Mit dem Innovationspreis der Berthold Leibinger Stiftung werden seit dem Jahr 2000 alle zwei Jahre Wissenschaftler und Entwickler gewürdigt und gefördert, die bei der Anwendung des Laserlichtes neue Wege gehen. In diesem Jahr wurden am 15. September 2008 vier Preise mit insgesamt 40 000 Euro zu den Themen Ultrakurzpuls-Lasertechnologie, Excimerlaser, neuer Laser Sensor und Silizium-Photonik verliehen. 

Die Forschergruppe der Robert Bosch GmbH und ihres Tochterunternehmens Bosch Rexroth AG mit Jens König, Thorsten Bauer, Markus Willert und Ulrich Graf gewann mit ihrer Arbeit "Ultrakurzpuls-Lasertechnologie – Zukunft der hochpräzisen Mikrobearbeitung in der Großserie" den mit 20000 Euro dotierten 1. Platz unter 33 Bewerbungen aus Universitäten, Institutionen und Industrie. Mit der Preisverleihung würdigte die Jury aus namhaften Experten die Umsetzung wissenschaftlicher Grundlagen der Anwendung der Ultrakurzpuls-Lasertechnologie in die industrielle Serienproduktion. Die Ultrakurzpuls-Technologie wird die industrielle Mikrobearbeitung revolutionieren.

Mit kurzen Laserpulsen können sehr schnell und höchst präzise in nahezu alle Materialien Strukturen im Mikrometerbereich eingearbeitet werden. Erste Anwendungen findet die neue Technik bei Bosch insbesondere bei der Fertigung von Sensoren und Diesel-Einspritzsystemen. Grundlegende Arbeiten dazu wurden in den Verbundprojekten PRIMUS und PROMTUS in enger Zusammenarbeit von Bosch mit dem Institut für Strahlwerkzeuge (IfSW) der Universität Stuttgart und der Forschungsgesellschaft für Strahlwerkzeuge (FGSW) durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert. Die Prozesseffizienz konnte im Rahmen der Projektarbeit so entscheidend gesteigert werden, dass diese Prozesse nun wirtschaftlich einsetzbar sind.

Das Besondere an der Ultrakurzpuls-Lasertechnologie im Vergleich zur kontinuierlichen Lasermaterialbearbeitung ist die Komprimierung der Laserenergie in kleinste Zeitsegmente von 5 bis 100  Pikosekunden (ps). Eine Pikosekunde ist der Millionste Teil einer Sekunde. In dieser kurzen Zeit wird die Laserleistung in einen Puls von mehreren hundert Megawatt verdichtet und auf das Werkstück gebracht. Das ist vergleichsweise eine Leistung, wie sie ein mittleres Kraftwerk erzeugen kann. Die Zeit ist so kurz, dass das Material des Werkstücks verdampft, ohne vorher heiß zu werden oder gar zu schmelzen, weil thermische Prozesse wesentlich langsamer sind. Deshalb spricht man von „kalter“ Lasermaterialbearbeitung. Eine hochpräzise Bearbeitung ohne unerwünschte Schmelzgrate oder thermische Nebenwirkungen ist möglich.

Bild 1a zeigt vergleichsweise den Querschnitt einer V-förmigen Struktur mit 10 000 mal längeren Pulsen (150 ns) mit unvermeidlichem Schmelzgrat und damit verbundener Nachbearbeitung hergestellt, in Bild 1b präzise mit 10 Pikosekunden bearbeitet. Diese neue Technologie mit ultrakurzen Laserpulsen wird weltweit erstmalig seit 2007 im Bosch-Werk Bamberg in der Abgassensoren-Produktion eingesetzt. Die Sensoren bestehen aus einer speziellen Keramik und messen Abgaswerte noch genauer und schneller. Über die Motorsteuerung können somit Schadstoffemissionen der Automobile noch weiter reduziert werden. Gegenwärtig wird die Bearbeitungstechnik mit ultrakurzen Laserpulsen bei Bosch in der Fertigung von Common-Rail-Injektoren für moderne Dieseleinspritzsysteme eingeführt. Somit können kleinste Mikrokanäle hergestellt werden, die trotz Einspritzdrücken von bis zu 2000 bar dafür sorgen, dass das Gesamtsystem dicht bleibt (Bild 2 oben). Dank dieser Technik werden die Einspritzsysteme noch zuverlässiger, leistungsfähiger und umweltschonender als bisher.

Das Marktvolumen für Ultrakurzpulslaser im Jahr 2008 wird von Experten auf ungefähr 260 Mio. Dollar geschätzt. Die Verringerung der Kosten von Kurzpulslasern und eine weitere Steigerung ihrer Leistungsfähigkeit sind wesentliche Voraussetzungen für die Erschließung neuer Anwendungsfelder. Nicht zuletzt dank einer weitsichtigen Forschungspolitik steht Deutschland in diesem Bereich der optischen Technologien international mit an der Spitze.
Bild 1a: Querschliff von Strukturen mit ns-Pulsen
Quelle FGSW mbH
Bild 1b: Querschliff mit ps-Pulsen
Quelle FGSW mbH
Bild 2: Dieseleinspritzsystem mit Mikrokanal
Quelle Bosch