Opto-mechatronische Komponenten und Systeme

Hybride Systemintegration komplexer opto-mechatronischer Baugruppen

 

Wir entwickeln Technologien zur hybriden Integration unterschiedlicher Komponenten mit höchster Präzision für den Aufbau komplexer opto-mechanischer und opto-mechatronischer Mikro- und Makrosysteme. Dieses umfasst Montagetechnologien wie Handhaben, Justieren und Fügen (Kleben, Laserlöten, Bonden, Laserspleißen), das Drucken funktionaler Materialien und Strukturen sowie die Integration optischer Systeme auch für extreme Einsatzbedingungen, wie zum Beispiel Anwendungen in Luft- und Raumfahrt.

Unser Leistungsangebot

 

Für unsere Auftraggeber finden und realisieren wir die optimale Lösung bei komplexen Aufgabenstellungen.

  • Mikromontage mit submikrometer-Genauigkeit in bis zu sechs Freiheitsgraden
  • Handhabung sensitiver, passiver und aktiver Komponenten
  • Fügetechnologien für erschwerte Einsatzbedingungen – Kleben, Laserlöten und CO2-Laserschweißen
  • Automation von Montageprozessen für komplexe Optiken
  • CO2-Laserbearbeitung von Glas und Glasfasern
  • System-Engineering komplexer Baugruppen, z.B. für Quantentechnologien
  • Inkjet-Druck von funktionalen Materialien und Strukturen in 2D und 3D

 

 

Unsere Forschungsgruppen für Opto-mechatronische Komponenten und Systeme

Unsere technologischen Entwicklungen werden derzeit in folgenden Gruppen vorangetrieben:

 

Mikromontage

Wir montieren optische Bauelemente, Elektronikkomponenten und mechanische Aktoren für miniaturisierte optische Systeme mit höchster Präzision, Integrationsdichte und Komplexität.

 

Fügetechnologien

Wir beherrschen die Fügetechnologien Kleben, Laserlöten und CO2-Laserschweißen für die Integration präziser und stabiler Systeme z.B. in Luft- und Raumfahrt.

 

System Engineering für Opto-Mechatronik und Quantentechnologien

Design und Montage opto-mechatronischer Systeme sind Gegenstand des System Engineerings für komplexe Optik- und Quanten-Hardware.

 

CO2-Laserbearbeitung

CO2-Laser als kontaminationsfreie Energiequelle zur präzisen und flexiblen Glasfaserbearbeitung sind unser Werkzeug für eine Vielzahl innovativer Bearbeitungsprozesse für Faser- und Glasbauteile.

 

Inkjet-Druck von funktionalen Materialien und Strukturen in 2D und 3D

Wir entwickeln Technologien zum Inkjet-Druck von Strukturen und individualisierten optischen Komponenten aus funktionalen Materialien.

 

Unsere umfangreichen Kompetenzen und besondere Expertise

 

Herausragende Erfahrungen können wir auf den folgenden Gebieten anbieten:

  • Handhabung und Reinigung empfindlicher Bauteile
  • Justierung mit passivem und aktivem Feedback und mit submikrometer-Genauigkeit
  • Solderjet-Bumping als Laserstrahl-Fügetechnologie für stabile Verbindungen
  • Funktionale Struktur- und Optikklebungen für besondere Einsatzbedingungen, z.B. Luft- und Raumfahrt
  • Automatisierte Montageprozesse und individualisierte Montageanlagen
  • Faser-zu-Chip-Kopplungen mit niedriger Dämpfung
  • CO2-laserbasierte Prozesse für Glasfasern – Strippen, Cleaven, Tapern und Spleißen
  • System-Engineering für komplexe Optik- und Quanten-Hardware
  • Inkjet-Druck von 3D-Optik und von funktionalen 2D-Strukturen
Solderjet Bumping grafische Erklärung.
© Fraunhofer IOF
Solderjet Bumping grafische Erklärung.
 

Laser-Adressieroptiken für Quantencomputer am Fraunhofer IOF

Laseradressieroptiken ermöglichen die Kontrolle, Präparation und das Auslesen einzelner Ionen oder Atome in einer Falle. Sie können für verschiedene Wellenlängen von ultraviolettem bis infrarotem Licht ausgelegt werden, je nach verwendetem Ion oder Atom sowie der gewünschten Prozessoperation. Unsere Laseradressieroptiken erreichen eine Strahlentaille von 1 µm an der Position der gefangenen Teilchen und sind für ein Überlagerungsverhältnis von weniger als 10-5 bei Teilchenabständen von <5 µm ausgelegt.

Ionen Adressieroptik für Quantencomputer.
© Fraunhofer IOF
Laserbasierte Adressieroptik für eine Ionenfalle des Quantencomputers der nächsten Generation der im Rahmen von AQTION entwickelt wird.
 

Miniatur-Lasersystem für das RAMAN Experiment der ExoMars-Mission

Mit einem RAMAN Spektrometer kann die Streuung von Licht an Molekülen zum Beispiel in der Atmosphäre oder an Festkörpern wie Gesteinsproben untersucht werden. Das Herzstück der weltraumtauglichen, stark miniaturisierten Laserquelle des Spektrometers für die ExoMars-Mission ist ein diodengepumpter Festkörperlaser mit Frequenzverdopplung.

Der grüne Laser aus Jena arbeitet mit einer Wellenlänge von 532 Nanometern und mehr als 100 Milliwatt. Typisch für Weltraumprojekte ist die Notwendigkeit zu besonders kleinen und leichten Bauteilen. Zur Verdeutlichung: der Laser inklusive Gehäuse bringt gerade einmal 50 Gramm auf die Waage – so viel wie eine halbe Tafel Schokolade. Die empfindlichen optischen Bauteile sind zudem so konstruiert, dass sie großen Temperaturschwankungen zwischen -130 und +24 Grad Celsius und hohen Strahlenbelastungen im All ebenso standhalten wie den starken Vibrationen bei Start und Landung des Rovers. Herkömmliche Verfahren zur Montage optischer Bauteile sind für solche extremen Bedingungen nicht geeignet. Stattdessen wurden alle Komponenten des empfindlichen Laserresonators und der Sekundäroptik mittels einer laserbasierten Löttechnik miteinander verbunden.

Raman-Spektrometer mit einem diodengepumpten Festkörperlaser in der Größe einer 50-Cent-Münze
© Fraunhofer IOF
Raman-Spektrometer mit einem diodengepumpten Festkörperlaser in der Größe einer 50-Cent-Münze.
 

Doppelspalt-Baugruppe für die FLEX Mission der ESA

Kernstück für die »FLuorescence Explorer-Mission« (FLEX) der ESA wird das »Fluorescence Imaging Spectrometer« (FLORIS) sein. Für das Spektrometer fertigte das IOF eine Baugruppe, deren Anforderungen sich an der Grenze des technisch Machbaren bewegten. Realisiert wurde ein hochpräziser Doppelspalt mit Schlitzbreiten von exakt 85 (±1) Mikrometern über eine Länge von 44,15 Millimetern. Beide Schlitze sind hochparallel zueinander montiert und verfügen über eine Spalt-Planarität von weniger als 10 Mikrometern. Für die Spiegel, die im Inneren des Spektrometers das Licht auf den Detektor leiten sollen, wurde eine Rauheitsanforderung von 0,3 Nanometern RMS (Root Mean Square) erfüllt.

Hergestellt wurde der Doppelspalt auf Silizium-Basis. Für die Fertigung wurde am Fraunhofer IOF eine spezielle lithografische Prozesskette entwickelt, bei der lithografische Strukturierungstechniken für das Ätzen von Silizium-Wafern angepasst wurden. Abschließend wurden die Schlitze mit einer schwarzen Beschichtung versehen, um das spezifizierte optische Reflexionsvermögen und die optische Dichte zu erreichen.

Die Vorrichtung ist so konzipiert, dass der Silizium-Doppelspalt in einer mechanischen Halterung montiert wird, mit der die Baugruppe so robust ist, um die harschen Bedingungen beim Start des FLEX-Satelliten unbeschädigt zu überstehen. Um dies zu realisieren, wurde ein spezielles Montagekonzept aus einer Kombination von Formschluss, Klemmung und Klebung entwickelt.

Doppelspalt mit zwei Kanälen gefertigt für die ESA-Mission FLEX 2025
© Fraunhofer IOF
Für das Spektrometer an Bord des ESA-Satelliten FLEX haben Forschende des Fraunhofer IOF einen hochpräzisen Doppelspalt auf Silizium-Basis entwickelt und gefertigt.
 

Märkte und Anwendungen für opto-mechatronische Komponenten und System

 

Unsere Technologien und Systeme finden Anwendungen in:

  • Luft- und Raumfahrt
  • Automotive und Medizintechnik
  • Consumer-Elektronik
  • Quantenkommunikation, -computing und -imaging
Technisches Qualifikationsmodell einer Photonenquelle.
© Fraunhofer IOF
Technisches Qualifikationsmodell einer Photonenquelle.
Gedruckte Funktionalitäten auf einer flexiblen Polymerfolie zur Abdeckung von Mikrofluidik-Chips
© Fraunhofer IOF
Gedruckte Funktionalitäten auf einer flexiblen Polymerfolie zur Abdeckung von Mikrofluidik-Chips
532nm Laser mit gelöteten Optiken für das RAMAN Experiment für die ExoMars-Mission
© Fraunhofer IOF
532nm Laser mit gelöteten Optiken für das RAMAN Experiment für die ExoMars-Mission.

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