Kühlschrank

von Ulrike Brandenburg

Ein weißes, zweistöckiges Haus mit Giebeldach. Dahinter Felsen. Was aussieht wie ein Aussiedlerhof, ist das Forschungsinstitut für mineralische und metallische Werkstoffe, Edelsteine/Edelmetalle GmbH, kürzer FEE, in Idar-Oberstein. Ein gefliestes Entree, Grünpflanzen. Drachenbäume vor allem. Im FEE, genauer, in der Halle im Erdgeschoss, werden seit dreizehn Jahren mit einem besonderen Verfahren Laserkristalle hergestellt. In großen Zylindern, umwickelt mit gelbem Isolierstoff. Ein Sichtfenster aus Grünglas gibt den Blick auf rotierende Schmelzmassen frei. Goldtöne.

 

Selbstgemacht: Kristalle
nach Maß

Das FEE züchtet Kristalle und forscht für die Diamantindustrie. Kein Wunder, denn der Bundesverband der Edelstein- und Diamantindustrie ist am FEE beteiligt. Deshalb lösten die Wissenschaftler des FEE 1996 auch für ihre Kunden ein Problem von höchst praktischer Bedeutung: Sie entwickelten einen eigentlich vorhandenen Laser neu, um teure, weil patentgeschützte Laser für die Beschriftung von Edelsteinen preiswerter zu machen. Die Vorgabe der Hersteller aus Idar-Oberstein war klar: Der Preis diodengepumpter Festkörperlaser sollte 20.000 Mark pro Watt mittlerer Laserleistung deutlich unterschreiten. Das bedeutete zum einen eine Optimierung der Anordnung der Laserkomponenten, zum anderen die Entwicklung eines neuen Herstellungsverfahrens für die Kristallelemente des Lasers. Den Edelsteinen Namen geben, Nummerierungen oder Klassifizierungen - heute werden in Idar-Oberstein Edelsteine preiswerter beschriftet.

Vorsprung durch einen guten Riecher

Idar-Oberstein, die traditionelle Edelsteinstadt, hat in der Herstellung und technologischen Nutzung von synthetischen Edelsteinen die Nase vorn. In der Bearbeitung und Vermarktung für medizinische Geräte etwa. In der Schmuckverarbeitung mit Hilfe der Lasertechnologie. Und Idar-Oberstein hat das FEE, das dafür sorgt, dass die Nase vorn bleibt.


So wie im Jahr 1996, als sich die Hersteller in der Edelsteinstadt mit einem besonderen Problem herumschlugen. Sie brauchten einen preiswerten Laser. Genauer gesagt, einen Festkörperlaser, um ihre Produkte sicher und einfach zu beschriften. Denn nur Festkörperlaser verhindern die Erwärmung des zu bearbeitenden Werkstoffs. Sie können Licht in Pulsen aussenden. Deswegen dauert bei ihnen der Materialkontakt etwa den tausendsten Teil einer billionstel Sekunde. Die positiven Folgen: Der Kunststoff schmilzt nicht und der Edelstein reißt nicht. Denn der Werkstoff verdampft kalt. In Idar-Oberstein, wo Kunststoffe und Edelsteine bearbeitet werden, ist das Bedingung.

Das Problem

 
Dr. Lothar Ackermann: Träume werden wahr
Bis 1996 stellten faktisch nur sechs Firmen das weltweite Angebot dieser Laser. Und diese waren wegen der zahlreichen US-Patente teuer. In Deutschland wird viel für die Laserforschung getan. Eigene Laser-Entwicklungen für den Anwendungsbereich der Materialbeschriftung gab es dennoch nicht. Aber es gab das FEE. Und das begann 1996 mit der Entwicklung eines eigenen Festkörperlasers im Wellenlängenbereich von 1064 Nanometern (nm), der durch technische Weiterentwicklungen die teuren Lizenzgebühren für amerikanische Patente überflüssig machen sollte. Dabei setzten die Wissenschaftler mit ihrer Arbeit an zwei Punkten an: An der Anordnung der Laserelemente und am Kristall des bisherigen Lasers.

Der Hintergrund

Ein diodengepumpter Festkörperlaser besteht eigentlich aus zwei Strahlquellen. Eine Kristalldiode erzeugt die so genannte Laserpumpstrahlung. Der eigentliche Laserkristall, der Festkörper, verstärkt die von der Diode zugeführte Energie. So entsteht der bekannte Laserstrahl. Und das energiesparend, da Laserdioden nur auf der Wellenlänge senden, die vom Festkörperkristall aufgenommen und umgesetzt werden kann. Der Laserstrahl kann durch einen dritten Frequenzverdopplerkristall modifiziert werden. Für die Weiterleitung und Potenzierung des Lichts innerhalb des Laseraufbaus ist ein Spiegelsystem zuständig. Hier setzten die Entwickler an. Die bisherigen Laser lösten die Einkopplung der Laserpumpstrahlung durch eine Anordnung der Laserkomponenten in Längsrichtung. In Idar-Oberstein dachten die Forscher quer und fanden für ihren neuen Laser eine transversale Pumpanordnung. Die Aktivierungsenergie wird hier direkt in den Laserstab geleitet. Diese Modifikation im Laseraufbau ist jetzt patentiert.

Designerkristalle: Anfertigung nach Bedarf

Die zweite vom FEE entwickelte Lösung bezieht sich auf die Züchtung der Laserkristalle. Laserkristalle spenden Licht, wenn die im Kristall eingelagerten Ionen angeregt werden. Doch ist ein solcher Kristall nur begrenzt erwärmbar. Bei hoher Energiezufuhr verformen sich die Enden des Laserkristallstabes. Eine Laserleistung ist dann nicht mehr möglich. "Deswegen", erläutert Lothar Ackermann, habilitierter Mineraloge und Leiter des FEE, "werden allgemein Kristalle mit undotierten Enden eingesetzt". In die undotierten Kristallenden sind nämlich keine Ionen eingebettet. Dotierte und undotierte Enden wurden bisher mit Hilfe eines Schmelzklebeverfahrens, des so genannten Bonding, zusammengesetzt. ´

Am FEE gelang dagegen die Züchtung von vollständigen, segmentierten Kristallen, also Kristallen, die bereits dotierte und undotierte Elemente enthalten. Bei 1970 Grad Celsius entsteht zum Beispiel das im Zentrum der Neuentwicklung stehende Neodymkristall. Die undotierten Enden lagern sich in der Schmelze an. Ein fester Verbund gelingt. Die neue Methode zum Ersatz des Bonding wurde patentiert, und verschiedene mit diesem Verfahren hergestellte Kristalle gingen in Serie. Der Weg zum preiswerten Laser für Idar-Oberstein war frei. Eine Premiere für Rheinland-Pfalz.

Das Ergebnis der Arbeit des FEE sind durchsichtige, farbig schimmernde Kristallobjekte. Moderne Hightech-Kunst. Auf der Fensterbank der Halle im Erdgeschoss liegt ein roséfarbener Kegel. Keine Plastik aus einer New Yorker Galerie, sondern das Produkt einer Fehlschmelzung. Die fehlerfreien Kristalle der Anwender, etwa das violettfarbene Neodym, sind kaum fingernagelgroß.

Mineralogen am Werk

"Der Schlüssel zur erfolgreichen Materialbearbeitung liegt in der Variation des Laserpulses und der Lichtqualität", erklärt Lothar Ackermann. "Mit blauem Licht im Bereich von 440 Nanometern werden Druckerzeugnisse hergestellt. Orangenfarbenes Licht bei 600 Nanometer und grünes Laserlicht bei 530 Nanometer finden im medizinischen Bereich und in der Beschriftung von Kunststoffen Anwendung." Frequenzverdopplerkristalle halbieren die Wellenlängen des im Festkörperkristall erzeugten unsichtbaren Laserlichts. So entstehen farbige Laserstrahlen im sichtbaren Bereich.

Etwa bei dem Kaliumniobatkristall, der blaues Licht aussendet. "Kaliumniobat", merkt Ackermann an, "gehört zu unseren erfolgreichen Kristallen", sagt es und fischt aus den Bergen von Papier auf seinem Schreibtisch einen weißen Kristall heraus. Büroräume sind im FEE nicht einfache Büroräume. Das Durcheinander von Aktenordnern und zart schimmernden Kristallobjekten macht klar: Hier arbeiten Mineralogen.

Laserschmuck in Sekundenschnelle

Die Ergebnisse der Forschung am FEE haben ihren Weg zum Anwender längst gefunden. Zum Beispiel zur Herbert Stephan KG in Idar-Oberstein. Das Unternehmen stellt synthetische Edelsteine für den Schmuckmarkt her, einige Hunderttausend im Jahr.

 

Blitzschnelle Gravur: Objekte aller Art können beschriftet werden

Ein Teil davon wird bearbeitet. In Sekundenschnelle prägt der Laser kleinteilige Gravuren in die Oberflächen. "Handarbeit in diesem Bereich ist eher etwas für die Herstellung von Unikaten", sagt Karl-Otto Purpur, der bei Stephan die Laseraufträge für die Bearbeitung von Edelsteinen ausführt. Hightech pur: Edelsteine werden eingelegt, das Prägemuster auf den PC-Bildschirm geholt, die Bilddaten vom Rechner an den Laserkopf weitergegeben. "Am besten, die Kunden schicken uns ihre Bildvorlagen als Datei", erklärt Purpur. Dann schließt er die Schutzblende. Nach wenigen Sekunden hat der Laserpuls eine komplexe Bildvorlage umgesetzt. So lässt Karl-Otto Purpur auf Onyx-Steinen winzige japanische Kalligraphien entstehen. Nämlich weiß beschriftete Glücksbringer als Schlüsselanhänger. Oder das Logo einer amerikanischen Universität auf Rubin, ein Erinnerungsstück für Absolventen in North Carolina. Ebenfalls in Rubin das Logo eines Baseball-Vereins.

Codename: Kühlschrank

Der Neodym-YAG-Laser, mit dem Karl-Otto Purpur arbeitet, besitzt selbstverständlich segmentierte Kristalle. Neodymiak vom FEE. Der Laser pulst mit einer Wellenlänge von 1064 Nanometer. Damit lasert er auch das Logo eines deutschen Modeschmuckherstellers in den synthetischen Edelstein. Der Markenname als Schmuckform. Nicht nur der Werbung wegen, sondern vor allem, um die Echtheit des Markenprodukts zu garantieren.

In der Anwendung nimmt der eigentliche Laser den geringsten Teil der Maschine ein. Das Metallungetüm - "der Kühlschrank", wie ihn Karl-Otto Purpur nennt - dient nicht zuletzt der Verkleidung des integrierten Rechners. Nur die gibt dem ersten Laser made in Rheinland-Pfalz beeindruckenden Umfang.

Touristen, die nach Idar-Oberstein kommen, könnten den Sitz der Herbert Stephan KG leicht mit einem Reihenhaus verwechseln. Professionalität verbirgt sich in Idar-Oberstein hinter schlichten Fassaden.