs hinaus
werden unter Einsatz targetspezifischer
Kontrastmittel und Sensoren auch funktionelle, biochemische Veränderungen in
molecular medical processes in small ani-
Geweben darstellbar.
mal imaging, and the development of new
Die Fluoreszenzbildgebung als optische
fluorescence contrast media, particularly
Methode der molekularen Bildgebung ist
in the near infrared spectral region (NIRF).
zum einen ein effektives Mittel der vorkli-
These indicators, which mark pathologi-
nischen Erforschung molekularer Prozesse
cal tissue regions, also aid intra-operative
auf Zellebene und der Entwicklung neuer
orientation; they allow the surgeon to
spezifischer Kontrastmittel. Zum anderen
remove as little tissue as necessary, but
ist über Nahinfrarot-Fluoreszenz (NIRF)
enough to prevent a relapse.
die selektive Anfärbung pathologischer
Imaging modalities, developed at the
Gewebeareale möglich, die dem Chirur-
LMTB for small animal imaging i.e. surgi-
gen durch Einsatz intraoperativer Bildge-
cal microscopy, endoscopy and handheld
bung eine schnelle Orientierung im Ope-
cameras, cover the entire spectrum of rel-
rationsfeld gestattet. Dadurch können z.B.
evant fluorophores (the body’s own fluo-
Tumorexzisionen patientenschonend auf
rophores, fluorescent proteins, photosen-
das nötige Maß beschränkt werden.
sitizers, and contrast media).
Von der LMTB entwickelte Bildgebungs-
One example is intraoperative sentinel
modalitäten
lymph node detection in gastroenterologi-
Operationsmikroskopie, Endoskopie und
cal surgery. A compact NIRF handheld de-
Handkameras decken das gesamte Spek-
vice was developed for simultaneous fluo-
trum der relevanten Fluorophore ab (kör-
rescence and native imaging.
pereigene Fluorophore, fluoreszierende
A system is currently being developed for
Proteine, Photosensibilisatoren und Kon-
the tomographic imaging of fluorophores
trastmittel).
für
Kleintierbildgebung,
Ein Beispiel für die intraoperative Bildgebung ist die Detektion von Wächterlymphknoten in unmittelbarer Nachbarschaft
eines Tumors. Das schnelle Auffinden der
Lymphknoten durch die Bildgebung eines
NIR-Fluoreszenzfarbstoffes beschleunigt
die Erstellung eines pathologischen Befundes zum Status des Tumors und kann
eine Entscheidung über das Ausmaß des
Eingriffs noch während der laufenden
Operation ermöglichen.
3-Kanal-Fluoreszenz-Handkamera
Hierzu wurde eine kompakte Kamera als
NIRF Handheld Device entwickelt. Die
gleichzeitige Aufnahme von Nativbild
und zwei spektral getrennten NIR-Fluoreszenzbildern ermöglicht die überlagerte Darstellung von Nativbild und farblich
kodierter Fluoreszenz in Echtzeit. Damit
steht dem Anwender in einem Livebild
die morphologische und funktionelle In-
Erfolgreiche Resektion von Wächterlymphknoten,
oben links: Weißlichtbild, oben rechts: Überlagerungsbild, unten links: Fluoreszenz von Indocyaningrün (ICG) im NIR-Kanal 2, unten rechts: NIR-Kanal 1,
hier Anregungslicht für ICG-Fluoreszenz.
formation zur gleichzeitig Verfügung. Die
Empfindlichkeit der Fluoreszenzdetektion
liegt für alle relevanten Farbstoffe im Bereich weniger nmol/L.
Ein weiterer Anwendungsbereich ist das
Monitoring der Photodynamischen Therapie (PDT) z.B. von Tumoren der Haut. Die
meist über die Haut verabreichte Vorstufe
des Photosensibilisators reichert sich im
Tumorgewebe
an,
wandelt sich um und
führt bei Bestrahlung
mit intensivem Laserlicht durch Erzeugung
von reaktiven Sauerstoffverbindungen
im Gewebe zur Zerstörung des Tumors.
Kompakte Handkamera mit Weißlichtkanal (RGB) und zwei NIR-Kanälen.
53
Die gleichzeitig vom Photosensibilisator
abgestrahlte NIR-Fluoreszenz lässt sich
intraoperativ ebenfalls über einen Fluoreszenzkanal des Handheld Devices darstellen und erlaubt so eine Einschätzung
des Abbaus des Photosensibilisators und
damit des Therapiefortschritts.
Im Projekt OptiTom (Diffus-optische Fluoreszenz-Tomographie zur funktionellen
Gewebediagnostik in der minimal-invasiven und interventionellen Medizin), das
im Rahmen des Programms zur Förderung
von Forschung, Innovationen und Technologien (ProFIT) der Investitionsbank Berlin
durchgeführt und von der Europäischen
Union (EFRE) kofinanziert wird, sollen
grundlegende Möglichkeiten der dreidimensionalen Darstellung von oberflächennahen Fluoreszenzquellen beispielsweise
zur Erkennung von Hautkrebs auch im
Hinblick auf die Entwicklung und zukünftige Verfügbarkeit spezifischer Marker untersucht werden.
Kontakt
Dr. rer. medic. Uwe Netz, Dipl.-Phys.
u.netz(at)LMTB.de
54
Karsten Liebold, Jürgen Helfmann
Alternatives to the CO2 laser in surgery
As CO2 lasers (10.6 µm), which are usually used for tissue cutting and ablation,
cannot make use of fibers for beam guidance, investigation of the wavelengths in
the range of the high water absorption
(around 1,500 nm) is important for new
laser systems. To this end, tissue effects
have been simulated for the development
of new high power long-wave lasers and
drafts have also been made for applicators
for various applications.
Das Schneiden und Abtragen von biologischem Gewebe mit dem Laser erfordert
eine hohe Absorption der Strahlung im
Gewebe. Mit ihrer sehr hohen Absorption in dem im Gewebe enthaltenen Wasser sind deshalb langwellige CO2-Laser die
etablierten Systeme. Von großem Nachteil
ist jedoch, dass für ihre Wellenlänge von
10,6 µm keine für die medizinische Anwendung brauchbaren Lichtleitfasern existieren. Es muss mit relativ unhandlichen
Spiegelgelenkarmen gearbeitet werden,
was insbesondere die minimal-invasiven
Anwendungsmöglichkeiten fast vollständig ausschließt. Für die Entwicklung neuer
Lasersysteme ist daher das Absorptionsmaximum des Wassers bei Wellenlängen
um 1.500 nm sehr interessant, für die es
geeignete Fasern gibt.
Innerhalb eines Verbundprojektes zur Entwicklung fasergekoppelter Diodenlaser in
diesem Wellenlängenbereich ist es die
Aufgabe der LMTB, anhand von Gewebemessungen und Simulationen die optimalen Zielparameter für ein solches System
zu ermitteln, Applikatoren, unter anderem
auch für die minimal-invasive Anwendung,
zu entwerfen, aufzubauen und abschließend medizinisch zu validieren.
Simulation der Gewebewirkung
Ausgangsdaten für die Simulation zur Bestimmung der Zielparameter liefern an
der LMTB durchgeführte Messungen der
optischen Eigenschaften von für die Anwendung typischen Geweben. Die MonteCarlo-Simulation liefert die Lichtausbreitung im Gewebe und wird in Verbindung
mit einem Model zur Wärmeleitung und
temperaturabhängigen Gewebeschädigung zur Ermittlung der Laserwirkung genutzt.
Von vorrangigem Interesse für den Entwickler ist vor allem die Bestimmung der
Laserparameter, die eine bestimmte Größe und Form des Gewebeabtrags erzeugen (flache Form für flächigen Abtrag,
tiefe, sehr schmale Form zum Trennen /
Schneiden) und die Ausbildung und Breite
des Koagulationssaumes beeinflussen, in
dem durch die thermisch induzierte Kontraktion eine Blutung aus Gefäßen unterbunden wird.
55
3
mm
2,0
3
3
Abtragsvolumen in mmmm
Abtragsdurchmesser in mm
Abtragsvolumen in
Abtragsdurchmesser in mm
1,5
Abtragstiefe in mm
Abtragstiefe in mm
1,0
0,5
0,0
80
40
20
10
Leistung in W
5
2,5
Abhängigkeit von Abtragsvolumens und -geometrie
von der Leistung bei einer Applikationszeit von 0,03 s
und einem Spotdurchmesser von 600 µm.
0,6
0,6
Koagulationssaum
in mm
Koagulationssaum radialradial
in mm
Koagulationssaum axial in mm
Koagulationssaum
axial in mm
0,4
0,2
0,4
40
20
10
Leistung in W
0,0
80
20
10
Leistung in W
5
5
2,5
Dicke des Koagulationssaumes seitlich und in der
Tiefe in Abhängigkeit von der Leistung (Applikationszeit 0,03 s, Spotdurchmesser 600 µm).
0,2
0,0
80
56
40
Eingangsdaten der Simulation waren die
Leistungs-,
40 respektive
20 Energiedichte,
10 die
W KühSpotgröße sowie derLeistung
Einflussineiner
lung der Gewebeoberfläche durch eine
Flüssigkeitsspülung, wie sie bei endoskopischen Anwendungen verwendet wird.
Im Ergebnis der Simulation zeigte sich,
dass für eine relevante Abtrags- und
Schneidwirkung mittlere Laserleistungen
von 20 W für eine Spotgröße von 600 µm
Durchmesser bis herunter zu 5 W bei
200 µm Spotgröße notwendig sind. Hinsichtlich der Spotgröße eigenen sich die
Einfluss einer Kühlung der Gewebeoberfläche
auf die Applikation: oben Oberfläche an Luft, unten Oberfläche auf 20 °C gekühlt (20 W, 0,03 s,
200 µm); hellrot: Koagulation, dunkelrot: Desikkation, grau: Karbonisation/Vaporisation.
größeren Durchmesser besser zum flächigen Abtragen, während zum Schneiden
Durchmesser unter 300 µm anzustreben
sind. Die Kühlung der Oberfläche bewirkt
eine deutliche Verkleinerung des Abtragsvolumens, die für das Schneiden relevante
Abtragtiefe bleibt aber nahezu gleich.
2,5
Applikatoren
5
2,5
Hinsichtlich der Applikation ist es üblich,
die Faserspitze direkt als Applikator zu
verwenden (Bare-Fiber) oder aber ein
Handstück mit einer zusätzlichen Optik
für das Gewebeschneiden einzusetzen.
Während die Bare-Fiber einen divergenten Strahl abgibt, so dass sich der kleinste
Spotdurchmesser und damit die höchste
Energiedichte beim Arbeiten im Kontaktverfahren ergibt, erlaubt es ein optisches
Handstück, die Energie in einem gegebe-
nenfalls noch kleineren Spot zu konzentrieren, der sich in einem gewissen Abstand
von der Applikatorspitze befindet.
Für die Applikatorentwicklung wurden
deshalb für unterschiedliche Anwendungen mehrere Optiken mit unterschiedlicher Abbildung und Fokuslage entworfen.
Optikdesign mit drei Achromaten für ein Handstück mit Abbildung 0,75:1, Faserdurchmesser
600 µm, NA = 0,22.
Nach Vorliegen der Spezifikationen der
von den Projektpartnern zu realisierenden
fasergekoppelten Dioden werden Handstücke sowohl für die offene Chirurgie, als
auch für endoskopische Anwendung aufgebaut und unter anwendungsnahen Bedingungen getestet.
Die Arbeiten wurden im Rahmen des Programms ProFIT durch das Land Berlin gefördert (Projektnummer 10142248).
Kontakt
Dr. rer. medic. Karsten Liebold
k.liebold(at)LMTB.de
57
David Ashkenasi
Applied Laser Technology
The division Applied Laser Technology is
devoted to identifying and developing
laser processing solutions to demanding
problems. In this context, there is a clear
understanding that the Applied Laser
Technology group is required to operate
as an interface between (university) research and (industrial) application in order
to successfully fulfill its mission. The following working topics are presently on the
agenda at LMTB:
• Microprocessing of brittle and transparent materials
• Selective removal of thin layers for the
solar industry
• Laser bulk coding, either based on color center or micro-dot formation
• Development of optical components
for laser micro processing
nativer Laser-Anwendungen. In engem
Kontakt mit Herstellern optischer Technologien und Anwendern in den Bereichen Anlagenbau, Systemintegration und
Produktion wird an einer marktgerechten
Umsetzung der von der LMTB entwickelten laserbasierten Fertigungsverfahren
gearbeitet.
Folgende Themenschwerpunkte werden
anwenderorientiert in der Angewandten
Lasertechnik bearbeitet:
• Mikrobearbeitung spröder und transparenter Materialien
• Selektiver Abtrag dünner Schichten für
die Solarbranche
• Spannungsfreie und spannungsarme
Innenmarkierung
• Entwicklung von laseroptischen Systemkomponenten für die Mikrobear-
Der Geschäftsbereich Angewandte Lasertechnik verfolgt die Entwicklung und Implementierung von neuen Konzepten zur
lasergestützten Mikrobearbeitung. Die
Tätigkeiten orientieren sich an der Aufgabe einer Schnittstelle zwischen Wissenschaft und Wirtschaft zur erfolgreichen
Umsetzung von Forschungsergebnissen
für die Laserbearbeitung. Eine wichtige
Herausforderung ist dabei die Identifizierung bestehender Fertigungsprobleme
und eine angepasste Entwicklung alter58
„Micro processing of brittle and transparent materials“ Aufnahme von Ring-Ausschnitten unterschiedlichen Durchmessers (1–10 mm) in 3 mm
starkem Floatglas mittels gepulster grüner Laserstrahlung. Zwischenergebnisse einer laufenden
Technologiestudie zur Maximierung der Bearbeitungsgeschwindigkeit.
David Ashkenasi
„Selective removal of thin layers for the solar industry“ Mikroskopaufnahme von zwei Abtragsspuren (30 µm Breite) in der 2 µm dünnen CIS-Schicht
auf Molybdän (Mo) und dem Glasträger. Zwischenergebnisse einer laufenden FuE-Studie zum selektiven Abtrag für die Photovoltaik.
beitung
In der Mikrobearbeitung spröder und
transparenter Materialien werden Lösungen zur präzisen Herstellung von Mikrobohrungen und (Innen-)Konturschnitten
in Flachglas erarbeitet. Gegenwärtig wird
eine weitere Minimierung der Taktzeiten
bei Einhaltung der Präzision in der LaserGlasbearbeitung verfolgt.
Der selektive Laserabtrag dünner Schichten für die Solarbranche wird an Schichtsystemen verfolgt, an denen Isolationskanäle derzeit noch mechanisch mittels
Nadelritzung realisiert werden. Der Einsatz ultrakurzer Laserpulse hat aufgrund
der minimalen thermischen Eindringtiefe
ein hohes Potential für verbesserte Präzision, kleinere und enger liegende Isolationskanäle, und daraus folgend für den
dringend benötigten Effizienzgewinn in
der Dünnschicht-Photovoltaik.
Die Untersuchungen zur laserinduzierten spannungsfreien bzw. spannungsarmen Innenmarkierung sind gegenwärtig
vergleichsweise stärker wissenschaftlich
geprägt, ohne jedoch relevante industrienahe Umsetzungsziele wie beispielsweise
fälschungssichere Innenmarkierung oder
die Herstellung von medizinischen Applikatoren zu vernachlässigen.
Die Entwicklung von Systemkomponenten für die Laser-Mikrobearbeitung, insbesondere die Konstruktion und Implementierung der Eigenentwicklung von
Laser-Trepaniersystemen hat durch das
zunehmende Anwenderinteresse von
Systemintegratoren im Berichtzeitraum
2007–2009 einen signifikanten Schub bekommen. Für tiefe Bohrungen mit hohem
Aspektverhältnis, d.h. Mikrobohrungen in
einem relativ dicken Werkstück, muss der
Laserstrahl zusätzlich unter einem definierten Anstellwinkel auf das Werkstück
gelenkt werden. Der Anstellwinkel des
Laserstrahls wird insbesondere dann benötigt, wenn beispielsweise zylindrische
„Laser bulk coding, micro-dot formation“ Aufnahme
des distalen Ende eines 400-µm-Quarzlichtleiters,
in den mittels ultrakurzer Laserpulse auf einer
Länge von 10 mm über 1 Mio. Streuzentren eingebracht wurden. Das rote Licht stammt von einem
Diodenlaser, der in den Wellenleiter geführt wurde
und (zusätzlich) an den Streuzentren aus der Faser
ausgekoppelt wird.
59
David Ashkenasi
ALLGEMEINE LITERATUR
J. Eichler, H. J. Eichler:
„Laser - Bauformen, Strahlführung,
Anwendungen“
7. Auflage (2010)
Springer-Verlag Berlin, Heidelberg
ISBN 978-3-642-10461-9
„Optical components for laser microprocessing“
Aufnahme eines LMTB-Laser-Trepaniersystems
inkl. Bearbeitungsdüse (Stand Juli 2010) mit motorisierbarer Einstellung des Bohrdurchmessers und
des Laserstrahl-Anstellwinkels auch im Betrieb.
Abmessungen: 185 x 245 x 120 mm3, Gewicht:
5,5 kg.
Bohrungen verlangt sind.
Die LMTB hat zu diesem Zweck Laser-Trepaniersysteme entwickelt, die im vorgenannten Sinne eine Schlüsselkomponente
für den effektiven Einsatz von Lasern in
der Präzisionsbearbeitung von Materialien darstellen.
Kontakt
Forschungsleiter
60
David Ashkenasi, Tristan Kaszemeikat
Mikrobearbeitung spröder
und transparenter Materialien
Laser processing of brittle and transparent materials
Processing of optical materials via laserinduced microablation is becoming increasingly attractive and may be considered a genuine alternative to standard
mechanical and ultrasonic techniques.
We have succeeded in laser machining
different glass materials (float, soda-lime,
duran, borosilicate and optical n-BK7
glass, quartz, sapphire) utilizing versatile
diode-pumped solid state laser systems
which generate nanosecond laser pulses at 532 nm. The laser ablation rate for
glass can exceed 100 µm per pulse yielding surprisingly efficient processing feed
rates. For thin transparent substrates and/
or very precise processing requirements,
processing strategies using 1,000 times
shorter and less energetic picosecond laser pulses are shifting into focus.
„Green Laser Drilling of Glass“, Bearbeitung von
3-mm-Flachglas zur Herstellung von 10-mm-Bohrung mit gepulster Laserstrahlung bei 532 nm.
„High-Aspect Laser Drilling of Glass“, Einbringung
einer Durchgangsbohrung in einem 48 mm K9Glasblock. Die Bohrung wurde extra im Zentrum
aufgeweitet, um das besondere Potential dieses
Verfahrens zu unterstreichen.
Die Herstellung von Mikrobohrungen oder
Konturschnitten an Flachgläsern erfolgt im
Applikationslabor in der Regel mit kurzgepulster Laserstrahlung bei einer Wellenlänge von 532 nm.
Besonderer Vorteil der Bearbeitung mit
der grünen Laserwellenlänge ist es, Glas
von der rückseitigen Grenzfläche aus zu
bearbeiten, da die meisten Glassorten für
grüne Laser transparent sind. Die Abtragsraten sind im Vergleich zur konventionellen vorderseitigen Einkopplung um eine
Größenordnung höher. Zudem lassen sich
fast beliebig hohe Aspektverhältnisse realisieren, da im Gegensatz zum Laserabtrag an der Vorderseite keine Verjüngung
der Bohrung auftritt. Auch schräge Bohrungen lassen sich realisieren. Im LaserApplikationslabor konnten beispielsweise
61
Winkelbohrungen mit 0,6 mm Durchmesser
in Kalk-Natron-Glas unter Winkeln von über
60° realisieren (0° = senkrechte Bohrung).
Aber auch in härteren Werkstoffen wie
Quarz können mit diesem Verfahren auch
komplexere Strukturen realisiert werden.
Laserschneiden
• Geschlossene Innenkonturen möglich
• Maximale Ausbeute bei minimalem
Ausschuss
• auch Dünnstglas (z.B. 100 µm) mit geringem Ausschuss bearbeitbar
Zusätzliche Möglichkeiten
• Partielles Abtragen
• Markieren
• Entfernen von Beschichtungen
Die wirtschaftliche Umsetzung und Verwertung wird eng mit Industriepartnern
aus dem Bereich Maschinenbau und Anlagenherstellung verfolgt. Als Meilenstein
„Laser Machining of Quartz“, Einbringung von insgesamt 12 angewinkelten 1 mm Durchgangsbohrungen (45°) in einem 10 mm starkem Quarzsubstrat.
62
unseres erfolgreichen Know-how- und
Technologietransfers kann die erstmalige
Präsentation einer „Grünen Laser“-Glasbearbeitungsanlage auf der für die Glas-
Das an der LMTB entwickelte Laserverfahren bietet ein weites Spektrum an Vorteilen, die zunehmend von der Industrie
erkannt und mit unserer Unterstützung
umgesetzt werden:
technik bedeutenden Messe Glasstec 2008
Laserbohren
• Verschiedenste Formen
• Keine Begrenzung der bearbeitbaren
Glasdicke bei minimalem Durchmesser
• Minimale Randaufwölbung
• Hohe Flexibilität hinsichtlich der Kontur
• Keine Masken notwendig
erkennbar zu.
in Düsseldorf durch unseren Gesellschafter MDI-Schott AP [1] bezeichnet werden.
Das Interesse an diesem Verfahren für die
Fertigung optischer Bauelementen nimmt
Eine wichtige Komponente der erfolgreichen Umsetzung der Glasbearbeitung mit
kurzgepulster Laserstrahlung (532 nm) ist
der Einsatz des von der LMTB entwickelten, industrietauglichen Trepaniersystems,
das eine schnelle Verteilung von Laserpulsen entlang einer festgelegten Kreisbahn
ermöglicht.
Ein Applikationsbeispiel, das intern bereits intensiv genutzt wird, ist das LaserZuschneiden optischer Komponenten, wie
z.B. Linsen oder Schutzgläsern, die in der
Regel eine dielektrische Schicht besitzen.
Die Beschichtung bleibt bis zur Schnittfuge
vollständig erhalten, sowohl im Kernausschnitt als auch auf dem Ausgangssubstrat.
Im AiF-Vorhaben VF081026 „Laser-Präzisionsbearbeitung mit Plasma-Analyse“
(LAPPA) werden seit Januar 2009 die Untersuchungen zur Laser-Mikrobearbeitung
von harten und spröden Werkstoffen (Glas
und Keramiken) intensiviert. Folgende Ziele werden in diesem Vorhaben verfolgt:
• Realisierung zylindrischer Mikrobohrungen und -gräben (in nicht-transparenten Werkstoffen).
• Entwicklung einer neuen, kompakten
Trepanieroptik mit Anstellwinkel.
• Wissenschaftlich-technische
Analyse der spektralen Information
in laserinduziertem Plasma (beim
Materialabtrag) für eine zukünftige
Online-Kontrolle und -Steuerung der
Laser-Mikrobearbeitung.
NÄCHSTE SCHRITTE
• Maximierung der Taktrate ohne Beeinträchtigung der Bearbeitungsqualität
durch Optimierung der Laserparameter, Prozessumgebung und der Bearbeitungsoptik
• Übertragbarkeit der Laser-Mikrobearbeitung auf andere, „problematische“
Werkstoffe prüfen, z.B. extrem spröde
Gläser, Verbund- und Sicherheitsglas,
Gorilla Glas, etc.
• Übertragbarkeit der Laser-Mikrobearbeitung auf Rohrglas und kleine Kapillargläsern prüfen
• Minimierung der Mikrorauigkeit bei
der Strukturierung von harten und
spröden Werkstoffen, z.B. bei der Herstellung von Sacklöchern oder Mikrogräben
LITERATUR
„Laser Processing of Optical Components“, Antireflex beschichtetes, 1,6 mm starkes BK7 Substrat
nach dem Laserschneiden von drei ½“ Schutzgläsern.
[1] http://www.mdischott-ap.de/
[2] D. Ashkenasi and M. Schwagmeier: “Laser micro-drilling and contour cutting of glass”, The
Laser User Issue 49, Winter 2007
[3] D. Ashkenasi and A. Lemke: “Exploiting internal material reactions in glass using ultra short
laser pulses”, The Laser User Issue 55, Summer
2009, page 26-28
63
[4] M. Schwagmeier, N. Müller, D. Ashkenasi:
“Laser micro machining of metal foils, ceramics and silicon substrates”, Lasers in Manufacturing, WLT Conf. Proc. 2009, 541-547.
Kontakt
Forschungsleiter
64
David Ashkenasi, Andreas Lemke, Manuela Schwagmeier
Selektiver Abtrag dünner
Schichten für die Photovoltaik
Selective removal of thin films
Direct-write laser ablation patterning of
thin functional film such as ITO on glass
and other substrates is needed for repair
applications and also, in lieu of conventional photolithography, for device manufacturing and in thin-film photovoltaic applications. Thermally induced defects are
minimized in the residual material by using
picosecond (or sub-ps) laser technology.
The recent development of high repetition
rate amplified ultrafast lasers presents
interesting possibilities for thin film patterning. A research project on selective
removal of thermally sensitive layers, such
as CIS/CIGS was started in February 2009.
In addition, industrial feasibility studies in
thin film patterning are being conducted
at the LMTB laser application laboratory.
Die Texturierung dünner Funktionsschichten
besitzt in vielen Bereichen der Industrie
Für eine nachhaltige wirtschaftliche Umsetzung der technischen Vorteile von Laserbearbeitungsverfahren an thermisch
und mechanisch „sensiblen“ Schichten
bzw. Schichtsystemen ist insbesondere
eine Minimierung der Wärme-Einflusszone von großer Bedeutung.
Bei dem in der Dünnschicht-Photovoltaik
noch häufig genutzten mechanischen Verfahren der Nadelritzung treten Kräfte auf,
die - ähnlich wie beim Ozean-Eisbrecher eine starke Ausschälung der Schichten an
den Rändern bewirkt. Ein optisch initiierter Abtrag unter Einsatz der Pikosekunden-Lasertechnologie hat das Potential,
Isolationsgräben schichtselektiv mit einer
deutlich höheren Präzision zu generieren,
was potentiell die Moduleffizienz verbessert und so einen Kostenvorteil bei der
Herstellung liefert.
In dem seit Februar 2010 laufenden FuEVorhaben Untersuchungen zum selekti-
eine herausragende Bedeutung. Einige Anwendungsbeispiele sind:
• Herstellung von Abisolierungskanälen
• Geometrisch vordefinierter Abtrag
transparenter Halbeiterschichten
• Gezielte Bearbeitung von Leiterbahnen
• Abtrag dünner „low-K“-Schichten auf
thermisch und/oder mechanisch sensiblen Trägermaterialien
• Hochpräziser Abtrag dielektrischer Schichtsysteme auf optischen Komponenten
Abtrag einer Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid
(CIS) Schicht von 1 µm Dicke auf Molybdän durch
Pikosekunden-Laserpulse.
65
Laserinduzierte Generierung von periodischen
Mikrostrukturen auf Quarz (links) und Molybdän
(rechts).
ven Laserabtrag dünner Funktionsschichten für die Photovoltaik (AiF/IGF 16376)
stehen folgende technischen Ziele im Vordergrund:
• Minimierung der notwendigen Isolationsbreite (< 50 µm)
• Minimierung der Deposition von Abtragsprodukten auf den Funktionsfeldern
• Hohe
Laser-Prozessgeschwindigkeit
(> 1 m/s pro Isolationsspur)
Folgende wissenschaftlich-technische Fragestellung werden im Vorhaben bearbei-
bis in den Sub-Mikrometerbereich, ein
äußerst spannendes Anwendungsfeld,
das zunehmend an Bedeutung gewinnen
wird. Dieser „ripple“-Effekt ist sowohl für
die Grundlagenforschung als auch für eine
zukünftige industrienahe Umsetzung hoch
interessant.
Beispielsweise lassen sich mit geeigneten
Laserparametern und Bearbeitungsoptiken attraktive optische Eigenschaften realisieren. Aber auch ein Engineering der
physikalisch-chemischen
OberflächenMerkmale ist praktizierbar.
NÄCHSTE SCHRITTE
Das am 01.02.2010 gestartete Forschungsvorhaben „16376 N/1 - Abtrag
dünner Schichten“ der Forschungsvereinigung Feinmechanik Optik und Medizintechnik e.V. wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der
Industriellen Gemeinschaftsforschung
tet:
• Einfluss der Spitzenintensität und
Strahlgeometrie auf Zerstör- und Abtragsschwelle
• Einfluss von Pulsanzahl und Pulsabstand auf Abtragsraten und Bearbeitungsqualität
Neben dem selektiven Abtrag von dünnen Schichten ist die Oberflächen-Mikrostrukturierung, beispielsweise die präzise
Ausbildung von periodischen Strukturen
66
Kameraaufnahmen einer laserstrukturierten
Stahloberfläche, die schräg oben von einer Glühlampe beleuchtet wird. Links: Stahlplatte zur Kamera leicht verkippt → „Blautöne“ werden reflektiert; Rechts: Stahlplatte wurde stärker verkippt
→ Sichtbarmachung eines „Farbspektrums“. Der
schwarze Rand wird von unbearbeiteten Zonen
der Stahlplatte gebildet.
und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie
aufgrund eines Beschlusses des Deutschen
Bundestages gefördert. Nach der ersten
Datenbewertung zum Abtragsverhalten
werden sich die Untersuchungen im zweiten Vorhabensjahr auf Fragestellungen
zur Umsetzung einer effizienten und präzisen Realisierung von Isolationskanten
konzentrieren. Ein Industriekonsortium
von ungefähr zehn innovativen deutschen
Unternehmen aus den Bereichen Laseroptik, Maschinenbau und DünnschichtPhotovoltaik begleiten und unterstützen
dieses Vorhaben. Weitere Unternehmen
sind auch nach dem Start des Vorhabens
eingeladen, sich dem Industriekonsortium
anzuschließen.
Kontakt
Forschungsleiter
67
David Ashkenasi, Andreas Lemke
Spannungsfreie und
spannungsarme Innenmarkierung
Stress-free and stress-reduced bulk marking
Ausbildung von Farbzentren
Ionizing radiation (X-ray, gamma rays, electrons) can induce numerous changes in the
physical properties of glass. The most obvious effect is visible coloration, which is
caused by the accumulation of color centers (defects). The application of induced
color centers has prompted renewed in-
Das Interesse an Verfahren, die eine
Kennzeichnung von Glaswerkstoffen ermöglichen, ohne die Stabilität zu beeinträchtigen, ist hoch. Seit einigen Jahren
ist bekannt, dass mit FemtosekundenLaserpulsen in bestimmten Glassorten
eine Verfärbung im Volumen erzielbar ist,
die bisher nur bei radioaktiver Bestrahlung
eintrat. Neuerdings gelingt eine laserinduzierte Verfärbung auch mit industrietauglichen Pikosekunden-Lasern. In Verbindung mit Scannersystemen können nun in
Glassorten wie Kalk-Natron-Glas oder BK7
sehr schnell spannungsfreie Innenmarkierungen eingebracht werden.
terest since these can be generated and
bleached reversibly. Ultra-short lasers at
elevated peak powers combined with fairly
moderate single pulse energies are able to
induce surprising material reactions inside
the bulk of optical dielectrics. The material
reaction can be controlled and optimized
to generate internal markings practically
stress-free based on the browning effect.
The transmission changes in many samples of glass obtained after laser-induced
browning using picosecond pulses were
quite significant, even at 1064 nm and
exceptionally effective at 355 nm. In addition, the processing parameters can be
optimized to transfer the material reaction
into a more persistent modification: the
development of localized density changes,
micro-dots, for applications utilizing an arrangement of stress-reduced spots inside
the bulk material.
Schwellenbetrachtung
Durch die Einwirkung der ultrakurzen Laserpulse können Farbzentren entstehen,
d.h. Elektronen und Lochladungen, die an
2D-Barcode (ca. 20 x 20 x 4 mm3) im Inneren eines 12 mm starken Kalk-Natron-Glases (Optiwhite)
durch laserinduzierte (spannungsfreie) Verfärbung
im Volumen. Links: Vorderansicht, rechts: Seitenansicht (Tiefenausdehnung). Prozessparameter:
532 nm, 7 ps, 50 kHz, 10 µJ.
68
Spannungsfreie und
Leerstellen oder Punktdefekte von Kristal-
wurden zur Schwellenbestimmung Linien-
liten innerhalb des Glases gebunden sind.
strukturen quer in die geschliffenen Glas-
Diese Störstellen besitzen charakteristische
proben eingebracht, um diese dann von
Absorptionsbanden und liefern daher un-
der Seite aus, also senkrecht zur Laserbe-
ter Tageslichtbedingung einen optischen
arbeitung, hinsichtlich ihrer Verfärbung
Farbeindruck. Das so gefärbte Glas behält
besser auswerten zu können. Bei den UV-
insgesamt seine physikalisch-chemischen
Pikosekunden-Laserpulsen (355 nm) ist in
Eigenschaften. Das Umsetzungspotential
vielen Gläsern eine Färbung mit großer
dieser laserbasierten Methode wurde nun
Tiefenausdehnung bereits bei Einzelpuls-
im Rahmen eines AiF-IGF-Forschungspro-
energien deutlich unter 1 µJ zu beobach-
jekts deutlich verbessert, indem gezeigt
ten.
wurde [1-3], dass sich mit PikosekundenLaserpulsen alle gängigen Kennzeichnungen praktisch spannungsfrei in die meis-
Transmissionsänderung
In der nachfolgenden Abbildung ist das
ten Gläser schnell und direkt einschreiben
Transmissionsverhalten
der
erzeugten
lassen.
Verfärbungen im Bereich von 300 bis
Beim Einsatz von Pikosekunden-Laserpul-
1000 nm für Kalk-Natron-Glas und BK7
sen bei 1064 und 532 nm ist ein Schwellen-
dargestellt. Die Verfärbungen wurden mit
wert bezüglich der eingesetzten Einzelpul-
der Wellenlängen-Pulsdauer-Kombination
senergie identifizierbar, unterhalb dessen
532 nm / 7 ps erzeugt. Die Einzelpulsener-
keine Verfärbung im Material beobachtet
gie lag bei 14 µJ, was ungefähr dem dreifa-
wird. Dieser Schwellenwert zur sichtbaren
chen der benötigten Schwellenenergie zur
Glasfärbung ist sowohl wellenlängen- als
Erzeugung von Verfärbungen in diesem
auch materialabhängig. Da die laserindu-
Material entspricht. „Weißes“ Licht wird
zierte Verfärbung ein Volumeneffekt ist,
insbesondere im kurzwelligen Bereich
Laserwellenlänge und
Pulsbreite
Schwelle: Pulsenergie
(µJ)
Schwelle: Spitzenleistung
(MW)
Schwelle: Spitzenintensität im
Fokus (1012 MW/cm2)
1064 nm und 10 ps
(a): 19,5 (b): 13,5
(a): 1,9
(b): 1,3
(a): 0,30
(b): 0,25
532 nm und 7 ps
(a): 6
(a): 0,7
(b): 0,4
(a): 0,15
(b): 0,08
355 nm und 6 ps
(a): < 0,5 (b): < 0,3
(a): < 0,1
(b): < 0,05
(a): < 0,030 (b): < 0,015
800 nm und 0,1 ps
(a): 2,0
(a): 20
(b): 10
(a): 2,0
(b): 3,5
(b): 1,0
(b): 1,0
Schwellenwerte für die laserinduzierte Verfärbung mit Pikosekunden- und Femtosekunden-Laserpulsen für
Kalk-Natron- (Optiwhite) und BK7-Glas (Schott). Die mittlere Anregungsdichte liegt in allen Fällen bei 5.000
Laserpulsen pro mm2.
69
Spannungsfreie und
Transmission in %
BK7 Glas
80
Nach der Verfärbung
70
Kalk-Natron Glas
60
50
40
300
400
500
600
700
800
900
Wellenlänge in nm
Transmissionsverhalten der laserinduzierten Verfärbung für jeweils 4 mm starkes Kalk-Natron- (Optiwhite) und BK7-Glas (Schott) nach Einwirkung
von 7-ps-Laserpulsen bei 532 nm, 50 kHz, 14 µJ
Einzelpulsenergie, einem Linienabstand von 25 μm
und Schreibgeschwindigkeit von 250 mm/s.
abgeschwächt. Die starke Absorption im
blauen Spektralbereich erklärt auch den
beobachteten rötlich-braunen Farbton
der Verfärbungen. Charakteristisch für
Kalk-Natron-Glas sind die beiden Absorptionsstufen bei 400 und 600 nm, die bestimmten Farbzentren zugeordnet werden können. Das Transmissionsverhalten
der laserinduzierten Verfärbungen im BK7
besitzt einen gleichmäßigeren Kurvenverlauf, der bei ca. 850 nm das ursprüngliche
Niveau ungestörter Transmission erreicht,
so wie auch beim Kalk-Natron-Glas.
Langzeitstabilität
Die in den Gläsern induzierten Verfärbungen werden bei Zimmertemperatur mit
der Zeit schwächer, d.h. diese Form der
Innenmodifikation ist nicht dauerhaft.
Nebenstehende Abbildung zeigt die Änderungen im Transmissionsverhalten kurz
70
nach der Bearbeitung sowie ca. 100 Tage
später. Dieses Phänomen ist bekannt für
Defekte im Glas, die auf einer Akkumulierung von Farbzentren beruhen. Die Beobachtungen zur Stabilität laserinduzierter Verfärbungen in Gläsern entsprechen
den Ergebnissen der Farbzentrenbildung
nach ionisierender Bestrahlung. Die materialabhängige Ausbleichung folgt einem
annähernd logarithmischen Zeitverhalten,
so dass in einigen Glassorten auch nach
Jahren noch eine schwache Verfärbung
feststellbar ist.
Die laserinduzierten Verfärbungen sind
gegenüber Umwelteinflüssen relativ stabil. Trotz Ausbleichungstendenz verbleibt
die Verfärbung bei üblichen Temperaturen und Tageslichtverhältnissen über Jahre hinweg sichtbar und auslesbar. Sie lässt
sich aber auch durch Erwärmung bei Bedarf wieder löschen. Dieses Ausbleichen
ist bei gegebener Anfangsfärbungsinten95
90
Transmission in %
Vor der Verfärbung
90
85
80
75
70
65
unbearbeitet
A: wenige Tage nach der Bearbeitung
B: 100 Tage nach der Bearbeitung
(Lagerung bei Raumtemperatur)
C: B + 10 min. bei 100°C
D: C + 40 min. bei 130°C
60
55
50
300
400
500
600
700
800
900
Wellenlänge in nm
Transmissionsverhalten einer laserinduzierten Verfärbung in Kalk-Natron-Glas (Optiwhite) wenige
Tage nach der Lasergenerierung; A: nach ca. 100
Tagen, B: wie A, aber nach Erwärmung auf 100 °C,
C: wie B, aber nach Erwärmung auf 130 °C.
Spannungsfreie und
sität für jedes Material spezifisch und
reproduzierbar. Somit kann die zeitliche
Veränderung der Transmission einer laserinduzierten Verfärbung z.B. als Indikator
für die korrekte Lagerung bzw. eine erfolgte Heißdampfsterilisation medizinischer
Produkte dienen.
Bei der Wahl von Glasoptiken zur Strahlführung von Pikosekunden-Laserpulsen,
z.B. Objektiven aus BK7, sollte man bereits
bei einer Wellenlänge von 1064 nm mit einer Braunfärbung dieser Optiken rechnen,
insbesondere bei geringem Strahlquerschnitt und stationärer Dauerbestrahlung
mit hohen Einzelpulsenergien von einigen
100 µJ.
Ausbildung von Streuzentren
Durch die Wahl von Pulsenergie, Pulsdichte und Zyklenzahl lässt sich die Intensität
der Verfärbungen variieren, um z.B. die
Lesbarkeit über einen längeren Zeitraum
zu erhöhen. Neben der unteren Modifikationsschwelle wird auch eine obere Grenze beobachtet, ab der mit der Entstehung
kleiner Streuzentren zusätzliche Eigenspannungen im Material induziert werden
können. Dieser Übergang zur Ausbildung
von „microdots“ kann für viele Anwendungen von großem Vorteil sein. Auf Grund
der bisherigen Beobachtungen wird angenommen, dass ein laserinduzierter „microdot“ durch eine Veränderung des Brechungsindexes des Materials definiert ist.
Diese Brechungsindexänderung führt zu
einer Beugung des das Glas durchlaufenden Lichts.
Bei einer Matrixanordnung der „microdots“ wirken diese somit wie ein Beugungsgitter, das bei einer geeigneten
Gitterkonstante, also entsprechendem
„microdot“-Abstand, in Transmission wie
Reflexion zu einer Spektralzerlegung des
Lichts führt. Das Farbspektrum im Beispiel
unten wurde durch Beleuchtung mit einer
einfachen Glühlampe erzeugt.
Streuzentren in Quarzfasern
Die Einbringung von Streuzentren in
Quarzfasern besitzt für medizintechnische
Anwendungen eine große Bedeutung. Ein
Ziel ist die Weiterentwicklung einer neuen Fertigungsmethode für medizinische
Fasern.
Aufnahme von Gitterlinien, die mit PikosekundenLaserpulsen von oben nach unten in einem K9Glasblock eingeschrieben wurden. Prozesszeit ca.
30 min. für die Ausbildung von ca. 1,5 Millionen
„microdots“ auf einer Fläche von 40 x 40 mm2.
71
Spannungsfreie und
Die hohe Spitzenintensität von ultrakurzen
fokussierten Laserpulsen ruft eine gezielte
und lokal begrenzbare Materialreaktion
hervor, beispielsweise im Innern einer
400-µm-Quarzfaser mit Buffer. Es können
ohne Rissbildung gezielt Mikrometer große Gefügeänderung induziert werden, die
in der Quarzfaser als Streuzentren fungieren. In der Faser geführte Laserstrahlung kann so – praktisch absorptionsfrei –
seitlich aus der Faser diffus abgestrahlt
werden. Der Herstellungsprozess ist automatisierbar, so dass der bisherige hohe
manuelle Aufwand bei der Fertigung flexibler Applikatoren mit einer Silikonmatrix entfällt. Die Bearbeitung kann online
Oben: Prinzipskizze zur Einbringung von Streuzentren in eine Quarzfaser mittels ultrakurz gepulster
Laserstrahlung. Unten: Beispiel einer 400-µmQuarzfaser nach der Einbringung von Streuzentren mit zunehmender Tiefe (die Verteilung der
Streuzentren erfolgt entlang einer Spiralbahn, die
im Durchmesser von links nach rechts abnimmt).
Ein in der bearbeiteten Quarzfaser geführter roter
Lichtstrahl eines Diodenlasers wird rotationssymmetrisch seitlich ausgekoppelt.
72
verfolgt und gesteuert werden und theoretisch mit dem Fasermaterial „von der
Rolle“ durchgeführt werden. Der wesentliche Schritt zur Herstellung eines Applikators könnte in weniger als einer Minute
erfolgen. Bei Einhaltung der relevanten
Prozessparameter werden besser reproduzierbare Herstellungsergebnisse mit
deutlich geringerer Ausschussrate erwartet.
NÄCHSTE SCHRITTE
In einem AiF-IGF-Forschungsvorhaben mit
voraussichtlichen Starttermin Januar 2011
wird in Kooperation mit dem Max-Born-Institut, Berlin, die präzise, reproduzierbare
Einbringung und Verteilung von Mikromodifikationen in das Innere eines Werkstoffs
mittels ultrakurzer Pulse untersucht. Die
wissenschaftlich-technischen Projektziele
in diesem Vorhaben sind:
• Charakterisierung der laserinduzierten
Mikromodifikationen:
–– Außenstruktur (Durchmesser, Tiefenausdehnung)
–– Struktur im Inneren (Nano-Cracks,
Kavitäten)
–– Dichteverteilung
–– Brechungsindexänderung
–– Materialabhängigkeiten (Quarz, KalkNatron-Glas, n-BK7, Polycarbonat)
–– Zeitaufgelöste Untersuchungen zur
Entstehung
–– Möglichkeiten einer Online-Kontrolle
Spannungsfreie und
• Potentielle Steuerung bei der Herstel-
–– Gitterwirkung, z.B. in Lichtleitfasern
lung von Mikromodifikationen:
(Bragg-Gitter) oder in Flachmateria-
–– Einfluss der Wellenlängen-Pulsdau-
lien („Farb“-Markierung)
er-Kombination
–– Einfluss der Strahlführung
–– Einfluss der Pulsanzahl (Einzel- und
Mehrfachanregung)
–– Einfluss der Materialtiefe (3D-Option)
–– Einfluss von Zuschlagstoffen (z.B.
Nano-Cluster in der Glasmatrix)
• Untersuchung der kollektiven Wirkung
der Mikromodifikationen:
–– Erzielbare Mikromodifikationsdichte (DPI)
–– Erzielbare Spannungsverteilung
–– Erzielbare diffraktive Wirkung (Beugungseffizienz)
–– Einfluss der 3D-Verteilung (Tiefenwirkung)
–– Einfluss der Beleuchtungsanordnung
• Prüfung potentieller Anwendungen:
–– Einsatz von am Markt befindlichen
Markierungsstandards (auslesbar)
–– Unsichtbare bzw. verborgene Markierung in Gläsern und Polymeren
(Brillenoptiken)
–– Markierungen im Glas, die (nur) unter bestimmten Lichtverhältnissen
sichtbar werden
–– Ablenkung von Licht, z.B. in Lichtleitfasern (Diffusorenherstellung)
–– Herstellung photonischer Kristalle
–– Generierung einer Spannungsverteilung in ausgewählten Gläsern.
–– Umsetzung holografischer Strukturen im Inneren (DOE)
–– Datenspeicher mit extrem langer Lebensdauer (CD/DVD aus Quarzglas)
DANKSAGUNG
Das Forschungsvorhaben „14982 – Generierung spannungsfreier Innenmarkierungen“ der Forschungsvereinigung Feinmechanik, Optik und Medizintechnik e.V.
wurde vom 01.12.2006 bis zum 31.05.2009
über die AiF im Rahmen des Programms
zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF)
vom Bundesministerium für Wirtschaft
und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages BMBF gefördert.
LITERATUR
[1] D. Ashkenasi: “Non-linear response in optical
material using ultra-short laser technology”,
SPIE Proc. 6458, 2007 (in print)
[2] Abschlussbericht im AiF-IGF Projekt 14982,
http://www.lmtb.de/lasertechnik/index_
de.php
[3] D. Ashkenasi, A. Lemke: “Exploiting internal
material reactions in glass using ultra short laser pulses“, The Laser User Issue 55, Summer
2009, 26-28 (2009)
73
Spannungsfreie und
[4] D. Ashkenasi: “Laser induced color centers in
glasses, similarities to X-ray excitation and
possible implications for optics“, Lasers in
Manufacturing WLT, Conf. Proc. 2009, 799-805
(2009)
Kontakt
Forschungsleiter
74
David Ashkenasi, Norbert Müller, Tristan Kaszemeikat, Reinhard Dietrich
Laseroptische Systemkomponenten
für die Mikrobearbeitung
Trepanning Systems for Laser Micromachining
Within the framework of application orientated research and in the context of
the development of new laser processing
schemes, an implementation of optimal
laser beam guiding and distribution tools
is of utmost importance. With respect to
the challenges in laser micromachining,
we have succeeded in realizing innovative
opto-mechanical components to support
laser beam monitoring and alignment
requirements in applied laser technology. For example, the development of a
trepanning system involves a complete
work flow pattern of setting implementation goals, patenting new ideas, conducting optical ray-tracing, designing the
opto-mechanical construction, and the
construction of “simple” laboratory setups for the proof-of-principle demonstration. The new trepanning optics represent
gen erprobt und häufig als „einfache“ Laborversion umgesetzt. Die optischen Komponenten für die angewandte Lasertechnik
werden zum Teil bereits als OEM-Bauteil
in kommerziellen Geräten eingesetzt bzw.
sind für unsere Endkunden im Bereich
Anlagenbau ein wichtiger Bestandteil
eines erfolgreichen Technologietransfers.
Ein Beispiel hierfür ist „Mr. Power Beam”,
ein online-fähiges Leistungsmessgerät.
Messeinheit und Elektronik (inkl. PCAnbindung) sind eigene Entwicklungen.
Mehrere OEM-Komponenten zur präzisen
Langzeit-Leistungsmessung und -kontrolle
sind erfolgreich im Einsatz.
In zahllosen technischen Fertigungsprozessen werden hochpräzise, kreisrunde
Öffnungen mit Durchmessern von einigen
Millimetern bis zu wenigen Mikrometern
benötigt. Oft ist die Qualität dieser Öffnungen entscheidend für das Produkt, z.B. in
der Automobilindustrie (Einspritzdüsen),
an important milestone in the technology
transfer for applied laser technology.
Im Rahmen der an der LMTB verfolgten
Anwendungsforschung und Verfahrensentwicklung zu Fragestellungen in der
Laser-Materialbearbeitung werden Komponenten zur Strahlkontrolle, Strahlführung und motorischen Strahlablenkung
entwickelt, konstruiert, erfindungsgemäß
abgesichert, für verschiedene Anwendun-
Konstruktionsbilder, Beispiele zur Leistungskontrolle und –regelung. Oben: Sehr kompakter Messkopf für ½ Zoll-Optiken; unten: Messkopf für Bearbeitungsoptiken mit einer Laserleistung bis 5 kW.
75
im Kraftwerksbereich (Kühlbohrungen in
Turbinenschaufeln), in der Solarbranche
(Emitter-Wrap-Through-Zellen), in der
Displaytechnologie
(Touchscreen-Glasabdeckungen) und in der Textilindustrie
(Spinndüsen).
• Stufenlose schnelle Einstellung des
Trepanierdurchmessers von 0 bis
600 µm: Die Einstellung erfolgt in weniger als 1 s. Größere Durchmesser bis
2 mm sind möglich.
• Stufenlose schnelle Einstellung des
Ablenkwinkels: Unter- und Überschneidungen können in weniger als
1 s im Bereich 5°…0…+5° eingestellt
werden.
• Geringeres Gewicht: Abhängig von der
Konstruktionsbilder, Beispiele zur Trepanieroptik.
Links: Trepaniersystem für die (rückseitige) Glasbearbeitung; rechts: Trepaniersystem zur Realisierung
von Unterschneidungen und/oder zylindrischen
Mikrolöchern in nicht transparenten Werkstoffen
(Metall, Halbleiter, Keramik).
Der Bereich Angewandte Lasertechnik der
LMTB hat zu diesem Zweck Trepaniersysteme entwickelt, die im vorgenannten
Sinne eine Schlüsselkomponente für den
effektiven Einsatz von Lasern für die Präzisionsbearbeitung von Materialien darstellen. Diese Trepanieroptiken weisen
erhebliche Vorteile gegenüber dem Stand
der Technik auf:
• Optimale Strahlfokussierung auf dem
Werkstück: Beim LMTB-System kann
der Laserstahl die Fokussieroptik optimal zentral ausleuchten.
• Sehr hohe Drehgeschwindigkeiten:
LMTB-Trepaniersysteme wurden bereits mit Drehgeschwindigkeiten bis
40.000 U/min realisiert (1/4-Zoll-Optiken).
76
Version liegt das Gewicht der LMTBTrepanieroptiken zwischen 3 kg und
< 10 kg.
• Kompakte Abmessungen: Das LMTBTrepaniersystem beansprucht weniger
als die Hälfte des Volumens, verglichen
mit der Konkurrenz.
• Konkurrenzfähige Kosten: Das LMTBTrepaniersystem
kann
deutlich
preiswerter angeboten werden und
erlaubt so, neue Anwendungen zu
erschließen.
Im Laser-Applikationslabor werden die
Umsetzungsversionen der Trepaniersysteme mit gütegeschalteten FestkörperLasersystemen (Pulsbreiten im Nano- und
Pikosekundenbereich) eingesetzt und erprobt. In einem Bearbeitungsbeispiel zur
Testung konischer Bohrungen wurde in
der Mikrobohrung bei einem 800 µm starken Aluminiumblech ein Anstellwinkel von
4,5° realisiert. Die Laseraustrittsöffnung
von ca. 280 µm ist deutlich größer als das
Eintrittsloch von ca. 180 µm.
Solche konischen Bohrgeometrien sind
beispielsweise eine wesentliche Forderung der Autoindustrie bei der Laser-Trepanierung zur Düsenherstellung (verbesserte Einspritzdüsen zur Verringerung der
CO2-Abgaswerte).
Links: Trepaniersystem mit motorisierbarer Einstellung von Durchmesser und Einstellwinkel im
Betrieb; Rechts: Schliffbild eines Bearbeitungsbeispiels in 800 µm starkem Aluminium mit einem Anstellwinkel von 4,5°.
Das neue LMTB-Trepaniersystem (siehe
Umsetzungsbeispiel oben) kann zur Laser-Präzisionsbearbeitung (Mikrobohren,
Konturschneiden und Fräsen) von beliebigen Werkstoffen verwendet werden. Die
verschiedensten Facetten folgender Anwendungsfelder werden im Laser-Applikationslabor untersucht:
• Präzisionsbearbeitung transparenter
Werkstoffen (Glas, Quarz, Zerodur)
• Mikrobohrungen in Metallfolien und
blechen, Keramiksubstraten und Silizium-Wafern
• Schonender Abtrag dünner Schichten
für die Mikroelektronik und Photovoltaik
Eine in der Laser-Mikrobearbeitung häufig
formulierte Forderung ist die Realisierung
von Mikrogräben und Mikrobohrungen
ohne Konizität. Das neue LMTB-Trepaniersystem erfüllt auch diese Voraussetzung.
Unten stehende Abbildung zeigt eine
1 mm lange Durchgangsbohrung mit einem Bohrdurchmesser von 117 µm, sowohl eintritts- wie austrittsseitig.
Die zugrunde liegenden Entwicklungen
sind Gegenstand mehrerer Patentanmeldungen der LMTB. Lizenzvertragsverhandlungen mit mehreren Unternehmen, die
sich mit dem Thema Laserbohren jahrelang beschäftigt haben, belegen Originalität und innovativen Charakter unserer
Trepanieroptik.
entrance
117 µm
exit
117 µm
Links: Querschliff einer 1 mm starken AlN-Scheibe
nach Laser-Trepanierbohrung; rechts: Mikroskopaufnahmen der Mikrobohrung auf der Eintrittsund Austrittsfläche.
77
NÄCHSTE SCHRITTE
Die Weiterentwicklung der LMTB-Trepaniersysteme für die Mikrobearbeitung
nicht-transparenter Werkstoffe orientiert
sich verstärkt an marktrelevanten Umsetzungszielen:
• Entwicklung einer aktiven Regelung
der optischen Komponenten des Trepaniersystems
• Schnittstellen-Anbindung an übliche
CNC-Achsensteuerungssysteme
• Robuster 24/7-Betrieb in der Produktion
• Applikationsuntersuchungen mit unterschiedlichen
Laserparametern
(Wellenlänge und Pulsdauer)
• Festlegung von Standard-Trepaniersystemen für die vordringlich benötigten
Lochgeometrien und Toleranzanforderungen
Die Entwicklung der LMTB-Trepaniersysteme wird seit dem 01.01.2009 durch das
Bundesministerium für Wirtschaft und
Technologie unterstützt (VF 081026).
LITERATUR
[1] M. Schwagmeier, N. Müller, D. Ashkenasi:
“Laser micro machining of metal foils, ceramics and silicon substrates”, Proc. of the Fifth
International WLT-Conference on Lasers in
Manufacturing 2009
78
Kontakt
Forschungsleiter
Laserkurse
Die LMTB bietet seit ihrer Gründung als
LMZ regelmäßig Laserkurse für Mediziner,
Zahnmediziner und später in Zusammenarbeit mit der Handwerkskammer Berlin,
der Photon AG sowie der Unfallkasse Berlin auch für technische Laseranwender
an.
Der firmenunabhängige Kurs „Lasermedizin von A-Z“ vermittelt die für den Umgang mit dem Laser notwendige Sachkunde und bietet zugleich die Qualifikation
zum „Laserschutzbeauftragten“. Er wird in
immer wieder überarbeiteter und aktualisierter Form seit nunmehr über 20 Jahren
gemeinsam mit Prof. Dr. med. Hans-Peter
Berlien und der jeweils von ihm geleiteten
Laserklinik veranstaltet.
über die verschiedenen Einsatzgebiete
von Lasern in der Medizin verschaffen
möchten, wie an diejenigen, die bereits
über einen Laser verfügen. Vor einer Kaufentscheidung stehende Ärzte erhalten das
nötige Basiswissen, um Herstellerangaben
bewerten zu können und den für ihr Anwendungsspektrum passenden Lasertyp
zu finden.
Auch formale Aspekte, deren Berücksichtigung eine Voraussetzung für die rechtssichere Anwendung von Lasern an Menschen bildet, kommen in den Kursen nicht
zu kurz: Medizinische Lasersysteme gehören zu den aktiven Medizinprodukten, die
nach der Medizinprodukte-Betreiberverordnung nur von Personen betrieben und
angewendet werden dürfen, die dafür
Als interdisziplinäre Forschungs- und Aus-
die erforderliche Ausbildung oder Kennt-
bildungseinrichtung stellt die LMTB in die-
nis und Erfahrung besitzen. Beim Betrieb
ser Partnerschaft anerkannte Spezialisten
von Lasereinrichtungen der Klassen 3R, 3B
für die Betreuung der Kursteilnehmer:
und 4 in den Behandlungsräumen ist fer-
Physiker übernehmen die Vermittlung
ner laut Unfallverhütungsvorschrift BGV
der physikalischen und lasertechnischen
B2 „Laserstrahlung“ die Bestellung eines
Grundlagen und Sicherheitsexperten das
Laserschutzbeauftragten nötig, falls der
Sicherheitstraining. Die klinischen Kurs-
Betreiber diese Qualifikation nicht selbst
teile werden in Theorie und Praxis von den
hat. In Zukunft sind verschärfte Anforde-
Ärzten der Abteilung Lasermedizin der Ev.
rungen zu erwarten, die sich aus einer in
Elisabeth-Klinik vermittelt, die über lang-
Bearbeitung befindlichen Verordnung auf
jährige Erfahrung in Praxis und Forschung
Grundlage des Gesetzes zum Schutz vor
verfügen.
nichtionisierender Strahlung bei der An-
Der Kurs richtet sich sowohl an interes-
wendung am Menschen (NiSG) ergeben
sierte Mediziner, die sich einen Überblick
werden.
79
Sicherheitskurse für Laseranwender in
sammenarbeit in Forschungsprojekten.
Laboren und mit diesem Thema befass-
Dabei bietet die Zusammenarbeit auch
te Sicherheitsfachkräfte werden von der
die Möglichkeit der zeitweisen Übernah-
LMTB seit einigen Jahren in Zusammenar-
me von wissenschaftlichen Mitarbeitern
beit mit der Unfallkasse Berlin veranstaltet.
in die LMTB bis zur Bewilligung von For-
Die Laserkurse im technischen Bereich für
schungsstellen in Hochschul-Instituten.
Zahntechniker und Goldschmiede sowie
Facharbeiter wurden vom Bereich Ange-
Die vernetzte Kompetenz der LMTB wird
wandte Lasertechnologie koordiniert.
zur Identifikation gemeinsam zu bearbeitender Forschungsfragestellungen genutzt
Zusammenarbeit mit Hochschulen
Die LMTB vermittelt in Zusammenarbeit
mit Industriebetrieben der Region und
Gesellschaftern Angebote für Studien-,
Bachelor- und Diplomarbeiten an Studenten der Berliner und auswärtigen Hochschulen, führt eigene Praktika, Diplomund Studienarbeiten durch und betreut
Dissertationen und Habilitationsarbeiten.
Ein Vorteil liegt hierbei für die Gastwissenschaftler darin, die hochwertige Ausstattung der LMTB nutzen zu können. Die
industriellen Kontakte zu unseren Gesell-
sowie zur schnellen Abklärung der Herausforderungen und Randbedingungen,
insbesondere auch in Hinblick auf Anwenderkreise in Industrie und Medizin.
Damit erweitert die LMTB die Kompetenzen der Partner und wird dem Technologie-Transfergedanken der LMTB gerecht.
Mitarbeiter der LMTB stehen für Lehrveranstaltungen zur Verfügung, was seit
Jahren mit der TU Berlin in der Vorlesung
Medizinelektronik
(Prof.
Orglmeister)
durch Behandlung des Themas „Einführung
schaftern und weiteren kooperierenden
in die Lasermedizin und Hochfrequenzchi-
Unternehmen sind nützlich für gemein-
rurgie“ sowie der Experimentellen Übun-
same Forschungsvorhaben und künftige
gen zur Medizinischen Gerätetechnik II
Arbeitsplätze der wissenschaftlichen Mit-
(Prof. Kraft) mit dem Thema „Medizinische
arbeiter und betreuten Studenten.
Laser“ praktiziert wird. Weiterhin wurden
die Physikalischen Übungen für Physiker II
Gemeinsame
Forschungsprojekte
der
betreut.
LMTB mit Hochschul-Instituten führen zu
80
einem Austausch von Diplomanden und
Ebenfalls werden Weiterbildungsveran-
Doktoranden auf Basis einer späteren Zu-
staltungen der TU Berlin unter Nutzung
der messtechnischen und gerätetechnischen Ausstattung der LMTB durchgeführt
und Praktika für Studenten im Rahmen
des Europtics-Kurs (European Master of
Science in Optics) bereitgestellt. Ein praktisches Beispiel für solche Weiterbildungsveranstaltungen ist die Laserschutzbelehrung am Institut für Optik und Atomare
Physik (IOAP) der TU Berlin mit Lehrmaterialien der LMTB sowie die Beteiligung am
Seminar für Optik und Photonik.
Wissenschaftskommunikation
Auch Publikumsveranstaltungen zur Förderung der Interaktion zwischen Öffentlichkeit und Wissenschaft wurden und
werden von der LMTB regelmäßig zur
Außendarstellung genutzt. Hier sind z.B.
bezirkliche Veranstaltungen zum Wissenschaftsjahr 2010, mehrere Lange Nächte
der Wissenschaft und die der Berufsorientierung dienenden TU–SchülerInnen-InfoTage zu nennen.
Kontakt
Dipl.-Ing. Hans-Joachim Cappius
Technischer Leiter
h.cappius(at)LMTB.de
81
Norbert Müller steht für
mechanische wie optische
Konstruktion und Entwicklung
bei der LMTB seit 1995, davor
beim Festkörper-Laser-Institut
(FLI). Sein besonderes Augenmerk gilt der Entwicklung
laseroptischer Komponenten.
Fakten
Organisationsstruktur
Geschäftsführung
Dr. G. Illing
Prof. H. J. Eichler
Dipl.‐Kff. K. Guthmann‐Scholz
IT
R. Klein
Medizintechnik/
Dr. J. Helfmann
Forschungsleiter
Dr. D. Ashkenasi
Forschungsleiter
Technischer Betrieb
H.‐J. Cappius
Technischer Leiter
Finanzen
Verwaltung
K. Guthmann‐Scholz
Prokurisitin
Gewebeoptik und Spektroskopie
Dr. J. Helfmann
Innenmarkierung
T. Kaszemeikat
Mechanische Werkstatt
L. Krebs
Personalwesen, Reisen, Messen
G. Beckmann
Streulicht‐
Tomographie
Dr. U. Netz
Bearbeitung spröder Materialien
N. Müller
Elektronische Werkstatt
R. Dietrich, E. Ott
Sekretariat
Kursassistenz
M. Schöppe
Bildgebende Verfahren
R. Schütz
Dünnschichtabtrag
A. Lemke
Gerätebeschaffung und ‐wartung
Fibu, Einkauf, Rechnung
B. Gröbel
Molekulare Diagnostik
Dr. J. Helfmann
Laseroptische Komponenten
N. Müller
Raum‐ und Haustechnik
Weiterbildung
F. Zgoda
Applikationslabor/ Service
Dr. D. Ashkenasi
Fakten
83
Geschäftsführung,
Aufsichtsrat und Gesellschaftler
Geschäftsführung
Dr. rer. nat. Hansjörg Albrecht
Sprecher der Geschäftsführung bis 30. September 2008
Geschäftsführer bis 28. Februar 2009
Dr. rer. nat. Gerd Illing
Sprecher der Geschäftsführung ab 1. Oktober 2008
Prof. Dr.-Ing. Hans Joachim Eichler
Wissenschaftlicher Geschäftsführer
Dipl.-Kff. Kirsten Guthmann-Scholz
Prokuristin ab 1. Oktober 2008
Aufsichtsrat
Vorsitzender
Dr. rer. nat. Frank Frank
Ebersberg
Stellvertretender Vorsitzender
Prof. Dr. med. Manfred Gross
Charité - Universitätsmedizin Berlin
Prof. Dr.-Ing. Klaus Petermann
Technische Universität Berlin
Prof. Dr. Dr. Michael Ungethüm (bis 11. Februar 2009)
Aesculap AG, Tuttlingen
Dr.-Ing. Andreas Hahn (ab 11. Februar 2009)
Sorin Group Deutschland GmbH, München
Dr. Augustin Siegel (bis 13. Februar 2009)
Carl Zeiss AG, Oberkochen
Dr. Christoph Hermanns (ab 11. Februar 2009)
MDI Schott Advanced Processing GmbH, Mainz
Michael Martin
KLS Martin GmbH + Co. KG, Umkirch
Dr. Wolfgang Neuberger
biolitec AG, Jena
84
Fakten
Geschäftsführung,
Aufsichtsrat und Gesellschafter
Wolfgang Wunderl
Dornier MedTech Laser GmbH, Weßling
Dr. Stefan Schaller (bis 13. Februar 2008)
Siemens AG, Erlangen
Dr. Jürgen Simon (ab 13. Februar 2008)
Siemens AG, Erlangen
Dr. Clemens Scholz
W.O.M. World of Medicine AG, Berlin
Prof. Dr. med. Bernd Hamm (ab 13. Februar 2008)
Dr. rer. nat. Hansjörg Albrecht (ab 16. September 2009)
Prof. Dr.-Ing. Gerhard Müller (bis 9. September 2008)
Prof. Dr. Günter Fuhr (bis 7. März 2008)
Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik, St. Ingbert
Gesellschafter
Aesculab AG, Tuttlingen (bis 11. Februar 2009)
Sorin Group Deutschland GmbH, München (ab 11. Februar 2009)
Carl Zeiss AG, Oberkochen (bis 13. Februar 2009)
MDI-Schott Advanced Processing GmbH, Mainz (ab 11. Februar 2009)
KLS Martin GmbH + Co. KG, Umkirch
biolitec AG, Jena
Dornier MedTech Systems GmbH, Weßling
Siemens AG, Berlin und München
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., München
(bis 13. Dezember 2007, Verkauf der Anteile an Forschungsvereinigung Feinmechanik,
Optik und Medizintechnik e.V., Berlin)
Forschungsvereinigung Feinmechanik, Optik und Medizintechnik e.V., Berlin
W.O.M. - World of Medicine AG, Berlin
Dr. Hielscher GmbH, Teltow
Fakten
85
Laufende öffentlich finanzierte Projekte
Projekttitel
Thema
Optische Methoden zur
Reinigungs- und Kontaminationskontrolle Teilvorhaben: Datenerfassung und
Umsetzung optischer Messprinzipien, Verbundkoordination
Verbundprojekt zur Entwicklung von optischen
und spektroskopischen Verfahren zur Bestimmung der Restkontamination und Verschmutzung nach einer Reinigung für die Einsatzgebiete Lebensmittel verarbeitende Industrie,
Pharmazeutik und Gesundheitstechnologie
OptiVivo – Einsatz spektral
und radial aufgelöster
Rückstreumessungen zur
nicht invasiven optischen
In-vivo-Gewebecharakterisierung
Entwicklung eines Verfahrens zur In-vivoBestimmung der wellenabhängigen optischen
Parameter ohne Probenpräparation anhand
von Rückstreumessungen
OptiTom – Diffus-optische
Fluoreszenztomographie
zur funktionellen Gewebediagnostik in der minimalinvasiven und interventionellen Medizin
Dreidimensionale Erfassung eines oberflächennahen Gewebevolumens, wodurch die in
Rückstreugeometrie erzeugten Schnittbilder
der Streu-, Absorptions- und Fluoreszenzeigenschaften das Auffinden und die Interpretation
pathologischer Areale ermöglichen
Nicht-invasive Messung
der Hb-Konzentration im
Blut durch MultispektralAnalyse - NIKOMA
Verbundprojekt zur Messung und Simulationen
zur Hämoglobinbestimmung bei der Pulsspektroskopie
Etablierung einer Plattform zur Wirkstoffforschung auf der Basis von
Peptiden (OPTOPROBE)
Verbundprojekt zur Etablierung einer Plattform zur Wirkstoffforschung auf der Basis von
Peptiden, Teilprojekt der LMTB zur Entwicklung
eines optischen Auslesesystems für die Bestimmung der Bindungskinetik von Peptidbibliotheken in Kapillarplatten
Fakten
30.06.2010
Zuwendungsgeber/
Programm
BMBF
Innovationen als
Schlüssel für die
Nachhaltigkeit in der
Wirtschaft
30.09.2010
EFRE + Land Berlin
Programm zur Förderung von Forschung,
Innovation und Technologien (ProFIT)
31.12.2010
EFRE + Land Berlin
31.03.2011
BMWi
Förderung von innovativen Netzwerken,
InnoNet
30.04.2012
BMBF
Optische Technologien
in den Lebenswissenschaften - Grundlagen
zellulärer Funktionen
31.05.2011
EFRE + Land Berlin
Laser Präzisionsbearbeitung mit Plasma-Analyse
(LAPPA)
Untersuchungen zur Laser-Mikrobearbeitung
von harten und spröden Werkstoffen (Glas
und Keramiken), Ziele: Zylindrische Mikrobohrungen und -gräben in nicht-transparenten
Werkstoffen, Entwicklung einer neuen, kompakten Trepanieroptik, Analyse der spektralen
Information in laserinduziertem Plasma beim
Materialabtrag
30.09.2011
BMWi
Industrielle Vorlaufforschung der AiF
Untersuchungen zum
selektiven Laserabtrag
dünner Funktionsschichten für die Photovoltaik
Untersuchungen zum selektiven Laserabtrag
dünner Funktionsschichten für die Photovoltaik
mit einem projektbegleitenden Industriekonsortium aus Laser-, Laseranlagen- und Photovoltaikherstellern
31.01.2012
BMWi
Industrielle Gemeinschaftsforschung (IGF)
Label-freies interferometrisches Affinitätsscreening
(LafA)
Entwicklung zuverlässiger optischer Detektionsverfahren für die Bindung eines Peptids an das
gewünschte Zielprotein ohne Fluoreszenzlabel,
30.09.2012
um einerseits ein entsprechendes Gerät für das
molekulare Screening und andererseits potentielle Diagnostika zu entwickeln.
BMWi
INNO-KOM-Ost, Modul: Vorlaufforschung
Langwellige HochleistungsMedizinische Anwendung der Laserstrahlung
laser für die Medizin- und
im Bereich starker Wasserabsorption (MedLas),
Umweltmesstechnik
im Verbund LaPoLas
(LaPoLas)
86
Laufzeit
bis
Langfristige Kooperationspartner
Partner
Bereich
Charité –
Universitätsmedizin Berlin
CBF
em. Prof. Beuthan
Dr. Minet
Universitätsmedizin
Optische Diagnostik
Bildgebung, Photonendichtewellen-Detektion
vaskuläre Diagnostik, Molekulare Bildgebung
CCM
PD Dr. Meinke
Prof. Lademann
Prof. Stockfleth
Dermatologie
Hautdiagnostik
und Pharmakokinetik
Dermatologisches Tumorzentrum
CC17
Prof. Kühn
Prof. A. Schneider
PD Dr. G. Cichon
Gynäkologie
Telekolposkopieplattform, Tumordiagnostik
Klinik
Lasertherapie, Photodynamische Therapie, Diagnostik von Hautläsionen u. Therapiemonitoring
Ausbildung von medizinischem Personal
Elisabeth-Klinik Berlin
Prof. Berlien
Dr. Philipp
Lasermedizin
Kooperation
TU Berlin
Universität
Optimierung von Lichtquellen, LaserentwickInst. für Optik und Atom. Physik Spektroskopie,
lung, Biophotonik, Absorptions-, Fluoreszenz-,
Prof. Eichler
Optik, Lasertechnologie und Ramanspektroskopie
PD Dr. Kronfeldt
TU Berlin
Zentrum für innovative Gesundheitsforschung (ZIG)
Prof. Kraft
Prof. Knorr
Universität
Max-Born-Institut, Berlin
Dr. Rosenfeld
Forschungsinstitut
Kurzzeitspektroskopie, Optik
Kurz gepulste Lichtquellen
W.O.M. AG; Berlin
Dr. Schönborn
Dr. Scholz
Industrie
Laserentwicklung
Minimal-invasive
Chirurgie
Optische Diagnostik
Lasertherapieanwendungen
Bildgebung für Endoskopie/ Laparoskopie
Siemens AG, Berlin
Dr. Schultz
Industrie
Optimierung von Fluoreszenzbildgebung,
Bildgebungsverfahren Rheumadiagnostik
O.U.T. e.V.
Dr. Mahlkow
Forschungsinstitut
Leuchtdioden
hochfrequent modulierbare LEDs
Forschungszentrum Borstel
PD Dr. Frey
Forschungsinstitut
Leibniz- Zentrum für
Medizin und Biowissenschaften
Molekulare Diagnostik, Fluoreszenznachweis
molekularer Bindungen
GeSiM mbH
Dr. Bürger
KMU
Pipettierroboter und
Mikrofluidik
Durchflussküvetten, Molekülbibliotheken
Heinrich-Hertz-Institut
Dr. Schell
Dr. Grote
Fraunhofer-Institut
Diodenlaserentwicklung
Anwendung langwelliger Diodenlaser in der
Medizin
Medizintechnik
Lebensmitteltechnologie
Columbia University,
Universität
Dept. of Biomedical Engineering Tomographische
Prof. Hielscher
Rekonstruktionsverfahren
Entwicklung von Geräten zur Kontaminationskontrolle
Optische Tomographie zur
Rheumafrüherkennung
Fakten
87
Projektbezogene aktuelle
Kooperationen
Aufgrund ihrer Struktur und ihres Zweck
kooperiert die LMTB dauerhaft eng, oft in
mehreren Projekten parallel mit den meisten ihrer Gesellschafter, dazu Arbeitsgruppen aus der Technischen Universität Berlin, der Freien Universität Berlin und der
Humboldt-Universität zu Berlin, ebenso
mit mehreren Zentren der Universitätsmedizin Charité und der Abteilung Lasermedizin der Evangelischen ElisabethKlinik Berlin.
Des Weiteren sind die meisten Förderprojekte entweder Verbünde, zumeist
mit wissenschaftlichen Einrichtungen und
Firmen als Partner, und es bestehen eine
Vielzahl proprietärer Entwicklungsprojek-
88
Fakten
dem Fritz-Haber-Institut Berlin, Rhode
und Schwarz GmbH & Co. KG München,
Osram Opto Semiconductors GmbH Regensburg, Dr. Kieburg GmbH Berlin, Fisba
Optik St. Gallen Schweiz und anderen.
Untersuchungen zum selektiven Laserabtrag dünner Funktionsschichten für die
Photovoltaik finden in enger Kooperation
mit dem Industriekonsortium aus Laserund Optikherstellern, Integratoren und
potentiellen Anwendern der DünnschichtPhotovoltaik statt. Zu nennen sind hier
die Edgewave GmbH Würselen, die Lumera GmbH Kaiserslautern, die IB-Laser
GmbH Berlin, die LIMO GmbH Dortmund,
die Rofin Baasel GmbH & Co. KG Starnberg, die MDI-Schott AP GmbH Mainz,
die LPKF Solarquipment GmbH Suhl, die
te mit Unternehmen:
Sulfurcell GmbH Berlin und die Solarion
Im Bereich Laser-Präzisionsbearbeitung
AG Dresden. Ein weiterer wichtiger In-
und Entwicklung laseroptische Kompo-
dustriepartner auf dem Gebiet der Laser-
nenten bestehen enge Kooperationen mit
Dünnschichtbearbeitung ist ALSI N.V. Be-
führenden Herstellern von Lasersystemen
uningen, NL.
(Rofin Sinar GmbH Hamburg, Trumpf
Im Bereich der Biomedizinischen Optik
GmbH + Co. KG Ditzingen, Lumera GmbH
werden Methoden zur optischen Konta-
Kaiserslautern, IB-Laser GmbH Berlin)
minationskontrolle im Verbund entwickelt
und Unternehmen aus dem Maschinen-
mit der Bruker Optik GmbH Ettlingen, der
bau (MDI-Schott AP GmbH Mainz, 3D-
Inofex GmbH Halle, der Vanguard AG Ber-
Micromac GmbH Chemnitz, Rofin Baasel
lin und dem Institut für Optik und Atoma-
GmbH & Co. KG Starnberg). Applikations-
re Physik (IOAP) der Technischen Univer-
orientierte Zusammenarbeiten bestehen
sität Berlin.
mit Anwendern und Endkunden wie dem
Im Bereich der Blutsensorik bestehen Zu-
Paul-Scherrer-Institut Villigen Schweiz,
sammenarbeiten mit der Weinmann Di-
agnostics GmbH & Co KG Hamburg, der
Medisynthana Diagnostics GmbH & Co
KG Ulm, der MCC GmbH & Co KG Karlsruhe, der weptech GmbH Landau, Elbau
GmbH Berlin und dem Institut für Automatisierung und Qualitätssicherung an
der Fachhochschule Heidelberg (iAQ).
Im Umfeld der Entwicklung eines optischen Screening-Systems zur Entwicklung
peptidischer Diagnostika bestehen Zusammenarbeiten mit der Atto-Tec GmbH Siegen, der GeSiM mbH Großerkmannsdorf,
der Karl Storz GmbH & Co KG Tuttlingen,
der R-Biopharm AG Darmstadt und der
Arbeitsgruppe von PD Andreas Frey am
Forschungszentrum Borstel (FZB).
Bei der Entwicklung von Alternativen zum
medizinischen Einsatz des CO2-Lasers wird
mit dem Heinrich-Hertz-Institut (HHI)
Berlin und dem Institut für Optik und Atomare Physik (IOAP) der Technischen Universität Berlin zusammen gearbeitet.
Netzwerke
Die LMTB engagiert sich u.a. in den folgenden Netzwerken:
• Deutsche Gesellschaft für Lasermedizin
(DGLM)
• Fachverband Biomedizinische Technik
(FBMT)
• The Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE)
• Optical Society of America (OSA)
• Institute of Electrical and Electronics
Engineers (IEEE)
• OptecBB, Netzwerk Optische Technologien Berlin-Brandenburg
• Verband innovativer Unternehmen
(VIU)
• Förderverein der Technologiestiftung
Berlin (TSB)
Fakten
89
Examensarbeiten
Promotionen
Wissenschaftler
Thema
Matthias Bastian
Bestimmung der physiologischen Parameter strömenden
Blutes mittels ortsaufgelöster Streulichtmessungen
2008
Uwe Netz
Diffuse optische Tomographie an Fingergelenken für die
Diagnose der rheumatoiden Arthritis
2008
Oliver Pernell
Optische Eigenschaften und Farbwirkung von 2-SchichtKompositsystemen
2009
David Diego Vallejo Spectroscopic plasma investigation to control laser material processing
laufend
Christian Eichendorff Qualitätskontrolle von Erythrozytenkonzentraten durch nicht-
laufend
Abschluss
invasive Messung der freien Hämoglobinkonzentration
Carina Reble
Untersuchungen zu quantitativen Raman Messungen in
biologischem Gewebe
laufend
Stefan Andree
Ortsaufgelöste Rückstreumessungen an trüben Medien
zur Bestimmung von Absorptions- und Streukoeffizienten
laufend
Diplom-, Master-, Bachelor- und Studienarbeiten
Diplomarbeiten sind mit (D), Masterarbeiten sind mit (M), Bachelorarbeiten sind mit (B)
und Studienarbeiten sind mit (S) gekennzeichnet.
90
Fakten
Wissenschaftler
Thema
Yuske Kobayashi
(D)
Optisches Monitoring der Sauerstoffkonzentration und
Dosimetrie für Photodynamische Therapie
2008
Thomas Kerl
(D)
Untersuchungen zu Form und Größe von Innenmodifikationen transparenter Werkstoffe nach PikosekundenLaseranregung
2008
Eric Freier
(S)
Einsatz einer Trepanieroptik für die Laser-Mikrobearbeitung von AIN
2008
Jaber Irantalab
(D)
Untersuchungen zum laserinduzierten, rückseitigen Mikroabtrag von Flachgläsern
2009
Abschluss
Examensarbeiten
Abschluss
Wissenschaftler
Thema
Ghassan Al-Khalidi
(B)
Untersuchungen zum laserinduzierten Abtrag bei der
Glas-Mikrobearbeitung
2009
Wazim Zaza
(D)
Untersuchungen zum Laserabtrag dünner Schichten bzw.
Schichtsysteme
2009
Johannes Grimm
(B)
Entwicklung eines µC-basierten Messgerätes zur Bestimmung der Strahlstärke von LEDs für technische Anwendungen
2009
Nathalie Krause
(D)
Evaluation eines Faserapplikators zur ortsaufgelösten
Messung der Rückstreuung von Haut
2009
Oliver Jahn
(B)
Aufbau einer Messeinrichtung für die Erfassung und Untersuchung winkelabhängiger Transmission durch den
menschlichen Finger
2009
Daniel Schwandt
(B)
Spektroskopische Differenzierung von Tumorgewebeeigenschaften verschiedener Spezies unter Einfluss hyperthermischer Temperaturen
2009
Dennis Stang
(D)
Entwicklung einer Methode zur gezielten und reproduzierbaren Herstellung von Testobjekten mit definierten
optischen Eigenschaften - für medizintechnische Geräte auf Grundlage der optischen Eigenschaften der SystemEinzelkomponenten
2009
Liri Kalanderi
(D)
Herstellung von Mikrobohrungen unter Verwendung eines neu entwickelten Trepaniersystems
2010
Heiko Luckmann
(D)
Entwicklung und Erprobung eines Mess- und Auswahlverfahrens von ortsaufgelösten, Remissionsmessungen
zur in vivo Bestimmung der Pigmentkonzentrationen
laufend
Henrike Wilms
(B)
Ortaufgelöste Rückstreumessung im nahinfraroten Spektralbereich zur Quantifizierung des Wassergehalts in Haut
und hautähnlichen Phantomen
laufend
Fakten
91
Aktive Patente
Stand: 13.August 2010
92
Fakten
Lfd. Nr.
LMTB
Aktive Patentanmeldungen der LMTB (teilweise aus gemeinsamen Forschungsprojekten mit den
Kooperationspartnern)
Titel, Erfinder (alphabetisch), Aktenzeichen, Anmeldedatum, Zusammenfassung
MT 60a
Verfahren und Vorrichtung zur Untersuchung der molekularen Wechselwirkung von löslichen
oder suspendierbaren Wirkstoffen mit festphasen-gebundenen peptidischen oder peptidoiden
Zielmolekülen durch Kapillarplatten mit einer großen inneren Oberfläche
J. Helfmann, G. Müller, A. Frey, M.A. Schmidt
DE 100 15 391.7
Priorität: 28. März 2000
Zur Untersuchung der Bindung von Substanzen an Zielmoleküle wird eine dichtgepackte Anordnung gesucht, bei der in vielen Probenarealen jeweils unterschiedliche Zielmoleküle gebunden
sind. Eine Kreuzkontamination sowie die Verdunstung ist zu minimieren, die aktive Oberfläche
der Probenareale zu maximieren. Die erfindungsgemäße Lösung besteht in der Verwendung
von Trägerplatten, die eine dichte Packung von Kapillarstrukturen enthalten und somit eine sehr
große innere Oberfläche bei kleinen äußeren Abmessungen besitzen. Hiermit können 1000-fach
mehr Moleküle gebunden werden als an einer flachen äußeren Oberfläche vergleichbarer Größe.
Die Kreuzkontamination wird durch das Fehlen von Querverbindungen zwischen den Kapillaren
verhindert, die Verdunstung durch eine kleine äußere Oberfläche minimiert. Nach der Silanisierung der inneren Kapillaroberflächen werden darauf ortsgerichtet Peptide und Peptidomimetika
synthetisiert. Die Untersuchung der molekularen Wechselwirkungen von Komponenten der Substanzbibliothek mit in Lösung oder Suspension befindlichen Wirkstoffen erfolgt durch ortsauflösende optische Detektionsverfahren. Die Handhabung, insbesondere Reinigung und Belegung
mit Substanzen, geschieht einfach durch Durchspülen von Flüssigkeiten durch die Kapillarplatte.
MT 60b
MT 60c
MT 60d
MT 60e
MT 60f
MT 60g
MT 60h
DE G 200 05 738.3
PCT/EP01/03530 = WO 01/72412
EP 1 296 756
US 2003 01 65 998
GB / EP 1 296 756
IT / EP 1 296 756
FR / EP 1 296 756
MT 73
Verfahren und Vorrichtung zur Messung von Streulichtverteilungen für optische Rekonstruktionsverfahren
J. Beuthan, H.-J. Cappius, U. Netz, G. Müller
DE 101 47 449.0
Priorität: 18. September 2001
Optisches Verfahren zur ortsaufgelösten Durchleuchtung von biologischem Gewebe für die optische Tomographie mit bestmöglichem Gewebekontrast. Das Gewebe ist in ein Medium eingebettet, welches eine bestmögliche optische Kopplung zwischen Quelle, Gewebe und Detektor
gewährleistet.
Aktive Patente
Stand: 13. August 2010
MT 83
Verfahren und Vorrichtung zur nichtinvasiven Bestimmung des Hämoglobingehaltes mit Sedimentationsunterstützung
M. Friebel, J. Helfmann, M. Meinke, G. Müller
DE 10 2004 013 960.1
Priorität: 9. Januar 2004 (Priorität geändert)
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Qualitätssicherung von Erythrozytenkonzentraten mittels nichtinvasiver, optischer Bestimmung des extrazellulären Hämoglobingehalts am Blutbeutelsystem mit Hilfe der Sedimentation zellulärer Blutbestandteile, ohne
den sterilen geschlossenen Blutbeutel öffnen zu müssen. Dabei werden zur Sedimentation von
Erythrozyten geeignete Vorrichtungen genutzt, wie z.B. stehende oder langsam laufende Ultraschallwellen und/oder ein inhomogenes Magnetfeld oder eine mechanische Vorrichtung zur
Beschleunigung der Blutbestandteile.
MT 86
Verfahren und Vorrichtung zur quantitativen Bestimmung von Blutmerkmalen durch optische
Messung
J. Helfmann, M. Meinke, G. Müller
DE 10 2004 010 788.2
Priorität: 4. März 2004
Zur Bestimmung der Blutgruppe und auch seltener Blutmerkmale wird eine Blutprobe auf ein
Substrat gegeben, das aus einer Vielzahl geordneter Kapillaren besteht. Diese Kapillaren bilden
zusammen mit den Stegen dazwischen eine Kapillarplatte, in der die Kapillaren zu beiden Seiten
der Platte hin offen sind. Die Bestimmung der Blutgruppe wird durch einen optischen Nachweis
der Bindung von Blutgruppenmerkmalen an die entsprechend stark bindenden Nachweismoleküle an der Kapillarwandung durchgeführt. Es kann eine Vielzahl von Blutmerkmalen gleichzeitig
auf einem Substrat an unterschiedlichen Orten getestet werden, ohne dass eine Agglutination
oder Zentrifugation notwendig ist.
MT 87
Applikationskatheter für Laserlicht
V. Knappe, D. Schädel,
TRUMPF Medizin Systeme GmbH & Co. KG: M. Glotz, M. Martin
DE 102 39 950.6 (Anmelder: TRUMPF Medizin Systeme GmbH & Co. KG)
Priorität: 30. August 2002
Ein Applikationskatheter zum Behandeln von Tumoren mit Laserlicht weist einen Lichtleiter für
dieses Laserlicht auf, der an seinem distalen Ende über einen Teil der Länge lichtabgebend ist.
Dieser Lichtwellenleiter ist in einem flüssigkeitsdichten oder Flüssigkeit abgebenden Hüllkatheter
angeordnet, welcher zumindest in dem lichtabgebenden Bereich des Lichtleiters lichtdurchlässig
ist. Der Hüllkatheter wird während des Gebrauchs mit Kühlflüssigkeit innenseitig durchströmt
und deshalb ist zwischen dem distalen Ende des Lichtleiters und dem Hüllkatheter innenseitig ein
diese Kühlflüssigkeit durchlassender Abstand vorhanden. Ferner ist dieser Lichtleiter innerhalb
des Hüllkatheter geführten und verschiebbaren Schiebers axial verstellbar und der Hüllkatheter
an seinem Ende zumindest über eine solche Länge lichtdurchlässig, dass der lichtabgebenden
Endbereich des Lichtleiters in seinen verschiedenen axialen Positionen, auch in der am weitesten
zurückgezogenen Position, noch innerhalb dieses lichtdurchlässigen Bereiches angeordnet bleibt,
also zur Wirkung kommen kann, so dass eine längere Koagulationsnekrose erzeugt werden kann,
als es der Länge des lichtabgebenden Endes des Lichtleiters entspricht.
Fakten
93
Aktive Patente
MT 88a
MT 88b
94
Fakten
Diffusor-Spitze zur homogenen Strahlungsverteilung von niederenergetischer Röntgenstrahlung in einem Medium
H. Albrecht, H.-J. Cappius, T. Häupl,
Charite: J. Beuthan, F. Wacker,
Inst. f. Gerätebau: M. Haschke
DE 10 2006 043 551.6
Priorität: 12.09.2006
Die Erfindung zielt auf eine vollständigen Durchdringung eines Zielvolumens mit einer vorbestimmten Strahlungsdosis durch eine Röntgenstrahlung streuende oder unter Röntgenstrahlung
fluoreszierende Substanz oder ein Substanzgemisch in Form kleiner röntgenstrahlungsablenkender Partikel in einer röntgenstrahlungsdurchlässigen oder definiert röntgenstrahlungsschwächenden Matrix verteilt, so dass eine rotationssymmetrische Strahlungsverteilung um die Achse
der auf diesen Streukörper (Diffusor) gerichteten Röntgenstrahlung erfolgt.
PCT/EP2007/059595
MT 89
Optische Anordnung zur Erhöhung der Wechselwirkungslänge in stark streuender Matrix
H. Albrecht, H.-J. Cappius, J. Helfmann
DE 10 2007 054 309.5
Verfahren und Vorrichtung zur hochempfindlichen Detektion einer auf einem optisch stark streuenden Festkörpersubstrat befindlichen Substanz, die ihre optischen Eigenschaften bei Hinzukommen einer zweiten zu analysierenden Substanz verändert. Um auch geringste Konzentrationen
dieser Substanz noch zu quantifizieren, wird als erfindungsgemäße Lösung die Empfindlichkeit
durch Maximierung der Weglänge erhöht. Damit wird die Interaktionslänge durch den geeigneten Abstand von Einstrahlort und Detektionsort erfindungsgemäß bestimmt unter den Nebenbedingungen, dass die Strahlung nicht das Medium verlässt und die detektierte Strahlungsmenge
am Detektor ausreichend hoch ist für eine rauscharme Detektion.
MT 90
Anordnung zur Bestimmung optischer Eigenschaften bei mehreren Wellenlängen
H.-J. Cappius, J. Helfmann, K. Liebold
DE 10 2008 061 695.8
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Detektion und Konzentrationsbestimmung von
Stoffen in inhomogenen Gemischen mit optischen Sensoren und betrifft insbesondere eine spezielle Anordnung zur Transmissionsmessung mit mehreren schmalbandigen Lichtquellen, mit der
eine hohe Messgenauigkeit bei geringem Aufwand und hoher Zuverlässigkeit erreicht werden
kann. Erfindungsgemäß sind dabei die Lichtquellen, die über eine an die Messaufgabe angepasste Wellenlänge verfügen, derart rotationssymmetrisch dicht an der optischen Achse eines
entsprechend breitbandigen Detektors angeordnet, dass die sich überdeckenden Strahlen in der
dazwischenliegenden Probe weitestgehend deckungsgleich verlaufen. Die Reduzierung der notwendigen optischen Bauteile und die Verwendung von Licht emittierenden Dioden oder Laserdioden gewährleisten dabei geringe Kosten bei hoher Zuverlässigkeit, ohne dass die Messgenauigkeit stark abnimmt.
Aktive Patente
MT 91
Korrektur von Raman- oder Fluoreszenzmessungen bezüglich des Einflusses der optischen Eigenschaften des untersuchten Mediums
H.-J. Cappius. J. Helfmann, G. Illing, C. Reble
DE 10 2009 007 398.1
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Korrektur von Raman- oder Fluoreszenzmessungen in biologischem Gewebe bezüglich des Einflusses der Absorptions- und Streueigenschaften
des Gewebes auf die spektrale Charakteristik und die Intensität des erhaltenen Signals.
Das Verfahren basiert auf der Kombination von Raman- oder Fluoreszenzspektroskopie mit einer
abstandsabhängigen Remissionsmessung. Das Verfahren ermöglicht simultane und unabhängige
Änderungen von Absorptions- (µa) und reduziertem Streukoeffizient (µs’) am Ort der spektroskopischen Messung zu bestimmen. Eine Korrekturfunktion wird abhängig von Proben- und Detektionsgeometrie bestimmt. Das Verfahren verbessert die Quantifizierung und erhöht somit den
Informationsgehalt des Signals.
MT 92
Funktionseinheit aus selektiver optischer Beleuchtung und mehrerer synchronisierbarer, spektral getrennter Bildaufnahmen ein und derselben Objektebene sowie Verfahren zur Herstellung
H.-J. Cappius, T. Häupl, N. Müller
DE 10 2009 009 610.8
Kamera mit mindestens zwei Bildsensoren zur synchronisierbaren Erfassung von Abbildern eines
Objektfeldes bzw. Objektes vermittelt durch ein einziges Objektiv bzw. Bildleiter in mindestens
zwei verschiedenen Spektralbereichen. Die Vorrichtung schließt eine Lichtquelle ein, die derart
eingekoppelt ist, dass ihr Licht durch dieselbe Abbildungsoptik (Objektiv, endoskopischer Bildleiter), also auf derselben optischen Achse zum Objektfeld gelangt, auf der die Bildaufnahme der
optischen Streu-, Absorptions- und Emissionseigenschaften erfolgt. Die Aufteilung der Lichtwege
für Objektfeldbeleuchtung und Bildaufnahme vermittelt ein Polarisationsteilermodul.
LT 42
Verfahren und Vorrichtung zur aktiven Langzeitstabilisierung der Strahlungsintensität
D. Ashkenasi, R. Dietrich, N. Müller
DE 10 2004 020 043.2
Priorität: 21.April 2004
In vielen Laseranwendungen ist zur Prozessüberwachung die Kontrolle der mittleren Laserleistung
erforderlich. Diese soll möglichst zeitgleich zur Applikation der Laserstrahlung erfolgen. In der Laserpräzisionsbearbeitung spielt die Langzeitstabilität der Laserleistung eine besonders wichtige
Rolle. Eine Regelung innerhalb der Laserkavität greift in deren empfindliches dynamisches Gleichgewicht ein und ist daher abzulehnen. Durch eine laserexterne kombinierte Online-Messung und
aktive Abwärtsregelung der Laserstrahlung wird eine Stabilisierung der mittleren Laserleistung
unabhängig von der Art und Weise der Lasererzeugung gewährleistet.
Fakten
95
Aktive Patente
96
Fakten
LT 43
Vorrichtung zur online Messung und Protokollierung der Strahlungsintensität
D. Ashkenasi, R. Dietrich, N. Müller
DE 20 2005 011 047.7
Priorität: 07. Juli 2005
In vielen Laseranwendungen ist zur Prozessüberwachung die Kontrolle der mittleren Laserleistung
bzw. Energie erforderlich. Diese soll möglichst zeitgleich zur Applikation der eingestrahlten Lichtleistung erfolgen. In der Lasermaterialbearbeitung spielt die Überwachung und Dokumentierung
der jeweiligen Prozesse im industriellen Umfeld hinsichtlich der Qualitätskontrolle eine besonders wichtige Rolle. Bei einer Messung vor oder nach der Applikation kann der jeweilige Prozess
nicht ausreichend dokumentiert werden. Diese Vorgehensweise erhöht außerdem die Taktzeiten
erheblich und ist daher abzulehnen. Durch eine laserexterne Online-Messung im Strahlengang
nahe der Applikation wird eine lückenlose Prozessüberwachung erreicht und dokumentiert. Die
Überwachung ist einsetzbar unabhängig von der Art und Weise der Lichterzeugung.
LT 44
Verfahren und Vorrichtung zur schnellen Ablenkung eines Lichtstrahles auf eine einstellbare
Kreisbahn
D. Ashkenasi, N. Müller
DE 10 2007 012 695.8
Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur schnellen und präzisen, kreisförmigen Ablenkung von Lichtstrahlung beschrieben. Als Lichtstrahlung dient z.B. ein gebündelter Laserstrahl,
der mittels Sammellinse auf ein Werkstück zum Mikroabtrag oder zur Kreisschweißung fokussiert
wird und dieser Fokus dann fortlaufend mit hoher Geschwindigkeit in einer einstellbaren Kreisbahn um die optische Achse auf dem genannten Werkstück rotiert.
LT 45
Verfahren und Vorrichtung zur schnellen Ablenkung eines Lichtstrahles auf eine einstellbare
Längsbahn
DE 10 2007 014 933.8
Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur schnellen und präzisen, geradlinigen Ablenkung von Lichtstrahlung mit kurzbrennweitigen Objektiven beschrieben. Als Lichtstrahlung
dient z.B. ein Laserstrahl, der mittels Objektiv auf ein Werkstück zum Mikroabtrag oder zur Linearschweißung fokussiert wird und dieser Fokus dann fortlaufend mit hoher Geschwindigkeit in
einer einstellbaren Längsbahn orthogonal zur optischen Achse auf der Oberfläche des genannten
Werkstücks oszilliert.
Mit der beschriebenen Erfindung können zur Erzielung einer schonenden Materialbearbeitung
kurze und ultrakurze Laserimpulse mit sehr hoher Repetitionsrate auf einer definierten geradlinigen Bahn auf dem zu bearbeiteten Werkstück geführt werden. Die Erfindung erlaubt Anwendungen, bei der die wirksame Laserenergie über eine kurze Strecke mit möglichst hoher Geschwindigkeit auf einem Werkstück verteilt werden soll.
Aktive Patente
LT 46a
Vorrichtung und Verfahren zum Führen eines Lichtstrahls
PCT/EP 2008/053042
Priorität: 13.3.2007 (LT44) / 22.3.2007 (LT45) / 13.3.2008
Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur schnellen und präzisen, kreisförmigen Ablenkung von Lichtstrahlung in einem definierten Winkel zur Strahlungsrichtung beschrieben. Als
Lichtstrahlung dient z.B. ein Laserstrahl, der mittels Sammellinse auf ein Werkstück zu Materialbearbeitungszwecken fokussiert wird und dieser Fokus dann fortlaufend mit hoher Geschwindigkeit in einer einstellbaren, konzentrischen Kreisbahn mit einstellbarem Winkel um die optische
Achse auf dem genannten Werkstück rotiert.
Mit der beschriebenen Erfindung können zur Erzielung einer schonenden Materialbearbeitung
kurze und ultrakurze Laserimpulse mit sehr hoher Repetitionsrate auf einer definierten Bahn zur
Erzeugung von gewinkelten Bearbeitungsrändern auf dem zu bearbeiteten Werkstück geführt
werden.
LT 46b
LT 46c
DE 11 2008 000 681
DE 20 2008 017 745
Fakten
97
Die gesamte LMTB in Dahlem
Seit Mitte 2010 befindet sich die gesamte
LMTB in der Fabeckstraße in Berlin Dahlem. Unter anderem hatten freiwerdende
Räume dort dazu geführt, die Situation
neu zu bewerten. In der Folge wurde der
kleinere Adlershofer Unternehmensteil
nach Dahlem überführt. Dies ist dank
des großen Engagements der Mitarbeiter
ohne größere Störungen des laufenden
Betriebs gelungen, und der Umzug konnte
Ende Juni 2010 erfolgreich abgeschlossen
werden.
Neben allgemeinen Renovierungs- und
Anpassungsarbeiten in Folge des Umzugs
wurden in der Fabeckstraße im Untergeschoß Laserlabore für die Mikromaterialbearbeitung eingerichtet, einschließlich
der notwendigen Be- und Entlüftungssowie Klimaanlagen. In der ersten Etage
wurden entsprechend Büros renoviert,
eine Elektronikwerkstatt etabliert und Besprechungsräume angepasst. Dazu wurde
die Ausstattung des gesamten Hauses im
technischen Bereich, aber auch bezüglich
der Möblierung, optimiert.
Mit dem Umzug sind für das Applikationslabor des Bereichs Angewandte Lasertechnik beste Voraussetzungen geschaffen
worden, um in einer Vielzahl von Projekten die Arbeiten an verschiedenen Lasersystemen mit Probencharakterisierung,
98
Fakten
Meetings und Präsentationen zu kombinieren, dies in einem vitalen Umfeld mit
Praktika, Studienarbeiten und Kooperationspartnern.
Entsprechend der Anforderungen des neu
konzipierten Kurses „Lasermedizin von
A-Z – Von der Sach- und Fachkunde zur
klinischen Anwendung“ wurden die zugehörigen Laserarbeitsplätze entsprechend
überarbeitet und die Räume renoviert,
so dass bei geringerem Raumbedarf eine
wesentlich verbesserte Lage entstanden ist.
Die LMTB verfügt nun fast über das
gesamte Gebäude in der Fabeckstraße,
wobei die Universitätsmedizin Charité bis
voraussichtlich Ende des Jahres noch in
einigen Räumen präsent ist.
Nach den Mühen und Kosten des Umzugs
macht sich nun eine deutlich verbesserte
interne Zusammenarbeit positiv bemerkbar, wenn etwa bei der Geräteentwicklung
Konstruktion, Optikdesign, mechanische
Werkstatt, Elektronik- und Softwareentwicklung wesentlich besser ineinander
greifen.
Der Standort in Berlin Dahlem bietet wegen der Nähe zur Freien Universität, dem
Klinikum Benjamin Franklin der Charité,
der Bundesanstalt für Materialforschung
und -prüfung, dem MPI für Molekulare
Genetik, dem Fritz-Haber-Institut der MPG
und anderen Einrichtungen, nicht zuletzt
wegen der vitalen Tradition eines der großen Wissenschaftsstandorte der Welt, ein
fruchtbares Umfeld für die LMTB.
In diesem Kontext hat unter aktiver Beteiligung der LMTB eine Initiative zur Schaffung
eines Technologie-Centers am Standort der
LMTB Fahrt aufgenommen. Die Zeit ist reif
dafür, da es einerseits im Berliner Südwesten kein Gründerzentrum oder ähnliches
gibt, andererseits aber ein beträchtliches
und wachsendes Ausgründungspotential
der umliegenden Forschungseinrichtungen (Freie Universität, Bundesanstalt für
Materialforschung und -prüfung, MPI für
Molekulare Genetik, u.a.) besteht. Dies hat
in der Vergangenheit immer wieder dazu
geführt, dass Ausgründungen in einem
sehr frühen Stadium abwandern mussten.
Die aus der LMTB ausgegründete Celon AG
(heute Teil von Olympus Deutschland) ist ein Beispiel hierfür.
Der Bezirk Steglitz-Zehlendorf ist an der
Initiative zur Schaffung eines TechnologieCenters maßgeblich beteiligt und nach
einer Vorevaluierung wurde das Gelände
Fabeckstraße als einziger Standort in die
weitere Planung aufgenommen. Zur Konzepterstellung konnten Planungsmittel
beschafft werden, und die InnovationsZentrum Berlin Management GmbH
(IZBM) als erfahrener Technologieparkbetreiber hat die Ausarbeitung übernommen. Noch in 2010 dürfte eine belastbare
Planung vorliegen, die die Möglichkeiten
des Standorts und eine Einschätzung der
Nachfrage für einen dauerhaft wirtschaftlichen Betrieb aufzeigt.
Für die LMTB als Technologie-Tansfereinrichtung besteht somit die Perspektive,
Teil eines Technologie-Centers zu werden,
dies in einem biomedizinisch-optisch
starken Umfeld.
Fakten
99

Jahresbericht 2007 - 2009 (PDF 2,9 MB)

Transcription

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