Liebe Leserinnen, liebe Leser,

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2 10 µm Forschung, Entwicklung und ausgewählte Veranstaltungen am IPHT werden unterstützt von: Liebe Leserinnen, liebe Leser, Licht ist elementare Grundlage allen Lebens. Es ist von hoher kultureller Relevanz und Gegenstand zahlreicher Forschungsgebiete. Um die Bedeutung hervorzuheben, hatte die UNESCO das Jahr 2015 zum Internationalen Jahr des Lichts ausgerufen. Vor allem die Auftaktveranstaltung in der Jenaer Sparkassen- Arena im Januar und die Highlights der Physik im September vergangenen Jahres begeisterten mehrere Tausend Besucher. Als Leibniz-Institut für Photonische Technologien haben wir diese und weitere Veranstaltungen des Internationalen Jahr des Lichts zum Anlass genommen, um unsere Forschungsaktivitäten unter dem Motto Photonics for Life einem breiten Publikum vorzustellen. Die Erarbeitung von photonischen Lösungen für Anwendungen in den Lebenswissenschaften erfordert grundlegende und breit aufgestellte technologische Kompetenzen. Das IPHT kann hierbei auf eine langjährige Expertise in den Bereichen Mikro- und Nanotechnologien, Fasertechnologie sowie Systemtechnologie zurückgreifen. Der aktuelle Jahresbericht widmet sich schwerpunktmäßig dem Gebiet der Fasertechnologie. Wir möchten Ihnen einen Überblick über die bisherige Forschungsarbeit und aktuelle Trends aus diesem Bereich geben sowie ausgewählte Anwendungsmöglichkeiten im Detail darstellen. Prof. Dr. Jürgen Popp // Wissenschaftlicher Direktor HORIZON 2020 Wie gewohnt berichten unsere Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in Form von Fachbeiträgen über aktuelle Forschungsergebnisse. Die Artikel finden Sie zum Lesen auf unserer Internetseite und in der IPHT-App. Erstmals ist die App nicht nur für das ipad sondern ebenso für Android-Tablets verfügbar. Die hier dargestellten Erfolge wären ohne die kontinuierliche Förderung seitens des Freistaates Thüringen, der Bundesregierung und der EU nicht möglich. Dafür möchten wir uns herzlich bedanken. Unser Dank gilt zudem all unseren Partnern mit denen wir in Forschungsprojekten, in Verbünden, in Netzwerken und innerhalb der Leibniz-Gemeinschaft stets gut und auf einer vertrauensvollen Basis zusammenarbeiten. Besonderer Dank gebührt dem Wissenschaftlichen Beirat, dem Kuratorium und der Mitgliederversammlung des IPHT für die langjährige und zielorientierte Zusammenarbeit. Des Weiteren möchten wir uns bei der gesamten Belegschaft des Institutes für deren großartiges Engagement in den vergangenen Monaten und Jahren bedanken. Wir freuen uns auf die weitere gemeinsame erfolgreiche Zusammenarbeit. Frank Sondermann // Kaufmännischer Direktor Prof. Dr. Jürgen Popp Wissenschaftlicher Direktor Frank Sondermann Kaufmännischer Direktor Titelbild: Preform einer Hohlkernfaser mit einer Mikroskopaufnahme des Querschnitts der daraus gezogenen Faser.

3 Inhalt 05 Entdecken Sie den Jahresbericht als App! Themenschwerpunkt: Fasertechnologie 08 Fasertechnologie am IPHT ein Überblick 30 Wissen aus neun Leibniz Instituten vereint auf einem Chip 06 Jahresrückblick Fasertechnologie am IPHT ein Überblick 14 Spezialfasern für Hochleistungslaser 18 Faseroptische Strukturen 24 Fasern mit kleinsten Strukturen Hohlkernfasern für die Analyse von Gasen und Flüssigkeiten 28 Markierungsfreier Nachweis von Viren mit Hilfe von Fasern 30 Wissen aus neun Leibniz Instituten vereint auf einem Chip 32 Systemintegration von der Idee zum Instrument 34 Wissenschaftliche Beiträge in der App 36 Kennzahlen Organigramm, Forschungseinheiten 39 Wissenschaftlicher Beirat, Kuratorium Die Faseroptik ist seit mehr als 30 Jahren ein Forschungsschwerpunkt am IPHT. Basierend auf einer breiten technologischen Basis sowie einer ausgeprägten Expertise der Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter verfügt das IPHT heute über eine hochmoderne, geschlossene Technologiekette. 14 Spezialfasern für Hochleistungslaser Das IPHT hat in Zusammenarbeit mit der Firma Heraeus Quarzglas ein Verfahren für die Herstellung von Ausgangsmaterialien für Glasfasern mit dickeren Kernen entwickelt. 18 Faseroptische Strukturen Faser-Bragg-Gitter in Faserkernen eröffnen neue Anwendungsmöglichkeiten für durchstimmbare Laser. In Kombination mit neuen Materialien wird die Sensorik auch im Hochtemperaturbereich ermöglicht. Sensorplattform zur Vorhersage anfall artiger Verschlimmerungen chronisch-entzündlicher Atemwegserkrankungen. 32 Systemintegration von der Idee zum Instrument Neben grundlegenden technologischen Arbeiten auf den Gebieten der Biophotonik, Faseroptik und Photonischer Detektion, wächst die Bedeutung der Systemtechnologie am IPHT in zunehmendem Maße. In Folge dessen wurde am Institut eine Arbeitsgruppe mit dem Schwerpunkt Systemintegration gegründet. Entdecken Sie den IPHT Jahresbericht 2015 als App! Die IPHT-App für Tablets ist ab sofort im App-Store und bei Google play für ios und Android verfügbar. Neben den Inhalten der gedruckten Ausgabe des Jahresberichtes enthält die App aktuelle wissenschaftliche Beiträge aus den Forschungsschwerpunkten Biophotonik, Faseroptik und Photonische Detektion. Multimediale Features und ein detaillierter Anhang, inklusive einer vollständigen Liste der Publikationen, ergänzen das inhaltliche Angebot. Zudem informiert ein integrierter Newsfeed über aktuelle Meldungen und Pressemitteilungen aus dem IPHT. 40 Vereinsmitglieder 41 Finanzen des Institutes Personal des Institutes Impressum Dieses Symbol verweist in der Printausgabe auf weiterführendes Material, wie zum Beispiel wissenschaftliche Beiträge zum Thema oder Videos, in der App.

4 6 Jahresrückblick 2015 Neben Veranstaltungen zum Internationalen Jahr des Lichts machte das IPHT mit vielfältigen Ereignissen auf sich aufmerksam. Eine kurze Auswahl im Überblick. Auftakt des Jahres 2015 war die Veranstaltung LICHT-Phänomene mit dem WDR-Moderator Ralph Caspers (Wissen macht Ah!) im Rahmen des Internationalen Jahr des Lichts, zu der rund Besucher in die ausverkaufte Jenaer Sparkassen-Arena kamen. Organisiert wurde die Wissensshow vom IPHT in Kooperation mit dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik sowie dem städtischen Eigenbetrieb JenaKultur mit Unterstützung von JenaWirtschaft. Ein weiterer Publikumsmagnet im Themenjahr waren die Highlights der Physik im September. Während der mehrtägigen Veranstaltung besuchten über Gäste Jena. Neben dem IPHT präsentierten namhafte Forschungseinrichtungen und Firmen aus ganz Deutschland ihre Arbeiten zum Thema Optik und Photonik. Gastgeber waren die Deutsche Physikalische Gesellschaft und die Friedrich-Schiller-Universität Jena, unter organisatorischer Leitung von Prof. Dr. Gerhard Paulus. Zahlreiche Preise, mit denen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des IPHT im vergangenen Jahr ausgezeichnet wurden, sind Beleg für die herausragende Forschungsarbeit am Institut. Erneut wurde eine Forschergruppe des IPHT mit dem renommierten Thüringer Forschungspreis geehrt. Das Team um Prof. Dr. Hartmut Bartelt, Leiter der IPHT-Abteilung Faseroptik und Professor an der Physikalisch-Astronomischen Fakultät der Friedrich-Schiller-Universität Jena, erhielt den Preis in der Kategorie Transfer. Gemeinsam mit Partnern der FBGS Technologies GmbH erforschten sie ein Verfahren, welches es erlaubt, faseroptische Sensoren zur Messung von Temperatur, Druck oder Dehnung effizient und kostengünstig herzustellen. Überreicht wurde der Preis von Thüringens Minister für Wirtschaft, Wissenschaft und Digitale Gesellschaft, Wolfgang Tiefensee. Das IPHT gewinnt zunehmend an Bedeutung als attraktive Forschungseinrichtung für internationale Gastwissenschaftler. Mit Dr. Michael Vetter und Dr. Stephen Warren-Smith forschten im vergangen Jahr gleich zwei Wissenschaftler am IPHT, die mit einem der begehrten Marie-Skłodowska Curie- Stipendien gefördert wurden. Im Rahmen des Förderprogramms der Europäischen Kommission werden der Erfahrungsaustausch von wissenschaftlichem Nachwuchs und erfahrenen Forschenden sowie die berufliche Entwicklung von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern gefördert. Michael Vetter forschte während seines Aufenthaltes am Institut an einem neuen Verfahren zur Herstellung von kristallinen Siliziumdünnschichtsolarzellen auf Glas. Stephen Warren-Smith vom Centre for Nanoscale BioPhotonics (CNBP) in Adelaide/Australien arbeitet an der Weiterentwicklung von miniaturisierten Sensoren aus optischen Glasfasern für biomedizinische Anwendungen. Strukturelle Ansätze für eine verbesserte Translation von technologischen Lösungen in marktfähige Produkte und Möglichkeiten zur op- Dr. Ute Neugebauer: ausgezeichnet als beste Nachwuchswissenschaftlerin mit dem Wissenschaftspreis Lebenswissenschaften und Physik 2015 des Jenaer Beutenberg-Campus. timierten Zusammenarbeit innerhalb von Forschung und Medizin sind für das IPHT von besonderem strategischen Interesse. Zu diesem Thema diskutierten über 60 Teilnehmerinnen und Teilnehmer aus Medizin, Wissenschaft und Wirtschaft wärend des Workshops Optische Diagnostik im Juli im Zentrum für Angewandte Forschung in Jena. Das IPHT organisierte die Veranstaltung gemeinsam mit dem Leibniz-Forschungsverbund Medizintechnik und dem InfectoGnostics Forschungscampus Jena. Die soziale Verantwortung gegenüber den Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern sowie die Optimierung familienfreundlicher Arbeitsbedingungen sind zentrale Anliegen des Institutes. Mit der Aufnahme in das Jenaer Bündnis für Familie im November vergangenen Jahres erhofft sich das IPHT wertvolle Impulse, um bereits vorhandene Maßnahmen zu optimieren und ausbauen zu können. Das IPHT wird sich schwerpunktmäßig in der Arbeitsgruppe Vereinbarkeit von Familie und Beruf des Bündnisses engagieren. Informationen zur Organisationsstruktur und aktuelle Kennzahlen finden Sie auf den Seiten 36 bis Datenanhang inkl. Liste der Fachbeiträge Ausgezeichnetes Personal Im vergangenen Jahr wurden viele der herausragenden Leistungen von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des IPHT mit internationalen und nationalen Preisen geehrt darunter zahlreiche Posterpreise für Doktorandinnen und Doktoranden. Eine Auswahl: Hartmut Bartelt, Christoph Chojetzki, Jens Kupis, Eric Lindner, Manfred Rothhardt und Sonja Unger // Thüringer Forschungspreis in der Kategorie Transfer Thomas Bocklitz // Bruce R. Kowalski Award in Chemometrics Administered by the Society for Applied Spectroscopy (SciX Conference 2015) Volker Deckert // Fellow der Royal Society of Chemistry (RSC) Yan Di // Raman Young Investigator Award, (8th International Conference on Advanced Vibrational Spectroscopy (ICAVS), Wien) Izabella Hidi // Entrepeneurship Challenge Winner (Biophotonics 2015, SPIE) Hans-Georg Meyer, Thomas Schönau und Ronny Stolz // Goldmedaille der iena 2015, (67. Internationale Fachmesse für Ideen-Erfindungen-Neuheiten iena 2015, Nürnberg) 7 Ute Neugebauer // Wissenschaftspreis Lebenswissenschaften und Physik 2015, (Beutenberg-Campus Jena) Effektvolle Tanzeinlage der internationalen Künstlergruppe Feeding the Fish während der Jenaer Auftaktveranstaltung zum Internationalen Jahr des Lichts. Dr. Dave Lowe (rechts), Koordinator des Neuseeländischen Wirtschaftsministeriums zu Gast im Labor von Tobias Meyer am IPHT. Verleihung des Thüringer Forschungspreises durch Wolfgang Tiefensee (links), Thüringer Minister für Wirtschaft, Wissenschaft und Digitale Gesellschaft, an Prof. Dr. Harmut Bartelt und sein Team. Jürgen Popp // Pittsburgh Spectroscopy Award of the Spectroscopy Society of Pittsburgh (SSP), (PITTCON 2016)

5 Licht steht im Mittelpunkt der Forschungsarbeiten des Leibniz-Institutes für Photonische Technologien. Die Faseroptik ist seit mehr als 30 Jahren ein Forschungsschwerpunkt des Institutes. Basierend auf einer herausragenden, technologischen Basis Fasertechnologie am IPHT ein Überblick 8 sowie einer ausgeprägten Expertise der Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter verfügt das IPHT heute über eine hochmoderne, geschlossene Technologiekette. Die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten umfassen Faserdesign, Preform-Herstellung, Faserziehen, Material- und Fasercharakterisierung sowie Entwicklung faserbasierter optischer Bauteile. Diese Vielfalt macht das IPHT zu einem weltweit gefragten Partner für Industrie und Wissenschaft auf dem Gebiet der Glasfasertechnologie. 9

6 Preform technologien am IPHT Seit den späten 1970er Jahren erfolgten am Vorgängerinstitut des IPHT Forschungsarbeiten zur Herstellung von optischen Fasern auf der Basis von synthetischen Quarzgläsern. Ziel waren verlustarme Glasfasern für die damals in den Kinderschuhen steckende optische Nachrichtentechnik. 10 MCVD-Verfahren Für die Herstellung von Faserrohlingen, engl. Preformen, aus denen Fasern gezogen werden, wurde am Institut das Verfahren zur modifizierten chemischen Gasphasenabscheidung (Modified Chemical Vapor Deposition, kurz MCVD) eingeführt. In enger Zusammenarbeit mit dem Jenaer Glaswerk Schott & Gen. wurde das Verfahren zur Marktreife gebracht. Nach dem erfolgreichen Übergang der Telekommunikationsfasern von der Grundlagenforschung in die Anwendung konzentrierte sich das IPHT Anfang der 1990er Jahre auf die Erforschung und Entwicklung von optischen Glasfasern für Spezialanwendungen. Dazu zählen Faserlaser sowie die faserbasierte Sensorik für Messungen beispielsweise von Druck oder Temperatur. Anwendungsbereiche sind u. a. Medizintechnik, Umwelt- Monitoring und Automobilindustrie. Die rasant steigenden Herausforderungen der Industrie an immer größere Lichtleistungen von Faserlasern stellen eine große Herausforderung beim Design von dickeren Faserkernen dar. Obwohl das MCVD-Verfahren am IPHT immer noch die Standardtechnologie für die Herstellung von Preformen ist, hat das Verfahren technologische Grenzen in Bezug auf die Herstellung eines entsprechend dicken Kernmaterials. Ab 2006 wurde am IPHT in enger Kooperation mit Industriepartnern das patentierte REPUSIL-Verfahren (Reaktive-Pulver-Sinterung von Quarzglas) zur Herstellung des Materials erforscht und entwickelt. Das 2007 am IPHT etablierte Tiegelschmelzverfahren ist eine weitere ergänzende Methode zur Herstellung von Preformen für optische Spezialgläser. Mit der Tiegelschmelze werden große Glas-Volumina mit unterschiedlichsten Dotierungen hergestellt. Die Gläser können in kompakter Form verwendet oder zu Fasern verzogen werden. Mikroskopaufnahmen von Querschnitten am IPHT hergestellter optischer Spezialfasern Hochkomplexe Faserstrukturen für verschiedenste Anwendungen Quarzglaskapillarbündel als Basis für hoch komplexe Faserstrukturen. 11 Tiegelschmelze Seltenerddotiertes Bulk-Quarzglas, das mit dem REPUSIL-Verfahren hergestellt wird. Für die Erforschung und Entwicklung des REPUSIL-Verfahrens wurden die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des IPHT 2012 mit dem Thüringer Forschungspreis im Bereich Angewandte Forschung gewürdigt. Basierend auf der Bandbreite der technologischen Kompetenz und der technischen Ausstattung werden am IPHT hochkomplexe Faserstrukturen realisiert. Werden diese Faserstrukturen gezielt modifiziert, kann man zum Beispiel Licht effizienter in der Faser erzeugen, höhere optische Leistungen übertragen oder empfindlichere spektrale Fasersensoren für die Detektion von Die innere Struktur einer Faser spielt für ihre funktionellen Eigenschaften eine große Rolle. // Prof. Dr. Hartmut Bartelt, IPHT-Abteilungsleiter Faseroptik Gasen und Flüssigkeiten realisieren. Die Struktur in der Preform entsteht manuell durch das Anordnen von Glasstäben und Glaskapillaren. Beim Verziehen der Preform müssen Ziehtemperatur und -geschwindigkeit sowie der Druck in den Kapillaren genau kontrolliert und angepasst werden, um die Mikrostruktur in die Faser zu überführen. Die jahrelangen Erfahrungen und die Expertise der Fasertechnologinnen und Fasertechnologen am IPHT ermöglicht die Erforschung, Entwicklung und Herstellung unterschiedlichster Mikrostrukturen für verschiedenste Anwendungen.

7 Faserziehanlage Das Verziehen einfacher Preformen erfolgt am IPHT seit 1982 in einer selbstentwickelten, fünf Meter hohen Faserziehanlage. Um den Ansprüchen beim Herstellen und Verziehen komplexerer Faserstrukturen gerecht zu werden, ist seit 2009 ein weiterer, ca. 14 Meter hoher Ziehturm am Institut in Betrieb. Der Bau wurde gefördert mit Mitteln der EU, des Freistaates Thüringen sowie des BMBF. Hochmodern ausgestattet, lassen sich am Ziehturm nahezu alle Parameter wie z. B. die Ziehgeschwindigkeit, die Ziehtemperatur oder die Aushärtebedingungen für die Polymerbeschichtung der Faser in weiten Bereichen verändern. Blick in den Ziehturm Preformvorschub Spleißen von Fasern 12 Unser Ziehturm ist viel mehr als nur eine Produktionsanlage. Er ist einer der modernsten Ziehanlagen in der Forschung in ganz Europa. // Dr. Jens Kobelke, Fasertechnologe am IPHT Weltweit führend ist ein am IPHT entwickeltes Verfahren, um Strukturen während des Ziehprozesses mit Laserpulsen in den Faserkern einzuschreiben. Diese Faser-Bragg-Gitter (FBG) bewirken eine spezifische Reflexion des Lichts. Das am IPHT entwickelte FBG- Einschreibeverfahren wurde in ein Spin-off des IPHT, die FBGS Technologies GmbH, überführt. Für den Transfer von der Wissenschaft in die Anwendung erhielten Prof. Dr. Hartmut Bartelt und sein Team 2015 den Thüringer Forscherpreis. Die Vielfalt der Anwendungsmöglichkeiten für Faser-Bragg- Gitter sowie die Vielzahl der in modernen Glasfasern verwendeten Materialien erfordert eine ständige Weiterentwicklung der Methoden zum Einschreiben von Faser-Bragg-Gittern. Capstan-Antrieb Zugkraftmessung Preform Ziehofen Faserdurchmesser- Messung Interferometer für Faser-Bragg-Gitter Capstan für Stab- und Kapillarherstellung inkl. Längenmessung Primärbeschichtung Trockenofen oder UV-Lampe Faserdurchmesser- Messung Sekundärbeschichtung Trockenofen oder UV-Lampe Faserdurchmesser- Messung Längenmessung Aufspuleinrichtung 14 m Prozess- und Materialcharakterisierung Verschiedene Charakterisierungsmethoden begleiten am IPHT alle Schritte von der Glas- bis zur Faserherstellung. Dadurch können Zusammenhänge und Abhängigkeiten zwischen der Glaszusammensetzung und den späteren optischen Eigenschaften einer Faser untersucht werden. Ein Schwerpunkt liegt auf der Untersuchung von zusätzlichen, strahlungsbedingten, optischen Verlusten wie zum Beispiel dem Photodarkening in Laserfasern. Die Erkenntnisse aus der Prozess- und Materialcharakterisierung fließen direkt in die Optimierung der Herstellungsprozesse für Preformen und Fasern ein. Photodarkening Diese Selbstschädigung im Anwendungsprozess verringert die Effizienz eines Faserlasers systematisch. Die Optimierung der Glasmaterialkomposition wird die Stabilität zukünftiger Faserlaser verbessern. Integrationstechnologien Viele faseroptische Anwendungen, wie etwa Faserlaser, erfordern eine Nachbereitung der optischen Fasern. Dafür stehen am IPHT Techniken wie das Tapern oder das Spleißen zur Verfügung. Mit Hilfe dieser Techniken können unterschiedliche Lichtquellen in einen Faserkern eingekoppelt oder Faserenden gleicher oder verschiedenartiger Fasertypen zu neuartigen Faserbauteilen verschmolzen werden. Diese prozessierten Fasern bilden am IPHT die Grundlage für die Entwicklung neuer Laserkonzepte. + Film IPHT-Faserziehanlage + Fachbeitrag Diffusions- und Sintereffekte an kompakten mikrostrukturierten Fasern + Fachbeitrag Inkohärentes Kombinieren von Faserlasern in einem 7 x 1 Faserkoppler bei mittleren Leistungen > 5 kw und hoher Brillanz Enabling Technology Die Faseroptik hat am IPHT die Funktion einer Schlüsseltechnologie. Basierend auf exzellenter Grundlagen- und Anwendungsforschung auf dem Gebiet der Faseroptik können innovative Fasern bzw. Faserkonzepte realisiert werden, die in verschiedenen Applikationsfeldern im Bereich Gesundheit, Sicherheit, Umwelt und Energie passgenau zum Einsatz kommen - gemäß dem IPHT-Leitgedanken From Ideas to Instruments., so Professor Dr. Jürgen Popp, wissenschaftlicher Direktor des IPHT. 13

8 Spezialfasern für Hochleistungslaser 14 Optische Fasern werden auf vielfältige Weise für die Übertragung von Licht genutzt. Anwendung finden sie heute nicht nur in der Nachrichtentechnik, in der Messtechnik oder zu Beleuchtungszwecken. Moderne Spezialglasfasern bieten die Möglichkeit, Licht in der Faser selbst zu erzeugen. Eine solche Lichtquelle mit einer besonders hohen Strahlqualität sind Faserlaser. Sie werden z. B. in der Automobil industrie genutzt, um millimeterdicke Metallbleche zu schneiden oder zu bohren und um konventionell nicht miteinander verschweißbare Materialien dauerhaft zu verbinden. Das IPHT hat in Zusammenarbeit mit der Firma Heraeus Quarzglas ein alternatives Verfahren für die Herstellung von Ausgangsmaterialien für Glasfasern entwickelt. Damit konnte die aus einer einzelnen Faser extrahierbare Lichtleistung auf mehr als fünf Kilowatt gesteigert werden. 15

9 Mit dem REPUSIL-Verfahren können außergewöhnliche große Kernstabdimensionen realisiert werden. 16 IPHT-Wissenschafler betrachten die aus dem REPUSIL-Glas gefertigten Preformen. seltenerddotiertes Bulk-Quarzglas das mittels Reaktiv-Pulver-Sinterung von Quarzglas (REPUSIL-Verfahren) hergestellt wird. Das Verfahren bietet gegenüber konventionellen Verfahren zur Herstellung von Faserlaser-Gläsern den Vorteil, dass man außergewöhn- Faser verzogen oder zu einer mikrostrukturierten Faser weiterverarbeitet. Das neue Verfahren ergänzt hervorragend die bereits am IPHT etablierten Verfahren zur Herstellung von Glasfaser-Preformen. + Fachbeitrag Die Fluordotierung nach dem REPUSIL- Verfahren zur Einstellung optischer Eigenschaften von Quarzglasmaterialien 17 Fasern für große Laserleistungen Zentrales Element eines Faserlasers ist eine spezielle optische Faser. Der Kern einer solchen Faser enthält Seltenerd-Ionen und dient als Verstärkungsmedium. Pumplicht, das durch die Faser geleitet wird, erzeugt aufgrund der großen Länge der Faser eine sehr hohe Verstärkung. Die von der Industrie geforderten immer weiter steigenden Ausgangsleistungen von Faserlasern im Bereich von mehreren Kilowatt lassen sich mit klassischen Fasern von 125 Mikrometern Durchmesser nicht realisieren. Die erzeugte Energie pro Fläche und Zeit (Leistungsdichte) in solchen Fasern würde das Glasmaterial zerstören. Konventionell wird dieses Problem durch die Koppelung mehrerer Einzelfasern gelöst. Eine Alternative sind dickere Fasern. Besonders herausfordernd ist dabei die Herstellung der entsprechend dickeren Faserkerne mit sehr homogenen Materialeigenschaften. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des IPHT haben gemeinsam mit Partnern bei Heraeus Quarzglas ein neues Verfahren für die Herstellung dieses Kernmaterials in großen, homogenen Blöcken entwickelt. Die Herstellung der Faser-Preform erfolgt in mehreren Prozessschritten. Die Basis der Preformen bildet ein Pulver als Ausgangsbasis für das Bulk-Quarzglas Seltenerddotiertes Bulk-Quarzglas REPUSIL ist weltweit einzigartig. Es erweitert das Spektrum der am IPHT herstellbaren Fasern schon jetzt spürbar, birgt aber noch viel Potential bezüglich Dotierung, Homogenisierung und Strukturierung, das in weiteren Forschungsprojekten umfassend ausgeschöpft werden soll. // Dr. Kay Schuster, Faserexperte am IPHT lich große Kernstabdimensionen realisieren kann, die wiederum neuartige Faserdesigns mit sehr großen Kernvolumina erlauben. Die aus dem REPUSIL-Glas gefertigte Preform wird entweder direkt zu einer massiven Seit nunmehr fast 10 Jahren wird am IPHT in stetig wachsendem Umfang an der Entwicklung dieses REPUSIL- Verfahrens geforscht. Im Jahr 2015 wurde im Rahmen von vier durch die EU, dem Bund und das Land Thüringen sowie von zwei industriell geförderten Projekten unter anderem daran gearbeitet, neue Dotierungen zu etablieren, um den Einsatzbereich von REPUSIL-Gläsern deutlich auszuweiten. Verbunden sind solche Materialentwicklungen mit umfangreichen Forschungsarbeiten zur Weiterentwicklung und Optimierung der technologischen Prozesse. Bestehende Projekt/Fördermittel-Zusagen für die kommenden Jahre bestätigen das große Interesse von Industrie, Wissenschaft und öffentlichen Förderern am REPUSIL-Verfahren selbst sowie an den damit herstellbaren exzellenten optischen Gläsern. Das patentierte REPUSIL- Verfahren wurde im Rahmen mehrerer vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderter Verbundprojekte entwickelt. Der Projektpartner Heraeus Quarzglas stellt mit Hilfe des REPUSIL-Materials Laserfasern her, die von der Firma Laserline seit einigen Jahren in Multikilowatt-Strahlkonvertern eingesetzt werden. Damit konnten 2015 Laserleistungen von mehr als fünf Kilowatt Laserleistung erzeugt werden.

10 Faseroptische Strukturen 18 Mit faserbasierten Sensoren können unter anderem Temperatur, Druck oder Dehnung gemessen werden. Dafür werden Faser-Bragg-Gitter als Nanostrukturen direkt in den Faserkern eingeschrieben. Dies eröffnet unter anderem neue Anwendungsmöglichkeiten zum Beispiel für durchstimmbare Laser. Neben dem am IPHT entwickelten Verfahren zum Einschreiben der Gitter während des Faserziehens werden alternative Einschreibemethoden erforscht. In Kombination mit neuen Materialien wird die Sensorik auch im Hochtemperaturbereich ermöglicht. 19

11 Fasern für Faserlaser Grundlage für das Einschreiben von Faser-Bragg-Gittern ist eine photoempfindliche Glasfaser, das heißt eine Faser, die mit UV-Licht bearbeitet werden kann. Um die Gitter in die Faser einzuschreiben, wird in der Regel die polymere Schutzschicht um die Faser entfernt. Die Gitterstruktur wird mit einem Laser eingeschrieben und die Faser anschließend neu beschichtet eine aufwendige und störanfällige Methode. Mit einem am IPHT erforschten Verfahren können die Faser-Bragg-Gitter bereits während der Herstellung der Glasfaser und vor dem Aufbringen der Faserschutzschicht im Faserziehturm eingeschrieben werden. Faserkern Fasermantel Faser mit Faser-Bragg-Gitter-Array 20 Ring-Resonator 21 Durch das schnelle und kostengünstige Einschreiben von Faser-Bragg- Gittern (FBG) während der Faserherstellung können Fasern mit einer sehr hohen Anzahl an Gittern und mit einer weitgehend flexibel bestimmbaren Lage der einzelnen Reflexionswellenlängen hergestellt werden. Dies haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am IPHT für ein neues Funktionskonzept von spektral durchstimmbaren Faserlasern genutzt. Dadurch wird es möglich, die aktive Wellenlänge des Faserlasers sehr flexibel und schnell einzustellen. Dies ist besonders für spektroskopische Anwendungen oder bei der Materialbearbeitung mit Laserpulsen von großem Interesse. Das Konzept basiert auf einem speziellen Laseraufbau, auch Ring- Resonator genannt. Grundlage dieses Faserlasers ist eine speziell aktiv dotierte Glasfaser. Zur Anregung des Laserprozesses wird Licht in die Laserfaser eingekoppelt und im Faserkern eine Fluoreszenzstrahlung erzeugt. In herkömmlichen Laserresonatoren reflektieren zusätzlich metallische oder dielektrische Spiegel an den Faserenden diese Strahlung, welche sich durch wiederholte Durchgänge durch die Laserfaser immer weiter verstärkt. In unserem Konzept verwenden wir einen am Faserziehturm hergestelltes FBG-Array als Resonatorspiegel, welchen man sich als Kombination von vielen spektral unterschiedlichen Spiegeln vorstellen kann, so Tobias Tieß, Wissenschaftler am IPHT. Dieses Faserteil wird mit der eigentlichen Laserfaser, in der das Licht erzeugt und verstärkt wird, zum Aufbau eines ringförmigen Resonators verbunden. Trifft das Licht auf ein einzelnes Gitter, so wird entsprechend der Gitterstruktur Licht einer spezifischen Wellenlänge zurück in die aktive Faser reflektiert. Über einen im Aufbau integrierten Modulator werden Laserpulse in ihrer Repetitionsrate und damit in ihrer Umlaufzeit im Resonator gesteuert. Je nach Umlaufzeit wird dadurch ein spezifischer Gitterspiegel im FBG-Array adressiert. Damit können wir gezielt eine bestimmte Wellenlänge im Laserresonator verstärken, so Tieß. Zudem lassen sich die Pulse des Lichts im Nanosekundenbereich elektrisch über den Modulator formen. Dies ist vor allem für die gewünschte Leistung des Lasers wichtig, so der IPHT-Wissenschaftler. Denn je kürzer der Lichtpuls, desto höher ist die Lichtintensität. Faser-Bragg-Gitter (FBG) sind wenige Millimeter lange, in den Kern einer Faser eingeschriebene Strukturen, mit einer periodischen Veränderung der Brechzahl entlang der Faser. Multispektrales (z. B. weißes) Licht, das durch die Faser läuft, wird je nach Gitterstruktur wellenlängenabhängig reflektiert und kann sensorisch vermessen werden. Anhand der Datenauswertung der Reflexionswellenlängen kann man Rückschlüsse auf z. B. Temperatur, Druck oder Dehnung ziehen. MODULATOR VERSTÄRKER FBG-ARRAY Robuste Systeme für die medizinische Diagnostik Die Idee, die Wellenlänge des Lichts faserintegriert einzustellen, ist nicht neu. Bislang wurden jedoch nur einzelne gechirpte Gitter verwendet, die eine sich kontinuierlich verändernde Gitterperiode besitzen und damit für große Bandbreiten hohen technologischen Herausforderungen bei der Herstellung und Beschränkungen bei der optischen Funktionalität unterliegen. Somit lässt sich der Wellenlängenbereich des Lichts nur eingeschränkt variieren. Der Vorteil des Der durchstimmbare Faserlaser ist ein gutes Beispiel für die erfolgreiche Kombination von Ergebnissen unserer Grundlagenforschung im Bereich Faseroptik und Photonische Detektion und ihrer Anwendung in den Lebenswissenschaften. // Pro f. Dr. Jürgen Popp, Wissenschaftlicher Direktor des IPHT IPHT-Aufbaus liegt vor allem in der Möglichkeit, die spektrale Bandbreite maßgeschneidert über einen großen Spektralbereich anzupassen. Durch die maßgeschneiderten, spektralen Abstimmbereiche können einzelne Moleküle einfacher und schneller spektroskopisch untersucht werden. Dies ist die Grundlage für eine verbesserte medizinische Diagnostik. Weitere Vorteile liegen in der hohen Robustheit des Systems mit einer hohen Stabilität und einer exzellenten Strahlqualität.

12 Fasersensoren für extreme Bedingungen 22 Fasern mit eingeschriebenen Faser-Bragg-Gittern lassen sich nicht nur für die Steuerung der Lichtintensität und Pulsdauer nutzen, sondern auch als faseroptische Sensoren für die Messung von Temperatur, Druck oder Dehnung. Zum Einsatz kommen sie vor allem, wenn höchste Präzision oder eine elektromagnetische Verträglichkeit des Sensors benötigt wird. Bei Temperaturmessungen eignen sich die klassischen, kommerziell verfügbaren Gitter allerdings nur für Temperaturen bis einige hundert Grad Celsius. Bei höheren Temperaturen werden die Fasern und die eingeschriebenen Strukturen weich und die FBG verschwinden. Für den Einsatz von Faser-Bragg Gittern im Hochtemperaturbereich, z. B. zur Überwachung von Kohlekraftwerken oder bei der Optimierung von Gasturbinen, ergeben sich neue Herausforderungen. Fasersensoren im Hochtemperaturtest Wesentlich bessere Hochtemperatureigenschaften als konventionelle, auf Quarzglas basierte Lichtleitfasern besitzen Saphirfasern. Sie schmelzen erst bei 2050 C. Saphirfasern sind, anders als herkömmliche Fasern, nicht photosensitiv für UV-Belichtung und müssen in einem aufwendigen Prozess hergestellt werden. Sie sind aufgrund des speziellen Herstellungsverfahrens in der Regel nicht länger als zwei Meter. Aufgrund der fehlenden Photosensitivität werden Faser-Bragg-Gitter daher nicht mit einem einzelnen Laserpuls am Ziehturm, sondern durch längere Belichtungen mit einem Femtosekundenlaser in die Saphirfaser eingeschrieben. Fasergitter in Saphirfasern Das Gittereinschreiben wird durch, im Vergleich zum Laser am Faserziehturm, deutlich kürzere Laserpulse und eine dadurch stärke Lichtintensität ermöglicht. Da Saphirfasern nicht wie übliche Fasern über einen Kern verfügen und das Licht in der gesamten Faser geleitet wird, sind sie anfällig für äußere Einflüsse wie Staub oder Berührung. Eine Kapillare aus Korrund schützt sie daher während der Messungen. Manfred Rothhardt und sein Team konnten Wir sind weltweit die einzige Forschergruppe, die die Temperaturstabilität von Gittern in Saphirfasern bis 1900 Grad nachweisen und publizieren* konnte. // Dipl.-Phys. Manfred Rothhardt, IPHT-Wissenschaftler damit in wiederholten Messungen bis 1500 C die Temperatur bis auf 1 Kelvin genau messen. Herkömmliche Messungen im Hochtemperaturbereich erfolgen mit Thermo-Elementen oder mit Pyrometern, die wie eine Art Wärmebildkamera funktionieren. Mit diesen Messungen ergeben sich allerdings Temperaturabweichungen von durchaus weit mehr als 10 Kelvin. Interferometer, mit dem Faser-Bragg-Gitter in den Faserkern eingeschrieben werden. Alumosilikat Glasfasern Um hochtemperaturstabile Faser- Bragg-Gitter in Fasern mit verringerter Störanfälligkeit und deutlich vergrößerten Faserlängen zu ermöglich, wurde am IPHT eine neuartige Faser erforscht. Grundlage der Faser ist ein Saphirstab als Kernmaterial, der sich Die Herstellung der Alumosilikatglasfasern ist sehr diffizil, da wir beim Ziehen mit Temperaturen oberhalb von 2000 C arbeiten. // Dr. Jens Kobelke, Fasertechnologe am IPHT in einem Quarzglasummantelungsrohr befindet. Beim Verziehen dieser Preform zu einer Faser bei extrem hohen Temperaturen diffundieren die beiden Materialien ineinander und reagieren miteinander. Im Resultat entsteht ein Faserkern aus Alumosilikatglas mit ca. 50 Prozent Aluminiumoxidanteil. Die in diese Faser eingeschriebenen Gitter sind bis 900 C stabil und können in Fasern von mehreren dutzend Metern Länge verwendet werden. Zudem verfügt diese Faser über einen Kern, der durch einen stabilen Quarzglasmantel geschützt ist und zeigt im Gegensatz zu den unstrukturierten Saphirfasern ein deutlich besseres Handling und geringere Störanfälligkeit gegen Faserverschmutzungen. Die hohen Temperaturen erfordern auf Grund der niedrigen Mantelglasviskosität ein relativ schnelles Ziehen bei sehr kleiner Faserzugspannung. Das erschwert den Faserziehprozess bezüglich einer stabilen Faserdurchmessersteuerung. Durch die vorhandenen Erfahrungen und Expertisen bei der Herstellung diverser Spezialfasern, wurde allerdings eine Lösung gefunden. + Fachbeitrag Hochtemperaturstabile Faser-Bragg-Gitter in Alumosilikatkernfasern + Fachbeitrag Wellenlängenabstimmbarer Faserlaser mit Rekordbandbreite basierend auf Faser-Bragg-Gitter Arrays + Video des Ring-Resonators 23 * Habisreuther, T., Elsmann, T., Pan, Z., Graf, A., Willsch, R., & Schmidt, M. (2015). Sapphire fiber Bragg gratings for high temperature and dynamic temperature diagnostics. Applied Thermal Engineering, 91, doi: /j.applthermaleng

13 Fasern mit kleinsten Strukturen Hohlkernfasern für die Analyse von Gasen und Flüssigkeiten Im Rahmen einer vom Land Thüringen und dem Europäischen Sozialfonds geförderten Industrieforschergruppe erforschten und entwickelten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am IPHT neuartige Hohlkern fasern für die Ramanspektroskopische Analyse von verunreinigtem Wasser. Geringe Probenmengen werden damit schnell, zuverlässig und vor Ort identifiziert und quantifiziert. Die Fasern eignen sich auch für die Analyse von anderen Flüssigkeiten und Gasen.

14 Sensorfasern mit hohlem Kern Mikrostrukturierte Fasern 26 Zugang zu sauberem Wasser ist ein Menschenrecht. Dennoch nimmt die Wasserverschmutzung zu. Weltweit sterben an schmutzwasserassoziierten Krankheiten nach Schätzungen der Vereinten Nationen jährlich bis zu 5 Millionen Menschen. Vor diesem Hintergrund sind schnelle und kostengünstige Methoden zur Wasseranalyse dringend notwendig. Bislang haben wir verunreinigtes Wasser in Küvetten gefüllt und Kontaminationen mittels Raman-Spektroskopie detektiert. Im Rahmen des Projekts der Industrieforschergruppe wollten wir diese Methode mit Hilfe von Hohlkernfasern optimieren so Dr. Torsten Frosch, Projektleiter im Rahmen der Industrieforschergruppe. Im Vergleich zu der herkömmlichen Messung in einer Küvette kann mit einer solchen Sensorfaser die Wechselwirkung zwischen Licht und dem zu analysierenden Stoff auf einer viel längeren Strecke bei gleichzeitig sehr kleinem Volumen ausgenutzt werden. Dadurch sind auch geringste Spuren von Schadstoffen nachweisbar. Hohlkernfasern sind ein besonderer Typ mikrostrukturierter Glasfasern. Der Kern kann für spektroskopische Zwecke mit Flüssigkeiten oder Gasen gefüllt werden. Hohlkernfasern haben nicht nur ein ungewöhnliches Innenleben, sondern auch eine für Glasfasern ungewöhnliche Art der Lichtführung. Obwohl der im zentralen Hohlkern eingefüllte Analyt einen geringeren Brechungsindex als die umgebende Mantelstruktur hat, kann eine Lichtführung in Hohlkernfasern nach dem Prinzip der Antiresonanz erfolgen. Richtig dimensioniert führt der Kern einer solchen Faser das Licht in genau den Wellenlängenbereichen, in denen die Spektroskopie betrieben werden soll. Die Stege zwischen den Hohlräumen sollten dünn und präzise sein, um möglichst viel Licht in breiten Spektralbereichen so verlustarm wie möglich im Hohlkern der Sensorfaser zu führen. Solche Wir brauchten eine Faser, die mit Wellenlängen im UV- Bereich arbeiten kann, also mit sehr kurzen Wellenlängen. Denn je kürzer die Wellenlänge ist, desto stärker ist das Raman-Signal. Damit erhalten wir die Grundlage für eine hochempfindliche Ramanspektroskopische Analyse. // Dr. Torsten Frosch, Wissenschaftler extremen Anforderungen setzen eine fundierte Planung, hochpräzise Preform- Präparation und Expertenwissen beim Verziehen der Fasern voraus. Den Fasertechnologinnen und Fasertechnologen am IPHT ist es in diesem Jahr gelungen, eine neuartige Hohlkernfaser mit einem Kern von 20 Mikrometer Durchmesser herzustellen, deren Kern begrenzende Quarzglasstege nur noch hauchdünne 400 Nanometer dick sind. Filigrane Struk turen Neben herkömmlichen Glasfasern, bei denen Kern und Mantel vollständig aus Glas bestehen, gibt es heute eine große Vielfalt innovativer optischer Fasern. Mikrostrukturierte Fasern z. B. besitzen meist einen massiven Glaskern, während ihr Mantel von winzigen Löchern / Kapillaren durchzogen ist. Die optischen Eigenschaften dieser Fasern hängen vom Durchmesser des Kerns und von dem Durchmesser, der Anzahl und den Abständen der Mantellöcher ab. Je nach Struktur können die Eigenschaften einer solchen Faser für die verschiedensten Anwendungen maßgeschneidert werden. Preform einer mikrostrukturierten Faser Mikroskop-Aufnahme einer Hohlkernfaser 10 µm Als Ausgangskomponente für die Herstellung einer solchen Hohlkernfaser benötigt man sehr dünnwandige Quarzglaskapillaren. Diese werden am IPHT gezogen, manuell zu einer Hohlkern-Anordnung gebündelt und anschließend in einem sehr dünnwandigen Glasrohr positioniert, das den späteren, komplexen Hohlstrukturbereich der Faser schützend und stabilisierend umgibt. In einem ersten Temperaturschritt wird diese lose Kapillarpackung konsolidiert und gleichzeitig gestreckt. Abhängig von den Prozessbedingungen verbinden sich dabei die Glaskapillaren punk- Die Preform-Struktur entsteht durch manuelles Anordnen von Glasstäben und Glaskapillaren. tuell bis flächig miteinander sowie mit dem umgebenden Mantelrohr. Dadurch ergeben sich vielfältige Möglichkeiten, die Struktur der finalen Hohlkernfaser zu beeinflussen. Auch beim anschließenden Verziehen der so entstandenen Preform zur Faser sind weitere Strukturanpassungen möglich. Verschließt man z. B. die Kapillarenden der Preform, so beeinflusst der beim Faserziehen entstehende Kapillarinnendruck die Filigranstruktur in der Faser. Eine offene Kapillarpackung hingegen ermöglicht die Gestaltung der Innenarchitektur der Hohlkernfaser durch gezieltes Anlegen von Über- oder Unterdruck. Im Rahmen der Industrieforschergruppe hatten die Fasertechnologinnen Das IPHT verfügt als eins von nur zwei Instituten in Deutschland über das Know-how, Hohlkernfasern mit sehr filigranen Strukturen herzustellen. // Dr. Jörg Bierlich, IPHT-Fasertechnologe und Fasertechnologen die Chance, sich intensiv mit allen Teilschritten des Prozesses zur Herstellung von Hohlkernfasern auseinanderzusetzen und ihre diesbezügliche Expertise deutlich auszubauen. Die neuartige Hohlkernfaser hat aufgrund der dünnwandigen Stegstrukturen relativ geringe optische Verluste. Dies ist auf die doppelte Antiresonanz zurückzuführen, so Professor Markus Schmidt, Leiter der IPHT-Forschergruppe Fasersensorik. Das heißt, durch die sehr dünnen Stege um den Kern und die Luftlöcher ergibt sich ein verbessertes Reflektionsverhalten, was dazu führt, dass besonders viel Licht im Kernbereich gehalten wird, so Schmidt. Derartige Hohlkernfasern sind hochinteressant für die Umweltsensorik auf Basis empfindlicher Raman- und Absorptionsspektroskopie. Durch die wesentlich verbesserte Nachweisempfindlichkeit und die mobile Nutzbarkeit sind neben dem Einsatz in der Umweltanalytik auch weitere Anwendungsbereiche wie die Medizintechnik vorstellbar. Aktuell arbeiten wir intensiv daran, diese neuartigen Hohlkernfasersensoren mit lokalen Industrie- und Wissenschaftspartnern in die Anwendung zu bringen, so Dr. Frosch. + Fachbeitrag Einzelmodenführung in Hohlkernfasern mit großem Kerndurchmesser 27

15 28 Vor dem Hintergrund der Zunahme viraler Erkrankungen gewinnt der schnelle und eindeutige Nachweis von Viren an Bedeutung. Die virologische Diagnostik bietet dafür eine Reihe von Möglichkeiten. Dabei müssen die Viren fixiert und angefärbt werden. Am IPHT wurde ein Faserdesign erforscht, mit dem eine markierungsfreie Bestimmung der Größe und Bewegung freidiffundierende Viren mit Abmessungen kleiner als 20 Nanometer möglich ist. Viren sind sehr klein: Ihr Durchmesser liegt zwischen 20 und 200 Nanometern. Damit sind Viren deutlich kleiner als ein menschliches Haar, das bis Nanometer dick ist. Aufgrund ihrer Größe entziehen sich Objekte kleiner als 100 Nanometer oft konventionellen Charakterisierungsmethoden. In der Regel werden Viren, die in hoher Quantität vorliegen, daher nach Fixierung und Anfärbung durch einen Fluoreszenz-Farbstoff im Elektronenmikroskop oder durch Bindung von fluoreszenzmarkierten Antikörpern sichtbar gemacht. Die Markierung eines Virus mit einem Farbstoff verändert seine Eigenschaften. Ein Teil unserer Arbeit konzentriert sich auf die Implementierung von nano- und mikrostrukturierten Elementen in Fasern für den IPHT-Forschungsschwerpunkt Biophotonik. Wir haben überlegt, wie wir diese Expertise für die Langzeitmessung von freidiffundierenden, nicht-markierten Viren nutzen können, so Professor Dr. Markus Schmidt, Leiter der IPHT-Forschergruppe Objektiv Lichtstreuung in Wasser schwimmende Testviren Nanokanal Faserkern Licht shutterstock: Sebastian Kaulitzki Nanokanal Fasersensorik. Gemeinsam mit seinem Team und Kollegen von der Universität Leiden, Niederlande hat er eine neuartige Faser entworfen. Im Kern der Faser befindet sich ein Nanokanal mit einem Durchmesser von 200 Nanometern, welches sich 1µm CCMV-Testviren entlang der gesamten Faser ausbreitet. In diesem Kanal werden in Wasser schwimmende Testviren eingefüllt und Licht in den Faserkern eingekoppelt. Der Brechungsindex des Wassers ist grundsätzlich kleiner als der des ihn umgebenden Quarzglaskerns. Grundlage für die Lichtführung in einer optischen Faser ist aber ein vom Kern zum Mantel abnehmender Brechungsindex. Unser Partner Heraeus Quarzglas hat eine passgenaue Faser für uns entwickelt, indem sie mit Hilfe von Dotanden den Brechungsindex des Quarzglases um das Nanoloch gezielt erhöht haben, um einen Kernbereich Markierungsfreier Nachweis von Viren mit Hilfe von Fasern zu generieren. Das im Faserkern eingekoppelte Licht bricht dadurch nicht an der Grenzfläche zum undotierten Quarzglasmantel aus, sondern bleibt in der Faser gefangen, so Schmidt. Trifft das in die Kapillare eingekoppelte Licht nun auf ein Virus, wird ein Teil des Lichts von seiner Ausbreitungsrichtung abgelenkt, d. h. gestreut. Durch diese Lichtsstreuung und mit Hilfe eines Mikroskops kann die Größe des Virus bestimmt werden. Zudem kann die Bewegung eines Virus in einem Zeitraum von bis zu 10 Sekunden beobachtet und aufgezeichnet werden. Erste Messungen der Testviren erfolgten an den Universitäten Harvard / USA und Leiden / Niederlande. Die entwickelte Faser kann in Standard mikroskope integriert und ihre Detektionsbreite auf andere Nanopartikel erweitert werden. Die Anwendungsfelder reichen von der medizinischen Diagnostik bis zur Trinkwasseranalyse. + Fachbeitrag Einzelvirendetektion in Nanolochfasern mittels elastischer Lichtstreuung + Link Fachbeitrag im ACS Nano Journal 29

16 Wissen aus neun Leibniz-Instituten vereint auf einem Chip Sensorplattform zur Vorhersage anfallartiger Verschlimmerungen chronisch tizieren, Vorhersagen zu treffen und frühzeitig individuell abgestimmte Therapiemaßnahmen einzuleiten. 30 entzündlicher Atemwegserkrankungen. In den kommenden drei Jahren forschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler verschiedener Fachrichtungen aus neun Leibniz-Instituten gemeinsam im dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projekt EXASENS an einem System zur Vorhersage und Diagnostik der chronisch-entzündlichen Atemwegserkrankungen Asthma und chronisch obstruktive Lungenerkrankung (COPD). EXASENS ist eines der ersten Projekte, welches im Rahmen des Leibniz-Forschungsverbundes Medizintechnik: Diagnose, Monitoring und Therapie gestartet ist. Das BMBF unterstützt das Vorhaben mit 6,25 Mio. Euro. Über 10 Prozent der deutschen Bevölkerung leiden an chronischentzündlichen Atemwegserkrankungen, wodurch sie sowohl volkswirtschaftlich als auch gesundheitspolitisch von Bedeutung sind. Klinisch hochrelevant und von besonderer Brisanz für die Patientinnen und Patienten sind akute, anfallartige Verschlimmerungen (Exazerbationen) dieser Erkrankungen, die zu lebensbedrohlichen Komplikationen führen können. Ein exaktes Monitoring des Krankheitszustandes und eine frühzeitige Diagnostik sich anbahnender Exazerbationen ist essentiell für eine verbesserte Lebensqualität und die optimale Behandlung des Patienten. Herkömmliche Verfahren basieren auf Lungenfunktionstests und der subjektiven Einschätzung durch einen erfahrenen Arzt. Die so gewonnenen Ergebnisse sind nicht spezifisch genug, um die Ursache der Exazerbation zu diagnos- Sputum-Probe mit Biomarkern und/oder Noxen Das Projekt soll diese diagnostische Lücke schließen. Dazu werden zunächst potentielle Auslöser von Exazerbationen, wie zum Beispiel Bakterien, Viren, Pilzsporen oder Stäube, mit optoelektronischen und photonischen Verfahren charakterisiert und spezifische Indikatoren definiert, welche eine zuverlässige Vorhersage erlauben. Parallel dazu wird eine modular aufgebaute Kartusche entwickelt, in der alle erforderlichen Schritte zur Aufbereitung und Analyse von Patientenproben durchgeführt werden. Die Wissenschaftlerinnen und Modular aufgebaute Kartusche zur Aufbereitung und Analyse von Patientenproben Analyse der Viren / Biomarker Analyse der Noxen Bestimmung der Viskosität Verflüssigung der Sputum-Probe Paul Klemm und Linda Lattermann aus der Jenaer Biochip Initiative arbeiten gemeinsam an der Charakterisierung von Bakterien, um daraus Indikatoren für die Vorhersage von Exazerbationen ableiten zu können Wissenschaftler legen dabei den Fokus auf Lab-on-a-Chip-Technologien. Durch die Kombination mehrerer Cent-Stückgroßer Chips mit unterschiedlicher Funktionalität entsteht eine Messplattform, die dem Nutzer innerhalb kurzer Zeit krankheitsspezifische Informationen liefern wird. Die komplexen Abläufe der Analyse, z. B. von Speichelproben, werden in einem intuitiv zu bedienenden Gerät integriert, das in der Arztpraxis oder zu Hause anwendbar ist. Mediziner können so eine Verschlimmerung im Krankheitsverlauf frühzeitig und ursachenspezifisch erkennen und individuelle Therapiemaßnahmen einleiten. Die interdisziplinäre Zusammenarbeit innerhalb des Leibniz- Forschungsverbundes versetzt uns in die Lage, ein Thema entlang der Innovationskette von der Grundlagenforschung bis hin zur Vermarktung von Lösungen und Verfahren durch Industriepartner bearbeiten zu können // Dr. Karina Weber, AG Jenaer Biochip Initiative Aufgrund der kompakten Bauweise und einfachen Handhabung eignet sich die Technologie auch für telemedizinische Anwendungen. Betroffenen Patientinnen und Patienten wird es ermöglicht, den Krankheitsverlauf selbstständig und verlässlich zu überwachen und die Testergebnisse online an den behandelnden Hausarzt oder eine Klinik zu übermitteln. Die Anzahl nicht erforderlicher ambulanter oder gar notfallmedizinischer Behandlungen und die dadurch entstehenden Kosten für das Gesundheitssystem können drastisch reduziert werden. Darüber hinaus wird durch die enge Zusammenarbeit der Leibniz- Institute mit Kliniken und Einrichtungen der biologischen und medizinischen Forschung eine Validierung der erforschten Technologien ermöglicht. Die zukünftige Einbindung von Unternehmen wird zur schnellen Überführung der Sensorplattformen in alltagstaugliche Anwendungen führen. EXASENS POC-Sensorplattform für chronisch-entzündliche Atemwegserkrankungen Projektvolumen: 6,25 Mio. Projektlaufzeit: 1. Dezember 2015 bis 30. November 2018 Gefördert von: Bundesministerium für Bildung und Forschung Projektpartner: Leibniz-Institut für Photonische Technologien e. V. (IPHT), Jena Leibniz-Zentrum für Medizin und Biowissenschaften (FZB), Borstel Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH), Berlin Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e. V. (IPF), Dresden Leibniz-Institut für Interaktive Materialien (DWI), Aachen Leibniz-Institut für Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie e. V. (HKI), Jena Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik (IHP), Frankfurt /Oder Leibniz-Institut für Analytische Wissenschaften (ISAS), Dortmund Leibniz-Institut für Wirtschaftsforschung Halle (IWH), Halle 31

17 32 Systemintegration Von der Idee zum Instrument Neben grundlegenden technologischen Arbeiten auf den Gebieten der Biophotonik, Faseroptik und Photonischer Detektion, wächst die Bedeutung der Systemtechnologie am IPHT in zunehmendem Maße. In Folge dessen wurde am Institut eine Arbeitsgruppe mit dem Schwerpunkt Systemintegration gegründet. Mit dem Aufbau der Arbeitsgruppe Systemintegration möchte das IPHT verstärkt die aus der Forschung gewonnenen technologischen Lösungen in kompakte Systeme überführen. Ziel ist es, diese soweit zu erforschen und zu entwickeln, dass diese noch besser als bisher in Anwendungen überführt werden können. Anwendungsgebiete sind u.a. Lebenwissenschaften, Lebensmittelsicherheit und Medizin. Das IPHT setzt durch den Aufbau dieser Expertise seinen Leitgedanken From Ideas to Instruments verstärkt in die Praxis um. Beispiel für eine gelungene Integration von Technologien in ein kompaktes System ist PAUL, ein Photonisches Analytik Universal Labor. PAUL kombiniert ein leistungsfähiges Photospektrometer mit modernster mikrofluidischer Technologie. Durch eine wechselbare Kartusche ist es an verschiedene Fragestellungen anpassbar. Anwendung soll PAUL in der Mikroanalytik und den Lebenswissenschaften finden. Neben der technischen Ausstattung und der miniaturisierten Bauweise spielten bei der Entwicklung von PAUL Nutzerfreundlichkeit und Design eine Rolle. Wissenschaftler der Arbeitsgruppe Sensorsysteme unter Leitung von Dr. Rainer Riesenberg entwickelten ebenfalls ein kompaktes System für medizinische Anwendungen. Der Blood Cell Counter basiert auf der linsenlosen inline-holografischen Bildgebung und wurde innerhalb des Europäischen Verbundvorhabens Hemospec realisiert. Mediziner können damit online Veränderungen der Blutzellen erfassen. Den Forschern ist es gelungen, die benötigten Bauelemente und Technologien soweit zu optimieren und PAUL, ein kompaktes Universal-Labor für die Analytik, kombiniert ein leistungsfähiges Photospektrometer mit modernster mikrofluidischer Technologie. aufeinander abzustimmen, dass diese im Gehäuse eines externen Festplattenlaufwerks Platz finden. In dem Fluidik-Chip-basierten holografischen Mikroskop ist eine handelsübliche Laserdiode, wie sie für einen Laserpointer gebräuchlich ist, verbaut. Mit dieser kompakten und preiswerten Beleuchtungseinheit konnten erstmals Videos vom Blutzellenfluss in einem Fluidikkanal gezeigt werden. Aufgrund der für die Holografie typischen hohen Phasenempfindlichkeit können mit dem System neben den gut sichtbaren roten Blutzellen auch weiße Blutzellen (Leukozyten) ohne Färbung abgebildet und klassifiziert werden. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse helfen bei Diagnose und personalisierten Therapie-Entscheidungen. Weitere Anwendungsmöglichkeiten für den Blood Cell Counter eröffnen sich im Bereich der Vor-Ort-Analyse bzw. zur unmittelbaren Überwachung von Patienten sowie perspektivisch auf dem Gebiet der Telemedizin. Medicars ist ein weiteres System, welches am IPHT für die Anwendung in der Klinik weiterentwickelt wird. Das kompakte CARS-Mikroskop für die medizinische Diagnostik erzeugt hochaufgelöste multimodale Bilder von Gewebeproben ohne vorherige Anfärbung. Erkranktes Gewebe kann eindeutig lokalisiert und gezielt entfernt werden. In den vergangenen Jahren arbeiteten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler daran, den ehemals komplexen Laboraufbau soweit zu miniaturisieren, damit dieser mobil einsetzbar ist. Gegenwärtig konzentrieren sich die Arbeiten darauf, das Verfahren zu automatisieren und die softwaregestützte Bildauswertung weiter zu optimieren. Perspektivisch soll Medicars in präklinischen Studien zum Einsatz kommen und zudem eine In-Vivo-Diagnostik ermöglichen. Medicars ein kompaktes CARS-Mikroskop für die medizinische Diagnostik von Gewebe. Der Blood Cell Counter basiert auf der linsenlosen Mikroskopie. Lichtquelle ist eine Laserdiode. Aufbauend auf den in der Vergangenheit gewonnenen Kompetenzen im Bereich der Systemtechnologie sollen zukünftig die Praxistauglichkeit bzw. das Technical Readiness Level (TRL) weiterer Verfahren verbessert und diese in kompakte Systeme bzw. Komponenten überführt werden. Die neue Arbeitsgruppe Systemintegration erbringt somit einen wertvollen Beitrag für den Transfer von Forschungsergebnissen in Wirtschaft und Anwendung. 33

18 Wissenschaftliche Beiträge in der App Biophotonik Im Forschungsschwerpunkt Biophotonik realisiert das IPHT basierend auf angewandter Grundlagenforschung innovative photonische Verfahren und Werkzeuge für die Molekülspektroskopie und hyperspektrale Bildgebung sowie für die faser-, chip- und nanopartikelbasierte Analytik. Die Anwendungsfelder erstrecken sich von der Grundlagenforschung in den Lebenswissenschaften über die Lebensmittel- und Umweltsicherheit bis hin zur klinischen Diagnostik. Lesen Sie hierzu folgende Beiträge in der App: Faseroptik Der Schwerpunkt Faseroptik betreibt Grundlagenforschung zu den Ausbreitungseigenschaften und zur effizienten und flexiblen Steuerung fasergeführten Lichts und erforscht Fasermodule und -systeme für ein breites Anwendungsspektrum. Lesen Sie hierzu folgende Beiträge in der App: Der Einfluss des Faserziehprozesses auf intrinsische Spannungen und die sich daraus ergebende Optimierung der Doppelbrechung von PM-Fasern Wellenlängenabstimmbarer Faserlaser mit Rekordbandbreite basierend auf Faser-Bragg-Gitter Arrays Tieß // Rotthardt // Bartelt // Jäger Inkohärentes Kombinieren von Faserlasern in einem 7x1 Faserkoppler bei mittleren Leistungen > 5kW und hoher Brillianz Jäger // Eschrich // Kobelke // Unger // Bartelt Nutzung der plasmonischen Eigenschaften dünner Niobfilme für die Sensorik Wieduwilt // Schmidt Ein- und Zwei-Photonen-Emission beim supraleitenden Qubit Illichev // Neilinger // Rehak // Grajcar // Oelsner // Hübner IPHT-Sensoren auf dem Kometen Tschurjumow-Gerassimenko Kessler // Knollenberg Hochempfindliche absolute Messung des Erdmagnetfeldes als technologischer Schlüssel zur effizienteren Erkundung der Schätze unserer Erde Schönau // Zakosarenko // Schmelz // Stolz // Anders // Linzen // M. Meyer // H.-G. Meyer Raman-basierte Bildgebung zur Detektion und kontaktfreien Untersuchung intrazellulärer Bakterien Große // Dellith // Bauer // Popp // Neugebauer Leckage-Korrekturverfahren für Gasüberwachung in Klimakammerexperimenten Jochum // Popp // Frosch Leich // Just // Spittel // Bierlich // Grimm // Jäger // Bartelt Einzelmodenführung in Hohlkernfasern mit großem Kerndurchmesser Einzelvirendetektion in Nanolochfasern mittels elastischer Lichtstreuung Schmidt // Faez // Lahini // Weidlich // Garmann // Wondraczek // Zeisberger // Orrit // Passive Videokamera für das 350-GHz-Band und den Einsatz in der Personenkontrolle Heinz // May // Born // Zieger // Anders // Meyer 34 Raman/FLIM-Fasersensor für invivo Gewebe-Screening Magnetischer Apatit für Einsichten in die Struktur von Plasmamembranen Hartung // Kobelke // Schwuchow // Bierlich // Popp // Schmidt // Frosch Manoharan Multiskalen-Faserspektroskopie Metamaterialien für die ultrasensitive oberflächenverstärkte Molekülspektroskopie 35 Dochow // Popp // Ma // Latka // Bocklitz // Hartl // Bec // Fatakdawala Lokalisierung intrazellulärer Mykobakterien mittels Raman- Mikroskopie Silge // Bocklitz // Rösch // Popp Detektion relevanter Lebensmittelfarbstoffe mittels oberflächenverstärkter Raman-Spektroskopie (SERS) Jahn // Peksa // Patze // Bocklitz // Weber // Cialla-May // Popp LOC-SERS als bioanalytisches Werkzeug zur Wirkstoffüberwachung in menschlichem Urin Hidi // Jahn // Henkel // Weber // Cialla-May // Popp Plasmonische Nanostrukturen für die labelfreie SERS-DNA-Detektion Yüksel // Schwenkbier // Ziegler // S. Pollok // Görke // Hübner // K. Pollok // Langenhorst // Stanca // Müller // Fritzsche // Dellith // Nietzsche // Stöckel // Biskup // Deckert // Krafft // Popp Chemo-spektroskopischer Sensor für den in Karzinomzellmembranen überexprimierten Carboxylterminus Stanca // Matthäus // Neugebauer // Nietzsche // Fritzsche // Dellith // Heintzmann // Weber // Deckert // Krafft // Popp Definierte Synthese von plasmonischen Nanopartikeln mittels Mikrofluidik Thiele // Csáki Matrix-induziertes Wachstum von plasmonisch aktiven Nanopartikeln Müller // Schmidl // Zopf // Hübner // Stranik // Fritzsche Kolloide entwickelt als Sensoren mit Anwendungen in der Nanomedizin DNA-Origami als selbst-organisierende molekulare Technik zur Realisierung innovativer photonischer Materialien Kopielski // Csáki // Fritzsche Lab-on-a-chip-Systementwicklung für den Laboralltag Kielpinski // Henkel Oberflächencharakterisierung von Amyloid Fibrillen Deckert-Gaudig // Deckert Mikroensemble Spektroskopie Deckert // Singh Blind Rekonstruktion von Daten aus der Mikroskopie mit strukturierter Beleuchtung Jost // Tolstik // Feldmann // Wicker // Sentenac // Heintzmann Die Fluordotierung nach dem REPSUIL-Verfahren zur Einstellung optischer Eigenschaften von Quarzglasmaterialien Schuster // Grimm // Kalide // Dellith // Leich // Schwuchow Diffusions- und Sintereffekte an kompakten Mikrostrukturierten Fasern Kobelke // Bierlich // Wondraczek // Matthes // Schuster Der Ursprung der Wellenleiterdispersion von Oberflächenplasmon- Polaritonen auf Metalldrähten Spittel // Bartelt // Schmidt Hochtemperaturstabile Faser- Bragg-Gitter in Alumosilikatkernfasern Elsmann // Yazd // Lorenz // Habisreuther // Dellith // Schwuchow // Bierlich // Schuster // Rothhardt // Kido // Bartelt Kröckel // Schmidt Photonische Detektion Der Forschungsschwerpunkt befasst sich mit der Erforschung und Realisierung von Systemen zur hochempfindlichen zeit-, orts- und spektralaufgelösten Detektion von Licht. Lesen Sie hierzu folgende Beiträge in der App: Planarer Dünnschicht-Peltier-Kühler für das Wärmemanagement eines Taupunkt-Sensorsystems Ihring // Kessler // Kunze // Billat Verbesserung der Empfindlichkeit optisch gepumpter Magnetometer durch Hyperfein-Repumpen Schultze // Scholtes // IJsselsteijn // Meyer Trend zu Nano-SQUIDs Ein Werkzeug zur Untersuchung kleiner Spin-Systeme Hübner // Mayerhöfer // Knipper // Cialla-May // Weber Beobachtung eines langlebigen 3 MLCT-Zustandes in Fe(II)-Terpyridin-Komplexen Wächtler // Kübel // Dietzek Untersuchungen an Silizium- Nanodrähten mittels Kapazitäts- Transienten-Spektroskopie Sivakov // Venturi // Castaldini // Schleusener // Cavallini Lichtinduzierte Katalyse spektroskopisch beleuchtet Wächtler // Dietzek Laserspektroskopische Charakterisierung der Zündung von Kraftstoff-Tröpfchen sowie SiO 2 - Schichtabscheidung Burkert // Paa // Müller // Wagner Weber // Cialla-May // Popp Stanca // Fritzsche // Dellith // Undisz // Deckert // Fröhlich // Krafft // Popp Schmelz // Stolz // Zakosarenko // Schönau // Anders // Linzen // Meyer

19 Das IPHT auf einen Blick Kennzahlen aus ,5 T Euro EU-Drittmittel, davon ERA-Net / ERA-NetPlus, JPI u. a.: 510,7 T Euro 3.398,0 T Euro Industrieprojekte 4.205,0 T Euro Nationale Projekte, davon DFG 808,5 T Euro 12 EU-finanzierte Projekte 4 davon durch IPHT koordiniert ,4 T Euro Grundfinanzierung Medienberichte Print, TV, Online und Hörfunk 45,5 % = Drittmittelquote 19,6 Mio Euro Gesamtbudget Invited Talks 2 davon Keynotes Teilnahmen an 143 Konferenzen 16 Promotionen 7 davon Frauen 14 Patentanmeldungen 6 Patenterteilungen 212 Referierte Publikationen 313 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter 1 Habilitation 52 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter aktiv in der Lehre