Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF

Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF

Aktive und Adaptive Optik

Verbesserung der optischen Systemeigenschaften durch gezielte Beeinflussung des Lichts

 

Die Gruppe Aktive und Adaptive Optik am Fraunhofer IOF ist spezialisiert auf die Entwicklung und Erprobung anwendungsspezifischer deformierbarer Spiegel und vollständiger AO-Systeme zur aktiven Strahlformung. ​

Hauptanwendungsgebiete dieser Technologien sind die Turbulenzkorrektur für Laser- und Quantenkommunikation sowie die Strahlformung hinsichtlich optimaler Abbildungseigenschaften in der Lasermaterialbearbeitung. ​

 

Ihr Partner für aktiv- und adaptiv-optische Komponenten und Systemen

Wir entwickeln für unsere Kunden aus der Industrie und Forschung anwendungsspezifische und flexible Lösungen. Unser Angebot im Bereich der adaptiven und aktiven Optiken reicht von hochdynamischen Fokusspiegeln für die Lasermaterialbearbeitung über langzeitstabile sowie weltraumtaugliche deformierbare Spiegel bis hin zu einzelnen Systemkomponenten.

Dank unserer jahrelangen Expertise und der hervorragenden technischen Ausstattung am Fraunhofer IOF können wir unseren Kunden Entwicklungen entlang der kompletten optische Prozesskette anbieten. ​Zahlreiche Partner aus Wissenschaft und Industrie profitieren in verschiedenen Projekten von unserem Know-how.

 

Unser Leistungsangebot:

 

Unser Leistungsangebot im Bereich aktiver und adaptiver Optiken umfasst folgende Punkte:

  • ​Konzeption und Systemdesign für Systeme mit aktiven optischen Elementen​
  • Optisches Design für adaptiv-optische Komponenten und Systeme​
  • Mechanisches Design für adaptiv-optische Komponenten und Systeme​
  • Design adaptiv-optischer Regelung​
  • Simulation freistrahloptischer Systeme mit adaptiv-optischer Regelung​
  • Elektronik- und Softwareentwicklung​
  • Fertigungsplanung und Fertigung ​
  • Integration und Aufbau optischer Systeme​
  • Charakterisierung optischer Links (Freistrahllinks), Linkbudgetberechnung​
  • Wellenfontmessungen​
  • Prototyping und Labortests​
  • Messkampagnen​

Teilen Sie uns Ihre gewünschte Anwendung mit und wir entwickeln für Sie die maßgeschneiderte Lösung.

 

We're shaping light!

Portfolio bereits entwickelter Komponenten und Systeme

Aktiv optische Komponenten für Weltraumanwendungen

Aktiv optische Komponenten für Weltraumanwendungen

Spiegel aus der ultra-präzisen Metalloptikfertigung unseres Instituts sind seit vielen Jahren erfolgreich in satellitengestützten Beobachtungssystemen unterwegs. Zukünftige Missionen können erheblich von der Verknüpfung der Metallspiegelfertigung und der aktiven Optik am Fraunhofer IOF profitieren. Ein Schwerpunkt unserer Forschungsarbeit liegt auf der Entwicklung aktiv-optischer Komponenten zur Korrektur von Wellenfrontfehlern niedriger Raumfrequenzen (Tip/Tilt, Fokus, Astigmatismus) bis hin zu deformierbaren Spiegeln, die eine Korrektur statischer, höherfrequenter Systemfehler ermöglichen. Dabei setzen wir auf temperatur- und langzeitstabile Lösungen.

Bei den prototypnahen Entwicklungen von Komponenten und Systemen orientieren wir uns an ECSS Standards.

Aktiv optische Komponenten für Weltraumanwendungen

Aktiv optische Komponenten für Weltraumanwendungen

Unsere Kompetenz in der Entwicklung von aktiven Metallspiegeln für Weltraumanwendungen umfasst folgende Aspekte:​
  • Analyse der Anforderungen des optischen Systems​: Welche Wellenfrontfehler sind zu korrigieren? ​Mit welcher zeitlichen Frequenz muss korrigiert werden?​ Unter welchen Umweltbedingungen soll das System operieren? ​
  • Aufbauend auf der Anforderungsanalyse können wir das Layout des Spiegelsubstrats mit seinen Deformationseigenschaften anpassen und seine Kompensationsfähigkeit bewerten​
​
In enger Zusammenarbeit mit der hausinternen Ultrapräzisionsbearbeitung und Beschichtung entwickeln wir entsprechende opto-mechanische Designs und fertigen Prototypen. Qualifizierte Messtechnik erlaubt die ständige Kontrolle der optischen Oberflächen während der Prozesskette sowie die umfassende Charakterisierung des Prototyps nach seiner Fertigstellung.
Freistrahloptik für terrestrische Laserkommunikation

Freistrahloptik für terrestrische Laserkommunikation​

Das Thema Freistrahloptik für terrestrische Laserkommunikation profitiert in hohem Maß von unserer langjährigen Erfahrung in den Bereichen Konzeptionierung und Fertigung von aktiv-optischer Komponenten sowie im Design und der Realisierung präzisester Abbildungsoptiken. Gerade unsere Erfahrungen in der Entwicklung von Metallspiegelteleskopen bieten eine hervorragende Grundlage für freistrahloptische Kommunikationssysteme in einem breiten Wellenlängenbereich.

Freistrahloptik für terrestrische Laserkommunikation

Entwicklungen zur Freistrahloptik für terrestrische Laserkommunikation​

  • Terminals für Freistrahlverbindungen in der Quantenkommunikation​: Aufbau und Test von Sender- und Empfängeroptiken für Freistrahl-Links. (weitere Informationen)
  • QuBUS – mobile Experimentierplattform​: Der QuBUS ist eine mobile Experimentierplattform und ermöglicht uns anwendungsnahe Messkampagnen durchzuführen – auch für Laboraufbauten (Quantenquellen, Zustandsanalyse), die noch nicht für den Einsatz im Feld weiterentwickelt wurden. Die Plattform ist mit einem Periskop ausgestattet, womit wir eine Sichtlinie zu stationären oder bewegten Kommunikationspartnern aufbauen und Freistrahlverbindungen testen können.
  • PhotonBox​: Die PhotonBox als Teil unserer eigenen Freistrahlstrecke über urbanes Gebiet. Sie ermöglicht zum einen schnelle Tests neu entwickelter Hardware unter Laborbedingungen und zum anderen stellt sie einen Prototyp für Trusted Nodes in zukünftigen, quantensicheren Kommunikationsnetzen dar.

Download Datenblatt: Multi-Wellenlängen Transceiver-System

Systeme für Satellitenkommunikation

Entwickeltes System für Satellitenkommunikation

  • AO-Box: Bei Freistrahlsystemen müssen die Signale zwischen Bodenstation und Satellit zwingend störungsfrei übermittelt werden. Die turbulente Atmosphäre kann hier zum Problem werden und Signalstörungen hervorrufen. Am Fraunhofer IOF entwickeln wir adaptive Optiken, die zur Signal-Korrektur eingesetzt werden können: sogenannte »AO-Boxen«. Das sind adaptiv-optische Module, die in einer optischen Bodenstation beziehungsweise in einem Teleskop verwendet werden können. Dort werden durch diese »AO-Box« turbulenzbedingte Wellenfrontfehler korrigiert oder vorbeugend kompensiert. Danach kann das Signal gemessen werden oder eine Übertragung an ein Fasernetzwerk stattfinden.

Unter folgendem Link finden Sie weitere Infos zur AO-Box für Quanten­kommunikation.

Download Datenblatt: AO-Box für Quantenkommunikation

Aktiv-optische Komponenten​ zur Korrektur niedriger Raumfrequenzen​

Aktiv-optische Komponenten​ zur Korrektur niedriger Raumfrequenzen​

Zur Korrektur niedriger Raumfrequenzen entwickeln wir Spiegel mit senkrechtem Krafteintrag oder mit einem Krafteintrag parallel zur optischen Oberfläche (unimorph). Dabei besitzen die Spiegel zwischen 1 und 50 Aktoren und haben Durchmesser zwischen 25 und 250 mm. Neben spiegelnden Oberflächen können auch dispersive Elemente mit großen Aperturen (Gitter) aktiv gefasst werden.

Download Datenblatt: Hochleistungs-Fokusspiegel für dynamische Strahlverschiebung

 

Märkte und Anwendungen

 

Mit den adaptiven und aktiven Optiken will das Fraunhofer IOF neue, innovative Anwendungen auf den Gebieten der Weltraum- und Kommunikationssysteme, der Mikrostrukturierung und 3D-Materialbearbeitung mit Hochleistungslasern fördern. Darüber hinaus können die Vorteile von aktiven und adaptiven Komponenten sowie Systemen in folgenden Anwendungen zielgerichtet eingesetzt werden:

  • Deformierbare Spiegel für die Lasermaterialbearbeitung​
  • Deformierbare Spiegel für Weltraumteleskope​
  • AO-Systeme für satellitengestützte Laser- und Quantenkommunikation​
  • AO-Systeme für terrestrische Laser- und Quantenkommunikation​
  • AO-Regelsysteme zur Korrektur niedriger und hoher Raumfrequenzen
  • und vieles mehr ...
Vor- und Rückseite eines Fokusspiegels in den Händen eines Forschenden.
© Fraunhofer IOF
Aktiver unimorpher Fokusspiegel zur Nachführung des Strahlfokus in der Lasermaterialbearbeitung – Auf der Rückseite befinden sich Anschlüsse für Spannungsversorgung, Sensorauswertung und Kühlwasser.
Aktiver Metallspiegel zur Korrektur quasi-statischer Aberrationen in Weltraumteleskopen – vollmontiertes und nicht-montiertes semi-monolithisches Spiegelsubstrat.
© Fraunhofer IOF
Aktiver Metallspiegel zur Korrektur quasi-statischer Aberrationen in Weltraumteleskopen – vollmontiertes und nicht-montiertes semi-monolithisches Spiegelsubstrat.
Extreme-AO (XAO) Spiegeldemonstrator zur Untersuchung der Aktorintegration auf kleinstem Raum (3.7 mm Aktorabstand) – mit austauschbarem Aktormodul (4x4 Piezo-Stapelaktoren).
© Fraunhofer IOF
Extreme-AO (XAO) Spiegeldemonstrator zur Untersuchung der Aktorintegration auf kleinstem Raum (3.7 mm Aktorabstand) – mit austauschbarem Aktormodul (4x4 Piezo-Stapelaktoren).
 

Ihre Vorteile an der Zusammenarbeit mit uns

 

Dieses Kompetenzfeld profitiert insbesondere von der interdisziplinären Zusammenarbeit an unserem Institut. Unsere langjährige Erfahrung und die kontinuierliche Weiterentwicklung in den Bereichen Optikdesign und Beschichtung sowie in der Entwicklung präzisester Mechanik bietet eine hervorragende Grundlage für Spitzenergebnisse in der aktiven und adaptiven Optik. ​Unsere Kunden können von signifikanten Leistungssteigerungen in photonischen Applikationen profitieren, die durch adaptiv optische Komponenten und Systeme ermöglicht werden.  

​Durch die große Fertigungstiefe und breit ausgebildetes, hochqualifiziertes Personal haben wir die Möglichkeit, uns Ihren Herausforderungen an jeder Stelle der photonischen Prozesskette anzunehmen. Wir freuen uns auf Ihre Herausforderung!

 

Technische Ausstattung

Die Entwicklung adaptiv optischer Komponenten und Systeme profitiert in großem Maße von der exzellenten Ausstattung sowie die interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen allen Abteilungen des Instituts. Von der Diskussion des Prinzips über opto-mechanisches Design und Fertigung bis hin zur applikationsnahen Messkampagne können wir alle Anforderungen mit Know-how und technischer Ausstattung bedienen. Unter anderem umfasst unsere Ausstattung folgende Aspekte:

  •  Vielfältige und modernste Mess-, Design- und Simulationstools​
  • Laserquellen unterschiedlicher Wellenlängen und Leistung​
  • Verschiedene Verfahren zur Oberflächenmessung (Vibrometer, Interferometer, Wellenfrontmessung, Triangulation)​
  • Klimatisierte Optiklabore unter Standard- und Reinraumbedingungen
  • Permanenter Zugriff auf exzellent ausgestattete Werkstätten zur Fertigung optischer und mechanischer Komponenten sowie zur umfangreichen Elektronikfertigung im Haus
  • Freistrahlmessstrecken mit unterschiedlicher Länge (50 m bis zu 1,7 km) zur Charakterisierung adaptiv optischer Systeme unter realen Bedingungen​
  • Szintillometer zur Charakterisierung von Turbulenzbedingungen​

 

Aktiver Metallspiegel während des Polierens.
© Fraunhofer IOF
Vollintegrierter aktiver Metallspiegel während der finalen Formkorrektur.

Unsere Forschungsstärke

 

Forschungsberichte

Die Forschungsstärke unserer Expertinnen und Experten zeigt sich u. a. in den Beiträgen des Fraunhofer IOF Jahresberichts. In diesem werden jährlich ausgewählte Forschungsergebnisse aus dem vorherigen Jahr (Archiv Jahresberichte) veröffentlicht. Hier finden Sie die Beiträge zu den Entwicklungen rund um adaptive Optiken aus den vergangenen Jahren:

  • »Adaptiv-optische Box für Quantenkommunikation Bodenstation«
  • »Deformierbare Spiegel zur hochdynamischen Strahloszillation«
  • »Dynamischer Fokusspiegel für die Lasermaterialbearbeitung«
  • »Adaptiv optisches System für Weltraum-Erde Laserkommunikation«

Volltexte Forschungsberichte

 

Exzellente wissenschaftliche Publikationen und Patente

Eine Vielzahl wissenschaftlicher Ergebnisse wird von unseren Forscherinnen und Forschern in Fachzeitschriften publiziert. Zu unserem patentrechtlich geschützten Verfahren bieten wir angepasste Lizenzen an.

Eine Auflistung von Fachbeiträgen sowie Patenten zu aktiven und adaptiven optischen Technologien finden Sie nachfolgend:

Auswahl an wissenschaftlichen Publikationen

Auswahl an Patenten

 

Fokusspiegel für die Lasermaterialbearbeitung

Funktionsweise des Spiegels mit dynamischer Fokusverschiebung

Rechte Seitenansicht des Fokusspiegels.
© Fraunhofer IOF
Aktiver unimorpher Fokusspiegel zur Nachführung des Strahlfokus in der Lasermaterialbearbeitung.
Frontansicht des Fokusspiegels.
© Fraunhofer IOF
Der verformbare Spiegel basiert auf einem unimorphen Konzept.
Linke Seitenansicht des Fokusspiegels.
© Fraunhofer IOF
Hierfür wurde ein dünnes Glassubstrat mit einer hochreflektierenden mehrlagigen Schichtsystem auf eine piezoelektrische Scheibe aufgebracht.
Linke Seitenansicht des Fokusspiegels.
© Fraunhofer IOF
Eine integrierte Kupferschicht verbessert die Wärmeableitung und erhöht damit die Schadensschwelle des Spiegels durch den Laser. Die piezoelektrische Scheibe verbiegt das Spiegelsubstrat, ändert den Krümmungsradius des Spiegels auf ein Minimum von 3,4 m.

Sie haben Fragen zu unseren Leistungen? Wir stehen Ihnen gern für ein Gespräch zur Verfügung!

Bei einem persönlichen Gespräch beraten wir Sie hinsichtlich unseres (individuellen) Leistungsangebotes und unserer Kernkompetenzen. Sprechen Sie uns an.  

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