Photonik: Licht mit Zukunft

Forschung Photonik: Licht mit Zukunft

Licht hilft in der Medizin, Licht produziert Gegenstände, Licht lässt uns Dinge sehen, die zu klein sind, um sie mit bloßem Auge zu erkennen. Und Licht sorgt dafür, dass wir nachts sicher nach Hause kommen. Die unerschöpflichen Möglichkeiten von Licht für die unterschiedlichsten Zwecke zu erforschen, das ist Aufgabe der Photonik.

Ti:Sa-Kristall, der Hauptbestandteil der meisten Femtosekundenlasersysteme. Im Bild ebenfalls zu sehen sind die Faltungsspiegel des Laserresonators und die Kühlung des Laserkristalls.

Laser bewerkstelligen Unglaubliches

Foto: Universität Würzburg

Photonik ist die technische Beherrschung von Licht in jeder Form. Der Begriff "Photonik" stellt eine Verbindung zum Photon her, dem Lichtteilchen, so wie der Begriff "Elektronik" auf das Elektron verweist.

Das Licht besitzt eine Reihe außergewöhnlicher Eigenschaften:

  • Fokussierbarkeit: bis auf den millionsten Teil eines Millimeters (Nanometer),
  • Lichtgeschwindigkeit: die höchste erreichbare Geschwindigkeit im Universum,
  • Kürzeste Pulse: bis zu einem milliardsten Teil einer milliardstel Sekunde (Attosekunde),
  • Höchste Leistungen: bis zu Milliarden von Megawatt (Petawatt),
  • Ungestörte Überlagerungsfähigkeit: bis zu Millionen von Megabit pro Sekunde (Terabit pro Sekunde).

Die Beherrschung und Nutzung des Photons ist zu einem der wichtigsten Innovationstreiber für die moderne Gesellschaft und Wirtschaft geworden. Photonik stellt heute einen global umworbenen, hoch dynamischen Weltmarkt mit einem Umsatzvolumen von 250 Milliarden Euro dar.

Photonik Photonik

Förderprogramm der Bundesregierung

Die Bundesregierung unterstützt Unternehmen und Forschungseinrichtungen finanziell, um die zukunftsweisenden Möglichkeiten für die deutsche Wirtschaft nutzbar zu machen.

Das seit Januar 2012 laufende Förderprogramm des Bundesministeriums für Bildung und Forschung "Photonik Forschung - Deutschland Licht mit Zukunft" stellt der Photonik-Branche in den ersten vier Jahren der Laufzeit jährlich etwa 100 Millionen Euro als Fördersumme für Forschung und Entwicklung zur Verfügung.

Globale Herausforderungen meistern

Operationen ohne Monitore undenkbar

Operationen ohne Monitore undenkbar

Foto: KARL STORZ GmbH & Co. KG.

Die Hightech-Strategie der Bundesregierung verfolgt die Lösung globaler Herausforderungen in den Feldern Gesundheit und Ernährung, Energie und Klimaschutz, Mobilität, Sicherheit und Kommunikation. Innovationen und Leitmärkte sollen Wohlstand und anspruchsvolle Arbeit in Deutschland sichern. In allen Zukunftsprojekten spielen Schlüsseltechnologien eine wichtige Rolle. Die Photonik ist eine dieser Schlüsseltechnologien.

Die Photonik bietet zahlreiche Ansätze zur Lösung drängender gesellschaftlicher Fragen und trägt dazu bei, Zukunftsfelder für eine ressourcenschonende Wirtschaft zu gestalten. Damit verbunden sind neue Herausforderungen:

In der Medizin bietet die Biophotonik völlig neue Möglichkeiten der Behandlung und Vorbeugung von Erkrankungen. Neuartige Lichtmikroskope erlauben den Blick in die lebende Zelle, so dass es sogar möglich ist, die Wirkung eines Medikaments in der Zelle zu beobachten. Im Operationssaal schaffen Endoskope und Laser die Möglichkeit zu Operationen, die kaum noch belastend für den Menschen sind.

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Wirtschaftsfaktor und Jobmotor

Die Photonikindustrie ist ein wichtiger Wirtschaftsfaktor geworden. Ein Branchenreport des Bundesforschungsministeriums beziffert die Inlandsproduktion der deutschen Photonikindustrie im Jahr 2011 auf rund 27 Milliarden Euro gegenüber 17 Milliarden Euro in 2005. Das entspricht einem durchschnittlichen jährlichen Wachstum von acht Prozent.

Auch hat die deutsche Photonikbranche einen Weltmarktanteil von acht Prozent bei Produktionstechnik, Bildverarbeitung und Messtechnik. Bei optische Komponenten und Systemen sowie Medizintechnik lag der Marktanteil mit 10 bis 16 Prozent sogar noch deutlich darüber. Auch in Europa hat Deutschland seine Spitzenstellung mit einem Anteil von über 40 Prozent unterstrichen.

Die Branche ist ein Jobmotor: Zwischen 2005 und 2011 wurden rund 30.000 neue Arbeitsplätze geschaffen. Einschließlich Zulieferern lag die Beschäftigtenzahl in 2011 bei 134.000 Mitarbeitern.

Energiesparend und innovativ beleuchten

Ein rot flammender Strahl aus leuchtenden LED spannt sich mit der Steinernen Brücke über die Donau. Eine außergewöhnliche Beleuchtungsinstallation von Osram Opto Semiconductors

LEDs beleuchten Regensburg

Foto: Osram

Licht dient natürlich vor allem der Beleuchtung. Inzwischen fließt etwa 20 Prozent unserer Energie in die Beleuchtung. Nicht zuletzt deshalb, weil unsere gewohnten Leuchtmittel sehr verschwenderisch mit elektrischem Strom umgehen. Eine herkömmliche Glühbirne wandelte den Strom zu 95 Prozent in Wärme um, nur 5 Prozent in Licht. Eine zentrale Aufgabe der Photonik ist die Entwicklung von Leuchtmitteln, die deutlich weniger Strom verbrauchen, langlebig sind und ein helles und angenehmes Licht abgeben.

Mit der LED ist dies inzwischen gelungen. Allerdings ist aufgrund der noch recht hohen Anschaffungskosten ein flächendeckender Einsatz noch Zukunftsmusik. Ein Anfang ist gemacht mit Projekten, in denen neue Beleuchtungskonzepte mit LEDs zeigen, welche Möglichkeiten es gibt bei gleichzeitig drastisch geringerem Energiebedarf.

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Noch ist die LED nicht flächendeckend verbreitet, da kommt eine Konkurrentin auf den Markt: die OLED. Hier wird es ganz spannend, wenn es um neue, flächige Beleuchtung geht. So zum Beispiel um futuristische Leuchten oder um völlig neue Möglichkeiten, Leuchtmittel auf eine Folie aufzubringen.

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Laser in Produktion und Umweltschutz

In der Produktion wird schon seit längerer Zeit mit Lasern gemessen und geschnitten. Neu ist die Produktion in Laser-Sinter-Anlagen, aus der sich grandiose neuartige Möglichkeiten ergeben. Mit Licht kann die Produktion energiesparender und flexibler werden.

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Die Entwicklung von effizienten und preiswerten Solarzellen ist eine weitere Herausforderung für die Photonik. Moderne Kommunikationsmittel lassen sich durch Erfindungen aus der Photonikforschung verbessern. Elektronik und Photonik können sich optimal ergänzen. Neue Methoden für Untersuchungen unserer Umwelt bieten die Möglichkeit, neue Lösungen für die Umwelttechnik zu erschließen.

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