Licht ist die Grundlage nahezu allen Lebens auf dieser Erde. Auch der Mensch hat schon früh die Möglichkeiten der Photonik erkannt und sich diese zu Nutze gemacht.

So wurden zum Beispiel bereits viele von Menschenhand geschliffene Linsen der Antike entdeckt, die aus Kristall gefertigt wurden. Mangels schriftlicher Quellen ist nicht überliefert, ob es sich um Sehhilfen oder Brenngläser handelt, die ältesten Artefakte stammen jedoch aus dem 7. Jahrhundert vor Christus. Den Beginn der Nutzung der Sonne zur Gewinnung von elektrischer Energie kann man hingegen grob auf das Jahr 1839 datieren. Die Photoleitfähigkeit wurde bei Selen 1873 nachgewiesen. Zehn Jahre später wurde die erste „klassische“ Photozelle aus Selen gefertigt. Wiederum zehn Jahre später, 1893, wurde die erste Solarzelle zur Erzeugung von Elektrizität gebaut.

Die Photonik ist nicht nur eine der ältesten Schlüsseltechnologien überhaupt, sie hat auch bis heute nicht im Geringsten an Relevanz verloren und liefert immer wieder neue Lösungsansätze für die globalen Herausforderungen unserer Zeit.

Im Bereich Information und Kommunikation spielt Licht seit langem eine entscheidende Rolle. Die schnelle Übertragung von Daten wurde vor allem durch die Glasfasertechnik ermöglicht, welche unter anderem die Realisation der Energiewende zum Beispiel durch Smart Grids unterstützt oder auch Städte und ländliche Regionen intelligent vernetzt und so die Grundlage für mehr Nachhaltigkeit in unserem Handeln bietet. Neue Konzepte wie zum Beispiel die „Visible Light Communication“ bieten die Möglichkeit der Datenübertragung mittels schneller Modulation von Lichtquellen zur Beleuchtung. Dadurch wird mancherorts nicht nur WLAN überflüssig, es ergeben sich komplett neue Möglichkeiten der lokalen Informationsverbreitung. Davon könnten zukünftig Bildungseinrichtungen und Museen profitieren, indem relevante Informationen zu Exponaten oder andere Lerninhalte über die Beleuchtung auf das Auslesegerät des Betrachters, zum Beispiel sein Telefon, übertragen werden können. Auch die Satellitenkommunikation mittels Laser ist schneller und energieeffizienter. In der Informationsverarbeitung liefert diese Schlüsseltechnologie wichtige Impulse, indem zum Beispiel elektronische Komponenten über Photonen statt mit Elektronen kommunizieren. Durch diese photonisch integrierten Schaltungen (PICs) steigt die Performance um eine Größenordnung, während der Energiebedarf um eine Größenordnung sinkt.

Auch die industrielle Fertigung profitiert massiv von der Photonik, indem durch die entsprechende Infrastruktur unter Anwendung der „Digital Photonic Production“ die Innovationskraft in sämtlichen Industrien gehoben werden kann. Das wohl bekannteste Beispiel hierzu ist die Additive Fertigung. Allgemein als „3D-Druck“ bezeichnet, hat manch ein Tüftler eine entsprechende Anlage in seinem Wohnzimmer stehen. Modernes „Laser Powder Bed Fusion“, also das partielle Aufschmelzen von Pulvern verschiedenster Materialien mittels Laser hat sich aber auch bereits in deutlich anspruchsvolleren Einsatzgebieten etabliert. So ist es heute möglich, mechanisch und thermisch hochbelastete Bauteile von Verdichtern, Turbinen oder Flüssigkeitsraketen-Triebwerken mit diesem im Grunde noch jungen Fertigungsverfahren herzustellen. Die additive Fertigung ermöglicht hier eine deutlich höhere Designfreiheit bei gleichzeitiger Einsparung von Material, Gewicht und Energie. Auf der anderen Seite ist es mittels Picolasern möglich, die immer kleiner werdenden elektronischen Bauteile hochpräzise aus Wafern zu schneiden. Der aktuelle Stand der Technik ist eine Kreissäge, wenn auch filigraner als die aus dem Baumarkt. Mittels modernster Lasertechnik kann der „Ausschuss“ deutlich verringert werden, was zu einer effizienteren und nachhaltigeren Produktion unter anderem im Halbleiterbereich führt.

Auch das Gesundheitswesen beziehungsweise die Medizintechnik sind wichtige Anwendungsfelder. Bildgebende Verfahren sind aus der modernen Diagnostik nicht mehr wegzudenken und es kommen immer neue Verfahren hinzu, die Erkrankungen immer früher erkennen können und so das Wohlbefinden und die Gesundheit der Menschen sichern. Sehstärkekorrekturen und die Behandlung von Augenerkrankungen mittels LASIK-Laser können inzwischen mit beeindruckenden Erfolgs- und Heilungsaussichten ambulant durchgeführt werden, ebenso wie eine Vielzahl an dermatologischen Anwendungen von der Haut-Analyse bis hin zum Entfernen von unlieben Tattoos. Auch in der Medizintechnik kommt der bereits erwähnte 3D-Druck zum Einsatz – und zwar überall dort, wo höchst individuelle Anforderungen zu erfüllen sind. Beispielhaft sei hier der Zahnersatz zu nennen, von Kronen bis hin zu Implantaten. Implantate wie zum Beispiel Gelenke oder ein Knochenersatz oder ganze Prothesen individuell auf die körperliche Beschaffenheit des Patienten angepasst als Einzelstück zu drucken, beschleunigt nicht nur den Heilungsprozess nach dem Eingriff, sondern erhöht darüber hinaus auch die gesamte „Lebensqualität“ nach dem Eingriff, da Folgeleiden minimiert werden können.

Weitere Bereiche der Photonik sind Beleuchtung und Displays sowie die Elektronik. Energieeffiziente Beleuchtung mittels LEDs ist mittlerweile schon eher als „Standard“ anzusehen. Dass dieselben Leuchtmittel inzwischen nahezu jede Lichtfarbe individuell generieren können, wird vielerorts inzwischen recht unbeeindruckt zur Kenntnis genommen. Nur der Bereich des Grün-gelben, die sogenannte Green Gap, kann von LEDs noch nicht ausreichend abgedeckt werden. Welchen Effekt zirkadiane Beleuchtung im Kontext des „Human Centric Lighting“ hingegen auf unser Leben haben kann, ist vielen nicht bekannt. Mit dem Durchbruch der LED-Technik, welche nun das gesamte Farbspektrum abbilden kann, sind Beleuchtungssituationen möglich geworden, die das Kunstlicht flächendeckend dem Tageslicht annähern kann. Da unsere physiologische Reaktion auf Licht von dessen Intensität und spektraler Zusammensetzung abhängt, sind die Eigenschaften des künstlichen Lichts in unserer Umgebung von besonderer Bedeutung, wenn wir uns viel in Innenräumen aufhalten. Es gibt Studien, welche belegen, dass eine Beleuchtung, welche Tageslicht und Wolken über einem Krankenbett simuliert, dazu führt, dass Heilungsprozesse beschleunigt werden, das individuelle Wohlbefinden von Patienten gesteigert und (wahrscheinlich im Zuge dessen) die Gabe von Medikamenten reduziert werden kann. Auf der anderen Seite kann eine entsprechende Beleuchtung, zum Beispiel an Schicht-Arbeitsplätzen wie in Lagern oder an Produktionsstraßen die Konzentration der Mitarbeiter erhöhen und damit die Wahrscheinlichkeit von Unfällen verringern. Im Bereich der Elektronik und der Displays steigt nicht nur die Auflösung und die Kontrast-Leistung der Displays – moderne Technologien ermöglichen es, faltbare beziehungsweise flexible Displays zu erstellen. Diese wiederum ermöglichen eine größere Designfreiheit, sei es bei Displays in Autos, oder auch faltbaren Mobiltelefonen.

Aber die Photonik macht nicht nur aus elektrischer Energie auf effiziente Weise Licht, sie wandelt auch Licht immer effizienter in elektrische Energie um. Seit der eingangs erwähnten ersten Solarzelle aus dem Jahre 1893 gab es auch in diesem Feld große Fortschritte. Neben einem deutlich höheren Wirkungsgrad können moderne Solarzellen, zum Beispiel auf Perowskit-Basis, ein deutlich breiteres Lichtspektrum zur Energiegewinnung nutzen. Auch gibt es bereits mechanisch flexible Lösungen, welche wiederum die Designfreiheit erhöhen. So können moderne Solarzellen harmonisch in moderne Architektur integriert werden, um die Energiewende mitzugestalten und – im Gegensatz zu fossilen Energieträgern – fast emissionsfrei und mit nur geringen Umweltgefährdungen den stetig steigenden Energiebedarf mit leistbarer und sauberer Energie decken, und gleichzeitig das Klima und das Leben auf unserem Planeten schonen. Aber auch im Bereich der Energiespeicherung leistet die Photonik ihren Beitrag. So ermöglichen moderne laserbasierte Produktionsverfahren die Herstellung von Brennstoffzellen und Batterien unter minimalem Ressourceneinsatz mit maximaler Energieeffizienz. Beide Systeme sind in ihrer Performance stark von der Oberflächenbeschaffenheit abhängig. Lasermikrobearbeitung kann hier für höhere Energiedichte, kompaktere Zellen und höhere Wirkungsgrade sorgen. Durch die stetige Verbesserung des Verfahrens ist auch die Massenproduktion mittels dieses Verfahrens möglich.

In der Metrologie eröffnen photonische Sensoren immer neue Anwendungsfelder. Während einfache Gas-Sensoren schon seit Dekaden in Produktionsstätten vor Gas warnen, ist es heute mittels Optoelektronik möglich, in der satellitengestützten Erdbeobachtung unsere komplette Atmosphäre zu analysieren. Gemeint ist zum Beispiel die globale Verteilung von CO2 in der Atmosphäre, auch wichtig zum Beispiel für das möglichst frühzeitige Entdecken von Waldbränden. Andere Messwerte geben Informationen zu Wetter und Bodenbeschaffenheit, zum Beispiel für die Landwirtschaft. Weitere aktuell spannende Einsatzgebiete photonischer Sensoren finden wir im Abfall-Management. Die moderne photonische Sensorik ermöglicht effiziente und schnelle Mülltrennung, was wiederum die Grundlage für das Recycling bis hin zur Kreislaufwirtschaft bildet. Je sortenreiner die Materialien am Ende ihres Einsatzes sind, umso eher wird die Herstellung von Sekundärrohstoffen möglich. Auch für die Wartung und Instandsetzung bietet die Optoelektronik viele Vorteile. Zum Beispiel werden mittels schneller 3D-Scanner, Objekte wie zum Beispiel Bauteile einer Maschine vermessen, um damit Ersatzteile herzustellen und somit die Laufzeit – auch von besonders alten Maschinen – zu verlängern. Zum Teil sind die entstehenden Datenpunktewolken die Basis für das „reverse Engineering“, also das Erstellen eines Bauplans eines bereits existierenden Bauteils, von dem aber der ursprüngliche Bauplan nicht mehr existiert. Spannend ist diese Technologie zum Beispiel für die Wartung alter Produktionsanlagen, Schallplattenpressen sind hier ein gutes Beispiel. Sind die Baupläne erst wieder rekonstruiert, können die Bauteile mit zusätzlicher Funktionalität, zum Beispiel moderner Sensorik versehen werden. Damit können selbst älteste Produktionsanlagen einen Digitalen Zwilling erhalten und so in das Zeitalter der Industrie 4.0 gelangen.

Im Transport- und Mobilitätssektor ist die Photonik ein wichtiges Werkzeug zur Umsetzung aktueller Visionen. Identifizieren Laptops und Mobiltelefone mittlerweile ihre Besitzer am Gesicht als biometrisches Identifikationsmerkmal, kommt hier oftmals LIDAR-Technologie zum Einsatz. Das Laser-Radar ermöglicht es modernen Fahrzeugen aber auch, Geschwindigkeit und Richtung anderer Verkehrsteilnehmer zu bestimmen und so Kollisionen zu vermeiden. Im Gegensatz zu anderen Sensoren mit sehr hoher Auflösung, und – im Gegensatz zum Fahrer – können die Sensoren des Fahrzeugs bei absoluter Dunkelheit und sogar durch Nebel sehen. Dieselbe Technologie kommt auch bei der Geschwindigkeitsüberwachung zum Einsatz. Laserlichtquellen und LED-Technologien bieten heute auch die Möglichkeit, Scheinwerfer kompakter zu gestalten, ohne an Leuchtkraft oder Effizienz einzubüßen. Mehr noch: Mittels weiterer Sensorik ist es möglich, andere Verkehrsteilnehmer zu erkennen und gezielt hier das Licht „auszuschalten“. Das Resultat ist ein perfekt ausgeleuchteter Verkehrsraum, ohne dass andere Teilnehmer geblendet werden.

Wie bereits erwähnt, bietet die Photonik in der satellitengestützten Erdbeobachtung für die Landwirtschaft wertvolle Daten, die letztendlich wichtig für die Ertragssteigerung sind. Darüber hinaus bieten photonische Sensoren wir zum Beispiel Hyperspektralkameras Lösungen zur Überwachung von Pflanzenwachstum, Bodenbeschaffenheit sowie Schädlings- und Krankheitsbefall. Mit dem gewonnenen Wissen über den aktuellen Status der Saat kann präziser, lokaler und schneller auf negative Einflüsse reagiert werden. Das Resultat zeigt sich in höheren Erträgen bei geringerem Bedarf an Dünge- und Schädlingsbekämpfungsmitteln. Die Nahrungsmittel sind weniger belastet, ebenso die Natur. Gerade in den letzten Jahren wurde der Trend des „Urban Farmings“ immer konkreter. Auch hier können moderne und energieeffiziente Beleuchtungssysteme dabei helfen, immer neue Orte für die Landwirtschaft und die Herstellung von Lebensmitteln zu erschließen. Durch die Modifikation von Tageszeitrhythmen kann in einigen Umfeldern darüber hinaus sogar die Produktivität von Pflanzen noch einmal zusätzlich gesteigert werden.

Auch die Quantentechnologien, welche mit der zweiten Quantenrevolution wieder mehr in den Fokus geraten, nutzen photonische Komponenten und Systeme. Die Beschreibung von Quantensystemen, Quantenobjekten und Quanteneffekten reicht mehr als 200 Jahre zurück, was beeindruckend ist, wenn man bedenkt, wie brandaktuell doch das Thema im aktuellen Innovationskontext angesehen wird und welche Möglichkeiten zu deren Erforschung Wissenschaftlern wie Thomas Young (Doppelspaltexperiment 1802), Max Plank (Quantisierung von Energie 1900) oder Niels Bohr (Quantensprung 1913) zur Verfügung standen. Der Quantensprung, ein Wort das heute oftmals mit neuen, bahnbrechenden Erfindungen verbunden wird ist, wurde vor mehr als 100 Jahren von Niels Bohr als Beschreibung für die diskrete Energiezunahme eines Elektrons eingeführt. Für die damalige Zeit eine bahnbrechende Beobachtung. Auch für die Gesellschaft des 21. Jahrhunderts bieten Quantentechnologien vielversprechende Lösungen. Optimierung von Produktionsprozessen (Quantencomputing), Datensicherheit (Quantenkryptographie) oder das präzise und effiziente Erfassen von Daten (Quantensensorik) sind fundamental für unsere Gesellschaft und den Erfolg von Unternehmen. Mit gerade einmal zwei quantenphysikalischen Phänomenen liefern die Quantentechnologien zukünftig deutliche Innovationssprünge in vielen Industrien, der Superposition und der Verschränkung. Mehr Informationen über die Quantentechnologien aus NRW finden Sie im NMWP-Magazin 01.2020.

Aber auch jenseits der Quantentechnologien gibt es spannende Felder der Photonik, von denen zukünftig Impulse für zahlreiche Anwendungen zu erwarten sind. Nicht nur, dass Photodetektoren immer sensitiver werden und inzwischen einzelne Photonen messen können, was neben den Quantentechnologien für viele weitere Anwendungsfelder spannend ist, Kurzpuls-Laser wie Pico-, Femto- und Atto-Laser verbessern Bauteile durch immer präzisere Oberflächenstrukturierung beziehungsweise können immer kleinere Strukturen aus nahezu jedem Material herausschneiden. Ein weiteres Zukunftsfeld sind Laserstrahlquellen mit flexibel veränderbaren Strahlungseigenschaften, welche für neue, ressourcenschonende und robuste Prozessketten in der Lasermaterialbearbeitung erforderlich sind. Zur Flexibilisierung gehört die Erschließung weiterer Wellenlängenbereiche insbesondere für den Einsatz in der Mikroelektronik bis hin zu leistungsfähigeren Röntgen-, Synchrotron- und Teilchenstrahlung, da diese heute aufgrund ihrer hohen Kosten meist nur sehr begrenzt in Großforschungsanlagen verfügbar sind. Der Einsatzbereich sind hochauflösende Analysen von Proben bei der Entwicklung und Produktion von High-Tech-Produkten in verschiedenen Industriebereichen, in der Materialphysik und in Anwendungen im Gesundheitsbereich. Die Erschließung eines breiten Anwendungsbereichs für einen Laser ebnet auch mittelständischen und kleinen Unternehmen den Zugang zu dieser Technologie. Ein weiteres spannendes Thema ist das Laser-Beam-Shaping, bei dem ein Laserstrahl gezielt in eine beliebige Strahlgeometrie gebracht wird und so weitere Anwendungsfelder erschließt beziehungsweise Produktionsprozesse vereinfacht und beschleunigt.

Trotz der bereits genannten beispielhaften Innovativen Anwendungsbereiche – die Photonik kann immer noch mehr. Sie befindet sich auch in Deutschland auf einem starken Wachstumskurs, der aufgrund der Corona-Pandemie kurz im Jahr 2020 eingebrochen war – der Umsatz sank um rund ein Prozent. Im Jahr 2019 erwirtschafteten etwa 1.000 Unternehmen in diesem Technologiefeld mit insgesamt über 160.000 Beschäftigten einen Umsatz von 40,1 Milliarden Euro. Seitdem ist die Zahl auf 161.000 gestiegen. Mit einer Exportquote von 72 % spielt das Exportgeschäft für die Hersteller eine zentrale Rolle – Tendenz steigend. Innovationen in Bereichen wie der Produktionstechnologie, der Industrie 4.0, dem Healthcare-Bereich sowie optischer Komponenten und Bauteile sichern der deutschen Industrie eine starke Weltmarktposition, was etwa 60 Prozent des gesamten Produktionswertes ausmacht. 10,8 % der deutschen Unternehmen sind im Bereich F&E aktiv, wobei mit rund 15 % der Anteil der Unternehmen mit weniger als 50 Millionen Euro Umsatz größer ist als der größerer Unternehmen (mit 10,3 %).  Um die große Bandbreite der Photonik aus Nordrhein-Westfalen aufzuzeigen und beispielhaft aktuelle Entwicklungen und Aktivitäten vorzustellen, hat sich der Cluster NMWP.NRW entschlossen, das aktuelle Magazin komplett dem Themenfeld der Photonik aus NRW zu widmen.

Um neue Innovationen für bestehende wie zukünftige Herausforderungen zu entwickeln und Resilienz und Wettbewerbsfähigkeit der lokalen, regionalen und nationalen Wirtschaft zu stärken, bedarf es einer strategisch auf wirtschaftliche Zukunftsfelder ausgerichteten Photonik-Forschung. Neben der anwendungsorientierten Forschung für marktgängige Innovationen von morgen und der Grundlagenforschung für potenzielle Anwendungen von übermorgen ist es auch wichtig, dass der Mensch nicht vergessen wird. Denn neben aller Innovation ist es Fachkräfteentwicklung und das Heranziehen von unternehmerischem Nachwuchs, welche die Wettbewerbsfähigkeit der Industrie Nordrhein-Westfalens nachhaltig für die Zukunft stärken wird.