Forschungs - Laser- und Medizin-Technologie GmbH

Laser- und Medizin-Technologie GmbH, Berlin
Jahresbericht für die Geschäftsjahre 2007/2008 und 2008/2009

September 2010
In Kooperation mit den drei Berliner Universitäten
Freie Universität Berlin
Technische Universität Berlin
Humboldt-Universität zu Berlin
im Rahmen des Kooperationsvertrages zwischen
LMTB / FU, HU, TU
vom 26.2.1997
© Laser-und Medizin-Technologie GmbH, Berlin
Fabeckstr. 60 – 62
14195 Berlin
Tel.: +49 (0) 30 844 923 0
Fax: +49 (0) 30 844 923 99
info(at)lmtb.de
www.lmtb.de
ISBN 978-3-86624-507-5
Gestaltung und Layout: Dipl.-Phys. Oliver Lux

4
9
17
20
24
29
29
32
37
41
44
48
52
55
58
61
65
68
75
79
83
83
84
86
87
90
92
98
Vorwort
25 Jahre LMTB
Dienstleistungen
Inhaltsverzeichnis
Applikationslabor und laseroptische Komponenten
Biomedizinische Optik und Medizintechnik
Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten
Biomedizinische Optik
Lichtausbreitung in biologischen Geweben
Optische Reinigungskontrolle
Früherkennung der rheumatoiden Arthritis
Mobiles In-vivo-Laserscanningmikroskop
Optisches Screening für die molekulare Wirkstoffforschung
Intraoperative Fluoreszenzbildgebung
CO 2 -Laser-Alternativen in der Chirurgie
Angewandte Lasertechnik
Mikrobearbeitung spröder und transparenter Materialien
Selektiver Abtrag dünner Schichten für die Photovoltaik
Spannungsfreie und spannungsarme Innenmarkierung
Laseroptische Systemkomponenten für die Mikrobearbeitung
Weiterbildungsangebote
Fakten
Organisationsstruktur
Geschäftsführung, Aufsichtsrat und Gesellschafter
Laufende öffentlich finanzierte Projekte
Kooperationspartner und Netzwerke
Examensarbeiten
Aktive Patente
Umzug und Standortentwicklung
3

4
Vorwort
50 Jahre Laser – 25 Jahre LMTB
Auch im fünfzigsten Jahr erschließen sich
Laser immer neue Anwendungen in einer
schier unübersehbaren Vielfalt. Zum einen
sinken bei kontinuierlicher Leistungssteigerung
die Kosten, zum anderen eröffnen
sich viele qualitativ völlig neuartige Möglichkeiten.
So durchdringen etwa derzeit
die Ultrakurzpulslaser sowohl die medizinische
Diagnostik wie die Materialbearbeitung.
In jedem Fall müssen aber für einen
erfolgreichen Einsatz passende laseroptische
Komponenten und Applikationen
entwickelt werden, und dafür ist die LMTB
seit nunmehr 25 Jahren ein hervorragender
Partner für Medizin und Industrie.
Die LMTB wurde 1985 auf Betreiben von
Industrieunternehmen als erstes deutsches
Lasermedizinzentrum mit starker
Unterstützung des Landes Berlin gegründet,
um die Lasermedizin voran zu treiben.
Die heutige LMTB ist 1995 durch Zusam-
Das gemeinnützige Institut LMTB –
Laser- und Medizin-Technologie – ist
Nahtstelle zwischen Kliniken, Forschungsinstituten
und Wirtschaft. Im breiten Gesellschafterkreis
sind Mittelständler neben
Konzernen … vertreten. Damit ist die
LMTB ein Abbild der Photonikszene in der
Hauptstadt.
Financial Times Deutschland
vom 07.01.2010
menschluss des LMZ mit dem Festkörper-
laserinstitut entstanden, das seit 1987 mit
seinen Forschungen zur führenden Positionierung
deutscher Laserhersteller am
Weltmarkt beigetragen hat.
In der Biomedizin erlangt neben den Lasertherapien
eine Vielzahl möglicher diagnostischer
Laseranwendungen immer
stärkere Bedeutung, und so ist der Bereich
Biomedizinische Optik / Medizintechnik
der LMTB heute vor allem mit der Entwicklung
innovativer medizinischer Diagnostik
beschäftigt. Dies wird durch die vorhandene
Wissensbasis über das tiefgreifende
Verständnis der Lichtausbreitung in biologischen
Geweben ermöglicht, wie es für
die Entwicklung der Lasertherapie und
der entsprechenden Dosimetrie zentral
war. Zutaten für diese erfolgreiche Technologieplattform
sind eine hervorragende
Kompetenz in Spektroskopie verbunden

mit der entsprechende Ausstattung, in
Jahrzehnten aufgebaute Datenbanken der
optischen Eigenschaften von Geweben
sowie Erfahrungen in der Fertigung optischer
Standards und in der Beherrschung
von Simulationsmethoden. Schließlich
bündelt die LMTB unter einem Dach alle
Fähigkeiten, um Geräte, auch zulassungsfähige
Medizinprodukte, zu bauen. Die
Kompetenzen reichen dabei von Vorstudien
zu Schutzrechten, Risiken und Märkten
bis zur optischen, mechanischen und elektronischen
Auslegung und Realisierung,
einschließlich der Softwareentwicklung.
In ganz analoger Weise hat der Bereich
Angewandte Lasertechnik der LMTB seine
Schwerpunkte von der Entwicklung
der Festkörperlaser zu den laseroptischen
Komponenten und Applikationen verlagert.
Ein Schwerpunkt ist hierbei die Bearbeitung
spröder Materialien wie Glas und
Keramik, vor allem auch von Materialien
für die Photovoltaik.
Schon immer ist die Kernkompetenz der
LMTB die Umsetzung wissenschaftlicher Erkenntnisse
in neue Verfahren und Demonstratoren,
um besonders mittelständische
Unternehmen zu stärken, Ausgründungen
zu unterstützen und so Arbeitsplätze, insbesondere
auch in der Region Berlin-Brandenburg,
zu schaffen. Aber auch überregional
und international ist die LMTB in den
Hochtechnologiebranchen Medizintechnik
Vorwort
und Lasertechnologie gut positioniert. Dies
schlägt sich in einer erfolgreichen Zusammenarbeit
mit der Industrie sowohl mit
den Gesellschaftern der LMTB als auch mit
externen Unternehmen nieder. Über 300
Patentanmeldungen, davon über 185 verwertet,
geben einen Hinweis auf Erfolge.
Auf Grund ihrer Historie wie ihres aktuellen
Leistungsspektrums ist die LMTB einer der
wichtigen Berliner Inkubatoren im Schnittpunkt
von Biotech / Medtech / Pharma einerseits
und den Optischen Technologien
andererseits, also dort wo zwei der fünf
Zukunftsfelder für die Innovationsstrategie
der Länder Berlin und Brandenburg zusammentreffen.
Die bei der LMTB entwickelte Laserbohroptik
ist in verschiedenen Varianten bei führenden
Laser- und Lasersystemherstellern
im Einsatz, und als Nachweis erfolgreichen
Technologietransfers konnte in 2010 ein Lizenzvertrag
abgeschlossen werden, der die
weltweite Vermarktung zum Ziel hat.
Als Beispiel aus der Biomedizinischen
Optik sei hier das von der LMTB koordinierte
BMBF-Projekt „Optische Reinigungskontrolle“
genannt, das neben den
akademischen Partnern von der TU Berlin
Medizintechnikunternehmen, Messgerätehersteller
bis hin zu Anwendern aus der
Nahrungsmittelindustrie umfasst.
Im Vergleich mit anderen FuE-Einrichtungen
stellt die LMTB ein kompaktes und
5

6
Vorwort
effizientes Institut dar, das flexibel und
schnell Aufträge ausführen kann, und
darin Modellcharakter besitzt. Eine der
wesentlichen Stärken ist hierbei das motivierte
Team: Die LMTB beschäftigt mit
Studenten und Doktoranden der Berliner
Fachhochschulen und Universitäten rund
40 hochqualifizierte Mitarbeiter. Dies
entspricht 27 Vollzeitstellen, von denen
22 dem wissenschaftlich-technischen Bereich
zuzuordnen sind. Vermehrt werden
Kontakte auf europäischer und internationaler
Ebene genutzt, etwa zur Columbia
University, New York, um weitere Postdocs
und Doktoranden zu gewinnen.
Die räumliche Zusammenlegung der beiden
Geschäftsbereiche in Berlin Dahlem
ist Mitte 2010 erfolgt, so dass die ganze
LMTB mit verbesserter Ausstattung und
größerer innerer Effizienz an einem Standort
zur Verfügung steht. Mit Unterstützung
des Bezirks Steglitz-Zehlendorf und der
umliegenden Wissenschaftseinrichtungen
Dr. Gerd Illing
Sprecher der Geschäftsführung
ist beabsichtigt, an diesem Standort ein
Technologie-Center aufzubauen, um Ausgründungen
Raum zu bieten.
Eine aktuelle Umfrage der Technologiestiftung
Berlin zur Vernetzung der Forschungsinstitute
und Laserfirmen hat
ergeben, dass die LMTB weit überdurchschnittlich
als gewünschter Kooperationspartner
angegeben wird. Sie steht an
siebter Stelle von insgesamt 64 Instituten
und Firmen mit wesentlich höheren Mitarbeiterzahlen,
was die hohe Effektivität
der LMTB belegt.
Die Erfolge der LMTB beruhen auf der
Unterstützung durch die eigenen Gesellschafter,
die wissenschaftlichen Partner,
wesentlich durch geeignete Förderprogramme
des Bundes und vor allem des
Landes Berlin, denen an dieser Stelle für
den zurückgelegten Weg zu danken ist.
Wir schauen angesichts der weiterhin
stürmischen Entwicklung der Laser optimistisch
in die Zukunft.
Prof. Dr.-Ing. Hans Joachim Eichler
Wissenschaftlicher Geschäftsführer

Henrike Wilms studiert Physik und
führt bei der LMTB ihre Bachelorarbeit
durch. Sechs Monate lang experimentiert
sie an einem Versuchsaufbau zur
ortsaufgelösten Messung der diffusen
Reflektion von trüben Medien im
infraroten Spektralbereich. Durch den
Vergleich von Messung und Monte-
Carlo-Simulation der Lichtausbreitung
können Absorptions- und Streukoeffizient
des trüben Mediums getrennt
bestimmt werden. Ziel ihrer Arbeit ist
es, die Voraussetzungen für die Messung
verschiedener physiologischer
Parameter zu schaffen.

Die Laser- und Medizin-Technologie
GmbH, Berlin blickt auf 25 Jahre erfolgreicher
FuE-Tätigkeit und effektiven Technologietransfers
zurück. Die starke Stellung
der heutigen LMTB auf zwei der wichtigsten
Anwendungsfelder von Lasertechnologien
spiegelt ihre Entstehung aus der Fusion
von zwei Vorläufer-Instituten wider,
die schon zuvor jedes auf seinem Gebiet
Pionierleistungen erbracht hatten.
Im Herbst 1983 treffen sich Vertreter von
Politik, Wirtschaft und Universität auf Einladung
des VDI-Technologiezentrums in
Berlin und diskutieren die Idee der Gründung
eines Lasermedizin-Zentrums. Eine
Planungsgruppe aus VDI-TZ Berlin, der
Senatsverwaltung für Wirtschaft und Arbeit,
dem Universitätsklinikum Steglitz
der FU Berlin und den Medizintechnikfirmen
Carl Zeiss Aesculap AG und MBB-
Medizintechnik entwickelt das Konzept
für die neue Einrichtung. Die Aufgaben
der geplanten Forschungseinrichtung sind
die Verbreitung der Lasermedizin, die Erarbeitung
von therapeutischen Leitlinien
und Grundlagen für die Zertifizierung der
Ärzte im Sinne einer Qualitätssicherung
sowie die Durchführung von angewandter
Forschung und Entwicklung als Auftragsforschung.
Der Name der neuen Gesellschaft
ist Laser-Medizin-Zentrum GmbH,
Berlin (LMZ).
25 Jahre LMTB
Am 6. März 1985 wird ein Kooperations-
vertrag zwischen der LMZ GmbH in Gründung,
vertreten durch die Industriegesellschafter,
und der Freien Universität Berlin
unterzeichnet. Die Firma wird am 21. Mai
in das Handelsregister Berlin eingetragen
und Prof. Dr.-Ing. Gerhard Müller am 1.
Juni 1985 zum Gründungsgeschäftsführer
bestellt. Er nimmt mit den ersten Mitarbeitern
in Räumen der Zentralen Tierlaboratorien
der FU Berlin die Arbeit auf.
Am 15. August 1985 wird der Oberarzt Dr.
med. Hans-Peter Berlien als Medizinischer
Leiter eingestellt. Prof. Dr.-Ing. G. Müller
wird zum 1. März 1986 auf eine Professur
(C4) für Biomedizinische Technik
mit Schwerpunkt Lasermedizin am Universitätsklinikum
Steglitz berufen. Damit
beginnt der Aufbau des Fachgebiets Biomedizinische
Technik und Lasermedizin.
Im Sommer 1986 wird das Laser-Behandlungszentrum
am Universitätsklinikum
Steglitz mit einem chirurgischen CO -Laser
2
eröffnet.
Das Festkörper-Laser-Institut Berlin GmbH
(FLI) wird am 6. Dezember 1986 gegründet.
Seine Aufgaben sind die angewandte
Forschung auf dem Gebiet der Festkörperlaser
und lasertechnischer Komponenten
sowie die Weiterbildung von Physikern
und Ingenieuren. Gründungsgesellschafter
sind die Firmen Carl Zeiss, Carl Haas,
9

10
25 Jahre LMTB
Trumpf Lasertechnik, MBB Medizintechnik,
Schott-Glaswerke, Spektrum, die Fraunhofer-Gesellschaft,
die Wirtschaftsförderung
Berlin, der Verband Deutscher Maschinen-
und Anlagenbau e.V. (VDMA) und
der Verband Feinmechanik und Optik e.V.
Gründungsgeschäftsführer ist Prof. Dr.-Ing.
Horst Weber. Der Eintragung ins Handelsregister
Berlin am 5. Februar 1987 folgt am
10. März eine Kooperationsvereinbarung
mit der Technischen Universität Berlin. Die
Geschäftstätigkeit wird am 1. Juni 1987 in
provisorischen Räumen aufgenommen,
am 19. Oktober 1987 können die Institutsräume
im Physik-Altbau der TU Berlin mit
11 Mitarbeitern bezogen werden.
Das LMZ kann nach seiner Gründungs-
phase weitere Industriegesellschafter
gewinnen: Im Februar 1987 kommen die
Firmen B. Braun Melsungen und Biotronik
hinzu, im September 1991 die Firma Fritz
Hüttinger. Die Geschäftsanteile der MBB-
Medizintechnik gehen auf die Firma Dornier
Medizintechnik über und die Firma
CeramOptec übernimmt 1994 die Anteile
des ausscheidenden Gesellschafters Biotronik.
Im April 1988 wird das LMZ durch das Bundesministerium
für Arbeit zur Prüfstelle für
medizinische Geräte ernannt und im April
1991 für die Homologation nach französischem
Recht zugelassen.
Nach mehr als sechsmonatigen Verhandlungen
schließt das LMZ im November
1988 mit dem Institut für Allgemeine
Physik der Akademie der Wissenschaften
der UdSSR ein Abkommen zur wissenschaftlichen
Zusammenarbeit, das wegen
des besonderen Status von Berlin (West)
im Rahmen des Viermächteabkommens
zunächst nur als Austausch von einseitig
unterschriebenen Absichtserklärungen
zustande kommt. Am 8. November 1989
folgt ein regulärer Kooperationsvertrag
zwischen dem LMZ und der Akademie der
Wissenschaften der UdSSR im Rahmen
des Abkommens über die Wissenschaftlich-technische
Zusammenarbeit der Bundesregierung
mit der UdSSR. 1991 wird
dieser Vertrag mit der Akademie der Wissenschaften
der Russischen Förderation
verlängert.
Im November 1988 wird die unter Federführung
des LMZ gegründete konzertierte
Aktion der Europäischen Gemeinschaft
zur Entwicklung der Mitgliedstaaten der
EG auf dem Gebiet der Lasermedizin
mit einer Generalversammlung aller Delegierten
in Berlin eröffnet. 1991 wird
das EUREKA-Projekt EU 642 STILMED
„Safety Technology in Laser Medicine“ auf
einer Konferenz der Forschungsminister in
Den Haag bekannt gegeben. Die Koordination
wird dem Laser-Medizin-Zentrum
übertragen.

Im Februar 1989 wird der Medizinische
Leiter des LMZ, Prof. Dr. med. H.-P. Berlien,
auf die erste deutsche Professur (C3) für
Lasermedizin am Universitätsklinikum
Steglitz der Freien Universität Berlin berufen.
Am 13. Juli 1990 beschließt das Kuratorium
der FU Berlin die Einrichtung des
Instituts für Medizinisch / Technische Physik
und Lasermedizin des UKS.
Das Festkörper-Laser-Institut eröffnet
1990 ein Applikationslabor mit einer 1-kW-
Bearbeitungsstation mit Nd:YAG-Laser.
1992 wird die Firma Rofin-Sinar weiterer
Gesellschafter. Ein Prüflabor für optische
Schichten nach ISO-Standards, die vom FLI
maßgeblich mit entwickelt wurden, wird
1994 eingerichtet.
Eine gemeinsame Gesellschafterversammlung
der Laser-Medizin-Zentrum GmbH,
Berlin (LMZ) und der Festkörper-Laser-
Institut Berlin GmbH (FLI) beschließt am
21. Februar 1995 die Fusion der beiden
Einrichtungen rückwirkend zum 1. Januar
1995. Die neue Einrichtung führt den
Namen Laser- und Medizin-Technologie
GmbH, Berlin (LMTB). Als Geschäftsführer
werden Prof. Dr.-Ing. G. Müller und Prof.
Dr.-Ing. H. Weber bestellt. Gesellschafter
der LMTB sind nun zehn Industrieunternehmen,
die Fraunhofer-Gesellschaft, der
Verband Deutscher Maschinen- und An-
25 Jahre LMTB
lagenbau e.V., der Verband Feinmechanik
und Optik e.V. und die Wirtschaftsförderung
Berlin. Im März 1996 beschließt die
Gesellschafterversammlung, die Siemens
AG, Medizinische Technik, Erlangen, als
weiteren Gesellschafter aufzunehmen,
der die Gesellschafteranteile von Rofin-
Sinar übernimmt. 1998 tritt die Dr. Hielscher
GmbH als neuer Gesellschafter ein,
2001 kommt die World of Medicine AG
(W.O.M.) hinzu.
Von April bis Juli 1996 ziehen der Geschäftsbereich
Lasertechnik, die Prüfstelle
und der Bereich Umweltanalytik des Geschäftsbereichs
Biomedizinische Technik in
das Photonik-Zentrum, Berlin-Adlershof.
Im Februar 1997 schließen die drei Berliner
Universitäten Freie Universität Berlin,
Technische Universität Berlin und Humboldt-Universität
zu Berlin mit der LMTB
einen einheitlichen Kooperationsrahmenvertrag,
der die LMTB in gleicher Weise
mit allen drei Universitäten verbindet. Im
gleichen Monat tritt Prof. Dr. med. habil.
Dr.-Ing. Michael Ungethüm, Aesculap AG,
nach 12-jähriger Tätigkeit als Vorsitzender
des Aufsichtsrates und der Gesellschafterversammlung
zurück. Als neuer Vorsitzender
wird Dr.-Ing. Frank Frank, Dornier Medizintechnik,
gewählt, der diese Position
bis heute innehat. Im Februar 2000 scheidet
Prof. Dr.-Ing. H. Weber, Gründungsge-
11

12
25 Jahre LMTB
schäftsführer des FLI und Geschäftsführer
der LMTB, aus der Geschäftsleitung aus.
Sein Nachfolger wird Prof. Dr.-Ing. Dr. med.
Holger Kiesewetter, Direktor des Instituts
für Transfusionsmedizin der Charité.
Zusammen mit dem Fraunhofer-Institut
für Biomedizinische Technik in St. Ingbert
erhält die LMTB im März 2000 im Wettbewerb
zur Errichtung von Kompetenzzentren
für die Medizintechnik in Deutschland
den Zuschlag für das überregionale Kompetenzzentrum
für „Miniaturisierte Monitoring-
und Interventionssysteme“ (MOTIV).
In einem weiteren Wettbewerb des Bundesministeriums
für Bildung und Forschung,
dem Innovationswettbewerb zur
Förderung der Medizintechnik, gehört das
Institut für Medizinische Physik und Lasermedizin
zu den zwölf von einer internationalen
Jury ausgewählten Siegern. Im Juni/
Juli 2000 ziehen die LMTB und das Institut
für Medizinische Physik und Lasermedizin
von ihrem bisherigen Standort in den Zentralen
Tierlaboratorien der FU Berlin in ein
eigenes Gebäude auf dem Gelände des
früheren US-Hospitals in Dahlem. Zum 30.
April 2003 scheidet Prof. Dr.-Ing. G. Müller
aus der Geschäftsführung der LMTB
aus. Dr. rer. nat. Hansjörg Albrecht, bisher
Prokurist, wird zum Geschäftsführer und
Sprecher der Geschäftsleitung bestellt.
Wissenschaftlicher Geschäftsführer wird
der bisherige stellvertretende Vorsitzende
des Aufsichtsrates, Prof. Dr.-Ing. Hans Joachim
Eichler vom Optischen Institut der
TU Berlin.
Im November 2003 gewinnt die LMTB
zum dritten Mal nach 1992 und 1993 den
Innovationspreis Berlin/Brandenburg. Das
Institut für Medizinische Physik und Lasermedizin
wird im Rahmen der Neustrukturierung
der Berliner Universitätsmedizin
zum 1. Juni 2003 Institut der Charité – Universitätsmedizin
Berlin, Campus Benjamin
Franklin.
Für die LMTB bringen diese Jahre auch
einschneidende Änderungen in der Finanzierungsstruktur.
Sie entwickelte sich
von einem wissenschaftlichen Institut
mit Teilfinanzierung durch die Industrie-
Gesellschafter zu einem rein projektfinanzierten
Institut mit Auftragsforschung.
Auf die Anfangsjahre mit Zuwendungen
der Firmengesellschafter ohne explizite
Verpflichtungen folgte 2002/2003 eine
Phase mit Mindestauftragsvolumina der
Gesellschafter in Form von Rahmenverträgen
bzw. Spenden für die LMTB. Seit
dem Geschäftsjahr 2003/2004 erfolgen
Aufträge der Gesellschafter nur noch auf
freiwilliger Basis und werden ebenso wie
externe Industrieaufträge von Fall zu Fall
aktiv eingeworben. Die LMTB hat diesen
Anpassungsprozess nach erfolgreicher fi

nanzieller Konsolidierung in 2003/2004
bewältigt und sich eine gesunde Wachstumsperspektive
durch verstärkte Kooperation
mit der Industrie erarbeitet, die bis
heute anhält.
Das Ziel eines vitalen Gesellschafterkreises
mit starker Industrie-Anbindung und
gemeinsamen Entwicklungszielen geht
auch mit einem Erneuerungsprozess einher.
So konnten Anfang 2009 die beiden
scheidenden Gesellschafter Aesculap und
Carl Zeiss bruchlos ersetzt werden: Die
MDI Schott Advanced Processing GmbH
und die Sorin Group Deutschland GmbH
haben die freiwerdenden Anteile übernommen,
nachdem sie über Forschungsaufträge
bereits zu Partnern der LMTB geworden
waren.
25 Jahre LMTB
Zum 1. Oktober 2008 trat Dr. rer. nat. Gerd
Illing in die Geschäftsführung der LMTB
ein, und Frau Dipl.-Kff. Kirsten Guthmann-
Scholz wurde Prokura erteilt. Dr. Illing folgte
Dr. Albrecht als Sprecher der Geschäftsführung
nach dessen Ausscheiden zum 28.
Februar 2009. Prof. Dr.-Ing. Hans Joachim
Eichler bleibt weiterhin wissenschaftlicher
Geschäftsführer der LMTB.
Eine Zusammenlegung der beiden Geschäftsbereiche
in Berlin Dahlem ist Mitte
2010 erfolgt, so dass die ganze LMTB mit
verbesserter Ausstattung und größerer
innerer Effizienz an einem Standort zur
Verfügung steht. Mit Unterstützung des
Bezirks Steglitz-Zehlendorf und der umliegenden
Wissenschaftseinrichtungen
Dr. Gerd Illing mit Prof. Dr. Martin Neumann (FDP, Ausschuss für Bildung, Forschung und Technikfolgenabschätzung)
bei der LMTB-Präsentation in der Parlamentarischen Gesellschaft am 4. Mai 2010.
13

14
25 Jahre LMTB
wie der Freien Universität Berlin und dem
Max-Planck-Institut für molekulare Genetik
ist beabsichtigt, an diesem Standort ein
Technologie-Center aufzubauen, um Ausgründungen
Raum zu bieten.
Am 4. Mai 2010 gaben Dr. Illing und weitere
LMTB-Mitarbeiter auf einem parlamentarischen
Abend des Verbands der
Innovativen Unternehmen e.V. (VIU) interessierten
Mitgliedern des Deutschen
Bundestages mit einem Vortrag und ausgewählten
Exponaten einen Einblick in die
vielfältigen Aktivitäten der LMTB.
In diesem Jahr fällt das 25-jährige Jubiläum
der LMTB mit dem Berliner Wissenschaftsjahr
2010 zusammen. Dies bot die Gelegenheit,
sich durch einen Stand auf dem Forschermarkt
des Bezirks Steglitz-Zehlendorf
einer breiten Öffentlichkeit zu präsentieren.
Ein „Stresstest“ mittels Raman-spektroskopischer
Bestimmung von Radikalfängern in
der Haut und faszinierende Beispiele für
die Laser-Mikrobearbeitung von Gläsern
stießen auf großes Interesse und waren
einer der Höhepunkte dieser erfolgreichen
Außendarstellung der wissenschaftlichen
Leuchttürme des Berliner Südwestens.
Forschermarkt Steglitz-Zehlendorf: Bezirksbürgermeister Norbert Kopp, Dr. Maxim Darwin
und PD Dr. Martina Meinke (beide Charité) sowie Bezirksstadträtin für Wirtschaft, Gesundheit
und Verkehr Barbara Loth am 18. Mai 2010 am LMTB-Stand.

Wenn aus anspruchsvollen Messprinzipien am Ende handliche
und zuverlässige Geräte, oft Medizinprodukte, entstehen, dann
hat Reinhard Dietrich seine Hände im Spiel. Er sorgt im Bereich
Elektronik dafür, dass aus Ideen Layouts, Platinen und funktionierende
Schaltungen werden, und er kümmert sich um die
Programmierung. Reinhard Dietrich ist seit 1999 bei der LMTB.

Entsprechend ihrem Selbstverständnis als
gemeinnützige Technologie-Transfer-Einrichtung
bietet die LMTB ein breites Leistungsspektrum
auf dem Weg von der Idee
bis zum neuen Verfahren oder Demonstrator
für ein neues Produkt.
Dabei hilft die LMTB oft bereits, Voraussetzungen
für Innovationen zu schaffen mit
Gutachten, Beratung und Studien, etwa
zur technischen Machbarkeit, zu Risiken,
zur Schutzrechtslage oder der Markterwartung.
Die Kompetenzen rund um den Bau optischer
Geräte und Komponenten reichen
Dienstleistungen
von der Konzeptionierung, dem Optik und
Elektronik-Design zur mechanischen Konstruktion.
Dabei können gegebenenfalls
von Anfang an die Anforderungen an Medizinprodukte
berücksichtigt werden. Die
LMTB verfügt mit eigenen Werkstätten
und einem Netzwerk von hochspezialisierten
Dienstleistern über alle Möglichkeiten,
Geräte zu bauen und zu testen, inklusive
der Hardware-nahen Programmierung
und Software-Entwicklung. Im biomedizinischen
Bereich besonders wichtig ist die
enge Zusammenarbeit mit Ärzten und Kliniken
bis hin zur Durchführung von Studien.
17

18
Dienstleistungen
Der Endpunkt besteht für die LMTB typischerweise
im Bau von Demonstratoren
oder der Validierung der entwickelten
Verfahren, wobei aber auch Kleinserien
von Geräten und laseroptischen Komponenten
bei der LMTB gefertigt werden.
Auf Grund ihrer Historie wie ihres aktuel-
Dabei sind zwei Querschnittsthemen dieser
Innovationsstrategie – Technologietransfer
und Fachkräftesicherung – zugleich
auch Kernaufgaben der LMTB, die in
zahlreichen FuE-Projekten sowie mit Beratung,
Kursangeboten, Praktika, Bachelor-,
Master- und Doktorarbeiten wesentlich
Innovationsstrategie Berlin Berlin-Brandenburg
Brandenburg
Zukunftsfelder der Region g Berlin-Brandenburgg
Energietechnik
Informations-
und Kommuni-
Biotech/
VVerkehrs k h
kations Medtech/ Optik systemtechnologie/technik
Pharma
Medien
Querschnittsthemen
der Region
9/6/2010
len Leistungsspektrums ist die LMTB ein
wichtiger Inkubator im Schnittpunkt von
zwei ausgewiesenen Zukunftsfeldern der
gemeinsamen Innovationsstrategie der
Länder Berlin und Brandenburg: Biotech /
Medtech / Pharma einerseits und Optische
Technologien andererseits.
Technologietransfer
Fachkräftesicherung
Innovationsfinanzierung
zur weiteren Entwicklung der Berliner
Wissenschaft und Industrie beiträgt. Dazu
bestehen Kooperationsrahmenverträge
mit den drei großen Berliner Universitäten
und enge Beziehungen zur Charité – Universitätsmedizin
Berlin und der Evangelischen
Elisabeth-Klinik Berlin.
1

In einer aktuellen Umfrage der Technolo-
giestiftung Berlin über die Vernetzung der
regionalen Forschungsinstitute und Laserfirmen
wurde die LMTB weit überdurchschnittlich
häufig als gewünschter Kooperationspartner
genannt. Sie steht im
Ranking an siebter Stelle von insgesamt 64
Instituten und Firmen mit zumeist vielfach
höheren Mitarbeiterzahlen – ein Beleg für
die hohe Effektivität der LMTB.
Dienstleistungen
Rang Zentrale Akteure im Beziehungsgeflecht der Laserakteure
in Berlin-Brandenburg
1 FFerdinand-Braun-Institut di d B I tit t für fü Höchstfrequenztechnik Hö h tf t h ik (FBH)
2 Berliner Glas KGaA Herbert Kubatz GmbH & Co.
3 Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI)
4 Photon AG
5 IBL Innovative Berlin Laser GmbH
6 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
7 Laser- und Medizin-Technologie g GmbH Berlin ( (LMTB) )
8 Fachhochschule Brandenburg
9 Technische Universität Berlin
10 Frank Optic Products GmbH
11 Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik (HHI)
12 Newport Spectra-Physics GmbH
13 eagleyard Photonics GmbH
14 Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM)
15 Technische Fachhochschule Wildau
16 Jenoptik Diode Lab GmbH
… und 48 weitere
Quelle: Netzwerkanalyse für BB, TSB Report 2010 „Lasertechnik“
9/2/2010
3
19

20
Dienstleistungen
Applikationslabor und
laseroptische Komponenten
Application Lab and laser-optical components
The applied laser technology group at
LMTB is dedicated to developing and
testing innovative laser-assisted manufacturing
strategies. The working areas
in the application laboratory using diodepumped
solid-state lasers which generate
high-energy nanosecond and picosecond
pulses are as follows:
•
•
•
•
•
Micromachining of metals and semicon
ductive materials
Microprocessing of brittle materials
(glass and ceramics)
Sub-surface modification of transparent
materials
Selective removal of thin layers
Development of optical components
Acting as an interface between industrial
fabrication and laser-optical machinery,
one of our main tasks is a customer-oriented
know-how and technology transfer.
In vielen Bereichen der industriellen Fertigung
ist ein Trend nach kleineren Strukturen
mit anspruchsvolleren Toleranzanforderungen
erkennbar. Als Alternative zu
den „klassischen“ mechanischen Bearbeitungsmethoden
gewinnt die gütegeschaltete
Lasertechnologie zum (möglichst
schonenden) Materialabtrag (Bohren,
Schneiden und Strukturieren) von Werkstoffen
mit völlig unterschiedlichen opti-
schen, mechanischen und thermischen
Eigenschaften zunehmend an Bedeutung.
Folgende Arbeitsgebiete stehen im Zentrum
der FuE-Tätigkeit im Bereich Angewandte
Lasertechnik:
•
•
•
•
•
Mikrobearbeitung von Metallen und
Halbleitern
Mikroabtrag spröder Materialien (diverse
Glassorten und Keramiken)
Innenmodifikation transparenter
Werkstoffe
Selektiver Abtrag dünner Schichten
Entwicklung optischer Laserkomponenten
Der Geschäftsbereich Angewandte Lasertechnik
versteht sich als Schnittstelle
zwischen der industrienahen Anwendung
und den optischen „Werkzeugen“: Lasersysteme,
Bearbeitungsoptiken und Verfahrenstechnologien.
„Optical Design and Construction“, 3D-Entwurfsmodell
der LMTB-Trepanieroptik mit motorisierter
Einstellung von Anstellwinkel und Durchmesser.

Eine wesentliche Aufgabenstellung der Angewandten
Lasertechnologie ist der Wissens-
und Technologietransfer bei Fragestellungen
der Laser-Mikrobearbeitung.
Neben der Durchführung von Forschungsprojekten
und der Mitwirkung in der Lehre
bzw. Betreuung von Diplomarbeiten,
jeweils in enger Kooperation mit Arbeitsgruppen
aus Universitäten und außeruniversitären
Einrichtungen (z.B. TU Berlin,
TFH Berlin, MBI Berlin), bietet die Angewandte
Lasertechnik eine umfangreiche
Palette von Dienstleistungen für Exklusivarbeiten
an – selbstverständlich auf
Wunsch auch unter strenger Beachtung
von Geheimhaltungsvereinbarungen:
•
•
•
•
•
Beratung und Machbarkeitsstudien
Gerätetests
Kleinserienfertigung
Komponentenentwicklung
Verfahrensentwicklung inkl. Patentabsicherung
„Small Batch Production“, Kleinserienfertigung von
Endmaßen aus 2,7 mm starkem B33 Glas (Stegbreite
nur 0,5 mm). Typische Losgrößen liegen hier
bei 10 bis 100.
Applikationslabor und
laseroptische Komponenten
Kleinere Aufträge zu Machbarkeitsstudien
und Kleinserienfertigung sind in der Regel
nach Beauftragung in wenigen Wochen
abgeschlossen.
Außer der Laserstrahlqualität, Strahlführung
und Pulsverteilung auf dem Werkstück
besitzen Pulsdauer und Wellenlänge
eine zentrale Bedeutung in der Materialbearbeitung.
Folgende Systeme werden
zur Zeit im Laser-Applikationslabor zur
Durchführung der anwendungsorientierten
FuE eingesetzt:
• Picosekunden-Nd:YVO -Laser (Herstel-
4
ler: Lumera Laser): 8 W @ 1064 nm,
4 W @ 532 nm, 2,5 W @ 355 nm;
10 bis 640 kHz, 6 – 10 ps, TEM00 • Nanosekunden-Nd:YVO -Laser 4 (Her-
•
steller: Azura Laser, Spezialentwicklung):
10 W @ 1064 nm, 4 W @ 532 nm,
2 W @ 355 nm; 10 – 50 kHz, 25 bis
45 ns, TEM00 Nanosekunden-Nd:YVO4
/Nd:YAG-
Laser (Hersteller: IB-Laser): 40 W @
1064 nm, 20 W @ 532 nm, 10 bis
50 kHz, 25 ns, TEM00 • Nanosekunden-Nd:YAG-Laser mit 2
Verstärkerkavitäten (LMTB-Eigenentwicklung):
35 W @ 1064 nm, 5 bis
20 kHz, 150 – 250 ns, M2 < 2
• Millisekunden-Nd:YAG-Laser mit Faserauskopplung
(Hersteller: Haas):
600 W @ 1064 nm, < 600 Hz, 0,2 bis
50 ms, Multimode (600-µm-Faser)
Dienstleistungen
21

22
Dienstleistungen
Applikationslabor und
laseroptische Komponenten
„Picosecond Laser Machining of Quartz Capillary
Tubes“, Anfertigung von Mikrobohrungen in filigranen,
1-mm-Quarzkapillaren (Wandstärke 85 µm)
für die Entwicklung von Gassensoren am Fritz-Haber-Institut
der Max-Planck-Gesellschaft.
Im Laser-Applikationslabor werden auch
komplexe Einzelstücke wie z.B. Wolfram-
Masken mit 1.000 Mikrobohrungen, Mikrolöcher
in filigranen Quarzkapillaren
oder Kernbohrungen in Zeroduroptiken
angefertigt. Diese speziellen Fertigungsanfragen
werden häufig für (andere) Forschungseinrichtungen,
z.B. dem Fritz-Haber-Institut
der Max-Planck-Gesellschaft
und dem Max-Born-Institut, umgesetzt.
In einem vom BMWi-geförderten Projekt
zur Industriellen Vorlaufforschung (Beginn
Januar 2009) wird die Laser-Präzisionsbearbeitung
mit Unterstützung der Plasma-Analyse
verfolgt. In diesem Vorhaben werden
auch neue Konzepte von Trepaniersystemen
entwickelt, umgesetzt und erprobt.
Ein AiF/IGF-Vorhaben zur „Spannungsfreien
Innenmarkierung“ konnte 2009 erfolgreich
abgeschlossen werden [1].
Das IGF-Nachfolgeprojekt zur Innenmarkierung
und Innenbearbeitung wird voraussichtlich
2011 beginnen. Seit Februar
2010 wird im Rahmen eines neuen AiF/
IGF-Projekts der selektive Abtrag dünner
Schichten (z.B. CIS/CIGS) für die Photovoltaik
untersucht.
„Industry meets Science“, Vorstellung und Diskussion
zur „Grünen“ Laser-Glasbearbeitung mit Vertretern
aus der Industriesparte Glastechnik.
Der Wissensaustausch und -transfer zur
Laser-Mikrobearbeitung wird auch auf diversen
Fachmessen und Konferenzen verfolgt,
beispielsweise zwischen 2007 und
2009 auf folgenden Veranstaltungen:
•
•
•
•
World of Photonics in München, 2007
und 2009
World of Photonics China in Shanghai
(gemeinsam mit der TU Berlin), 2009
Laser Optics Berlin (gemeinsam mit
OptecBB), 2008
Glasstec in Düsseldorf (zusammen mit
Vitro Laser GmbH und MDI-Schott AP),
2008

•
•
•
WLT-Konferenz Lasers in Manufactu-
ring in München, 2007 und 2009
SPIE-Konferenz Photonics West in San
Jose, USA, 2007
Laser Precision Manufacturing, Konferenz
der Japan Laser Processing Society,
in Wien, 2007
Die Einbindung von Studenten aus Fachhochschulen
und Universitäten in laufende
FuE-Projekte spielt eine zentrale Rolle.
Im Laser-Applikationslabor wurden 2007
bis 2009 insgesamt neun experimentelle
Diplom- und Bachelorarbeiten betreut
und erfolgreich fertig gestellt.
Zwei Absolventen, Herr Dipl.-Phys. A. Lemke
und Herr Dipl.-Ing. T. Kaszemeikat, verstärken
seit 2007/2008 das Mitarbeiter-
Team der Angewandten Lasertechnik.
Applikationslabor und
laseroptische Komponenten
LITERATUR
[1] A. Lemke, D. Ashkenasi: „Spannungsfreie Innenmarkierung
von Gläsern durch laserinduzierte
Färbung“, Photonik 42, No. 2-2010, 40-
42 (2010)
[2] J. Eichler, H. J. Eichler: „Laser - Bauformen,
Strahlführung, Anwendungen“, 7. Auflage
(2010), Springer-Verlag Berlin, Heidelberg
Kontakt
Dr. rer. nat. David Ashkenasi
Forschungsleiter
Angewandte Lasertechnologie
d.ashkenasi(at)LMTB.de
„International Trade Fairs and Conferences“, Teilnahme an der Laser Optics Berlin (LOB 2010).
Dienstleistungen
23

24
Dienstleistungen
Biomedizinische Optik
und Medizintechnik
Biomedical optics and medical devices
We offer a broad range of services which
can be used for the development of simple
sensors and highly complex medical
devices. We also offer services along the
whole development chain from ideas and
the proof of concept, to the development,
fabrication and testing of functional prototypes.
Along this chain we use instruments and
competences which fit the special requirements
of biomedical optics. Our focus is
on optics in turbid media. Here we apply
inverse Monte Carlo simulations in order
to obtain the intrinsic optical parameters
absorption coefficient µa, scattering coefficient
µs and the phase function. These
data enable the calculation of the optical
measurement process for a certain device
by forward Monte Carlo simulation on a
computer. This may also be used to optimize
the measurement principle without
building a device, thus saving time and
money for our customers.
We cover the whole process of making
functional prototypes from the optical design
to mechanical and electronic development,
software and assembly of demonstrators
so that they are available for
testing in a short time. During this process
we take into account the criteria of the
German regulations for medical devices,
with which we are very familiar.
For development of commercial products
in the industry, optical or tissue phantoms
are becoming more and more important
as a measure for quality control or calibration.
They can be used during the development,
at the manufacturing site and by
the service technician.
Wir bieten eine sehr breite Palette an
Dienstleistungen für die Biomedizinische
Optik und Medizintechnik an. Diese kann
genutzt werden, um einfache Sensoren
aber auch hochkomplexe diagnostische
oder therapeutische Geräte zu entwickeln.
Hierbei reicht unser Angebot von der Konzepterstellung
über Machbarkeitsstudien
bis hin zur Entwicklung, zum Bau und der
Erprobung von Funktionsmustern.
Auf dem Weg dorthin können wir auf Geräte
und Fähigkeiten zurückgreifen, die für
die Aufgabenstellungen in der Biomedizinischen
Optik speziell zugeschnitten sind.
Dies umfasst z.B. Geräte für die Spektroskopie
und die Bildgebung. Der Fokus ist
dabei auf die Anwendung in streuenden
Geweben gerichtet, die spezielle Fähigkeiten
wie z.B. die inverse Monte-Carlo-
Simulation erfordern. Dies versetzt uns in
die Lage von Geweben die intrinsischen
optischen Eigenschaften wie Absorptionskoeffizient,
Streukoeffizient und Phasenfunktion
in einem weiten Spektralbereich
zu ermitteln.

Mit einer (Vorwärts-) Monte-Carlo-Simu-
lation kann dann jedes beliebige optische
Messgerät oder therapeutische Gerät im
Computer simuliert werden und z.B. seine
Empfindlichkeit für die Zielgröße optimiert
werden. Diese Vorgehensweise kann bei
unseren Kunden sehr viel Zeit und Aufwand
sparen.
Die komplette Entwicklung eines Funktionsmusters
von der Elektronik über die
Software, das Optikdesign und die Konstruktion
wird von uns abgedeckt, so dass
in kurzer Zeit Funktionsmuster für eine
Erprobung aufgebaut werden können.
Durch sehr große Erfahrungen im Bereich
des Medizinproduktegesetzes (MPG)
durch den früheren Betrieb einer Prüfstelle
können bereits während der Entwicklung
die Kriterien des MPG mit einfließen
und beispielsweise Risikoanalysen erstellt
werden.
In der Entwicklung aber gerade auch beim
Übergang zum Serienprodukt sind Phantome
und Gewebemodelle wesentliche
Hilfsmittel. Hiermit kann eine Serie kalibriert
werden oder im Service oder vom
Anwender die Funktion eines Geräts überprüft
werden.
Unser Dienstleistungsangebot in der Bio-
medizinischen Optik umfasst:
Biomedizinische Optik
und Medizintechnik
Spektroskopie
UV/VIS-IR-Spektroskopie
• Transmissionsspektroskopie
250 nm bis 3.300 nm
von
•
-1 FTIR-Spektroskopie von 1.200 cm bis
15.000 cm-1 – Transmission, Reflexion, ATR, Mikroskopie
• Streulichtspektroskopie mit Ulbrichtkugel
von 250 bis 3.300 nm
– Diffuse Transmission, totale Transmission,
diffuse Reflexion
– Inverse Monte-Carlo-Simulation zur
Ermittlung der optischen Parameter
Absorptionskoeffizient, Streukoeffizient,
Phasenfunktion
– Normgerechte Farbbestimmung
– Datenbank optischer Parameter für
Gewebe und Modellsubstanzen
• Ortsabhängige Rückstreuspektroskopie
(spatially resolved reflectance) von
350 nm bis 1.700 nm
– Inverse Monte-Carlo-Simulation zur
Ermittlung der optischen Parameter
Absorptionskoeffizient, reduzierter
Streukoeffizient
Fluoreszenzspektroskopie
• Spektrometer mit Anregung mit monochromatischer
Lichtquelle von 250 nm
bis 800 nm, Detektion von 250 nm bis
900 nm
– Fluoreszenz, Phosphoreszenz, (Bio-)
Lumineszenz
Dienstleistungen
25

26
Dienstleistungen
Biomedizinische Optik
und Medizintechnik
• Spektrometer mit Laseranregung von
365 nm bis 785 nm
Ramanspektroskopie
• Spektrometer mit Laseranregung von
365 nm bis 785 nm, variable Ortsauflösung
von Mikrometer bis Millimeter
• FTIR-Spektrometer mit Laseranregung
bei 1064 nm
Doppler-Spektroskopie
• Laser-Doppler-Spektrometer mit Anregung
bei 655 nm, Messbereich Dopplerfrequenz
0 bis 35 kHz
Bildgebung
Mikroskopie
• Aufrechte und inverse Weitfeldmikroskope
mit DIC und Phasenkontrast sowie
Fluoreszenz
• Laser-Scan-Mikroskop mit Anregungswellenlängen
von 365 nm bis 647 nm
• Rasterelektronenmikroskopie
• FTIR-Mikroskopie
Makroskopische Bildgebung
• Fluoreszenzbildgebung
– Handgehaltene 3-Kanal-Bildgebung
für intraoperativen Einsatz
– Kleintierbildgebung
– jeweils über Operationsmikroskop
oder Endoskop
• 3-dimensionale Topographie mit Streifenprojektion
• Zeitaufgelöste Streulicht- und Fluoreszenzbildgebung
bis 300 ps Zeitauflösung
•
•
Photonen-Dichtewellen-, Streulichtund
Fluoreszenzbildgebung bis 1 GHz
Fluoreszenzlebensdauerbildgebung
(FLI - fluorescence lifetime imaging)
Phantome und Gewebemodelle
•
•
Gewebeähnliche Phantome mit definierten
optischen Parametern
Streulichtphantome, Fluoreszenzphantome,
Phantome für die Ramanstreuung
– für die Entwicklung
– für die Kalibration
– für die Funktionsüberprüfung bei
Herstellung und Service
Monte-Carlo-Simulationen
•
•
•
•
Streulichtausbreitung in Gewebe
Elastische Streuung, Fluoreszenz,
FRET, Ramanstreuung, Doppler-Verschiebung
Simulation von kompletten Messvorgängen,
Bildgebung, Spektroskopie
Optimierung von Sensorkonzepten
Funktionsmusterentwicklung und –bau
•
•
•
•
Optikdesign
Elektronik
Ansteuerungs- und Auswertungssoftware
Konstruktion und mechanische Fertigung
Laser-Messtechnik
•
2-dimensionales Strahlprofil

•
•
•
zeitaufgelöste Messung
Leistungsmessung
Klassifizierung
Generelle Dienstleistungen
•
•
•
•
•
Machbarkeitsstudien
Erprobungen
Risikoanalysen
Marktstudien
Literatur- und Patentrecherchen
Kontakt
Dr. rer. nat. Jürgen Helfmann
Forschungsleiter Biomedizinische Optik
j.helfmann(at)LMTB.de
Biomedizinische Optik
und Medizintechnik
Dienstleistungen
27

Manuela Schwagmeier ist seit 2004 als technisch-wissenschaftli-
che Mitarbeiterin bei der LMTB. Zu ihren Gebieten gehört auch
die Charakterisierung von Proben, hier im Bild das Rasterelektronenmikroskop.
Dessen Oberflächenanalysen helfen gerade, die
Qualität der Laserstrukturierung der verschiedenen Schichten
einer Solarzelle zu beurteilen. Verschiedene mikroskopische Verfahren
und die entsprechende Ausstattung sind aber für nahezu
alle Bereiche der LMTB von zentraler Bedeutung.

Jürgen Helfmann
Biomedical Optics
Biomedical optics in LMTB covers the understanding
and description of the propagation
of light in turbid media such as soft
and hard tissue. It comprises elastic scattering
as well as fluorescence and Raman
scattering in order to develop devices for
diagnostics, therapy and life sciences.
To give an overview of this field, examples
will be presented of tissue optics, spectroscopy,
imaging, molecular medicine and
therapy in the following chapter.
“Tissue optics“ are the basis for all our
work. Using spatially resolved reflectance
spectroscopy, absorption and scattering
properties can be separated in order to determine
in vivo concentrations of substances
of interest, such as antioxidants in skin.
Tissue-like phantoms can be made and optically
characterized for the development
of methods and for calibration purposes.
Based on the understanding of light propagation,
imaging methods are developed
to allow for three dimensional reconstructions.
All this represents the core competence
of LMTB in biomedical optics.
The article “Sensors for cleaning validation
of surfaces“ is an example of fluorescence
spectroscopic control for the cleaning, for
instance, of medical devices.
Different optical imaging modalities have
been developed for diagnostics.
Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten
Biomedizinische Optik
“Optical imaging of rheumatoid arthritis“
for example, is performed using photon
density waves. The potential for an early
and more sensitive diagnosis has been
demonstrated in a study. The possibilities
for medicine and biotechnology of a “Mobile
in vivo laser scanning microscope“ are
presented by miniaturization of the scanning
head with MEMS-based mirrors. We
meet the challenges of molecular medicine
at different stages – screening of molecules,
small animal imaging for pharmacological
testing and devices for diagnostics, as well
as therapy control in humans.
“Optical screening in drug development“
is presented using a fluorescence reader
and an interferometric reader for labelfree
screening. The support and control
of therapy is carried out using a handheld
device for “Fluorescence imaging“. This
device enables sentinel lymph nodes to
be found more safely and rapidly during
cancer surgery. Fluorescence imaging can
also be used during photodynamic therapy
to monitor progress. LMTB has been
involved in the evaluation and optimization
of laser therapy and the development
of laser application systems from
the very beginning. New laser sources are
always of interest and solid state lasers
as illustrated by “Alternatives to the CO2 laser in surgery“ are now coming into
focus.
Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten
29

30 Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten
Biomedizinische Optik
Die Biomedizinische Optik umfasst das
Verständnis und die Beschreibung der
Lichtausbreitung in stark streuenden biologischen
Weich- und Hartgeweben. Die
elastische Streuung, Fluoreszenz und Ramanstreuung
wird beschrieben, um die
Umsetzung in anwendungsorientierte Geräte
und Verfahren für Diagnostik, Therapie
und Life Science zu betreiben.
Um einen Überblick über dieses Arbeitsfeld
zu geben, werden im folgenden Kapitel
Beispiele von Entwicklungen aus den
Bereichen Gewebeoptik, Spektroskopie,
Bildgebung, molekulare Medizin und Therapie
vorgestellt.
Die „Lichtausbreitung in biologischen
Geweben“ stellt die Basis für alle Untersuchungen
dar. Durch Trennung von Absorption
und Streuung durch abstandsabhängige
Rückstreuspektroskopie ist eine
Bestimmung von Stoffkonzentrationen in
vivo (z.B. Antioxidantien an Haut) möglich.
Bei der Methodenentwicklung und
zur Kalibration werden optische, gewebeähnliche
Modelle (Phantome) eingesetzt.
Zur Rekonstruktion von Schnittbildern aus
Durchlichtmessungen ist das Verständnis
über die Lichtausbreitung in biologischen
Geweben notwendig, um entsprechende
Rechenverfahren zur entwickeln. Diese
Fähigkeiten stellen eine der Kernkompetenzen
der LMTB dar.
Jürgen Helfmann
Die Erkennung der Belegung der Oberflächen
von z.B. Medizinprodukten nach Reinigungsprozessen
ist Thema des Artikels
„Optische Reinigungskontrolle“. Hierbei
werden verschiedene spektroskopische
Techniken der Fluoreszenzdetektion genutzt,
um sehr empfindlich Belegungen
über die Eigenfluoreszenz von Protein
(möglich sind auch Kohlenstoff und Fette)
zu detektieren.
Im Bereich der Bildgebung wird durch
optisch-tomographische Bildgebung mit
Photonendichtewellen eine Verbesserung
der „Früherkennung der rheumatoiden
Arthritis“ angestrebt. Das optische Verfahren
zeigt Ergebnisse, wenn mit Röntgenbildern
noch keine Veränderungen
detektiert werden können. Desweiteren
ergab unsere Studie, dass optische Methoden
potentiell sensitiver als Kernspintomographie
(mit Kontrastmittelgabe)
oder Arthro-Sonographie sind.
Als mikroskopisches Bildgebungsverfahren
hat sich die konfokale Laserscanningmikroskopie
etabliert. Um diese in die
Medizin und Biotechnologie einzuführen
muss sie jedoch miniaturisiert und anwendungsfreundlicher
gestaltet werden.
Dies ist uns mit dem Aufbau eines „mobilen
In-vivo-Laserscanningmikroskops“
gelungen, in welchem das Licht mit einem
MEMS-Mikrospiegel abgelenkt wird. Die
molekulare Medizin gehört für die LMTB

Jürgen Helfmann
zu den zukunftsweisenden Richtungen, in
die wir uns in mehreren Ebenen weiter
entwickeln – beim Finden von Molekülen,
bei der Erprobung im Tier und beim Humaneinsatz.
Wir entwickeln optische Auslesesysteme
für die Wirkstoffforschung,
stellen Systeme für die Kleintierbildgebung
zur Verfügung und sind bereit für die humane
Diagnostik und Therapiekontrolle.
Beim Finden von Molekülen für den diagnostischen
und therapeutischen Einsatz
werden Methoden der molekularen Evolution
eingesetzt, für die wir Verfahren für
das „optische Screening für die molekulare
Wirkstoffforschung“ bereitstellen. Dies
beinhaltet Fluoreszenzverfahren wie auch
Label-freie Interferenzmethoden.
Mit der „intraoperativen Fluoreszenzbildgebung“
wird der Bereich der Therapie-
Unterstützung angesprochen und eine
Methode vorgestellt, um dem Chirurgen
für die Therapiekontrolle ein Hilfsmittel
zum Auffinden von Wächterlymphknoten
bzw. dem Behandler bei der photodynamischen
Therapie ein Hilfsmittel zur Beurteilung
des Therapiefortschrittes zu geben.
Die Erforschung von Laserwirkungen und
die Gestaltung von Applikationssystemen
für neu in den Fokus gerückte Laserquellen
ist seit langer Zeit ein Thema für die
LMTB. Die Möglichkeiten von Halbleiterlasern
als „CO -Laser-Alternativen in der
2
Chirurgie“ werden diskutiert.
Biomedizinische Optik
Kontakt
Dr. rer. nat. Jürgen Helfmann
Forschungsleiter Biomedizinische Optik
j.helfmann(at)LMTB.de
Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten
31

Tissue optics
32 Biomedizinische Optik
Carina Reble, Uwe Netz, Jan Toelsner, Ingo Gersonde, Stefan Andree
Lichtausbreitung in
biologischen Geweben
In order to determine chromophore concentrations
in turbid media, a spatially resolved
reflectance set-up was developed
and used to determine chromophore concentrations
in skin. Furthermore, a diffuse
optical tomography set-up for the 3D reconstruction
of fluorescing objects in turbid
samples was built. Monte Carlo calculations
of the diffuse reflectance as well as
Raman and fluorescence measurements
were performed for various measurement
geometries and detection. Durable tissue
phantoms, with the optical properties of
skin and fatty tissue, were constructed for
the calibration and evaluation of measurements.
Für Entwicklung neuer Verfahren für die
optische Diagnostik, Sensorik und Therapie
sind eine genaue Kenntnis der optischen
Parameter und eine Beschreibung
der Lichtausbreitung in Gewebe notwendig.
Die optischen Parameter von Gewebe
sind wellenlängenabhängig und umfassen
Absorptionskoeffizient (µ ), Streukoeffi-
a
zient (µ ), Winkelverteilung der Streuung
s
(charakterisiert durch g-Faktor und Phasenfunktion)
und Brechungsindex (n).
Diese optischen Parameter beeinflussen
auch die Messung inelastischer Prozesse
wie Fluoreszenz oder Ramanstreuung. Für
Diagnostik und Sensorik werden Absorp-
tion und inelastische Streuung an Biomolekülen
als Signalquelle genutzt, für therapeutische
Zwecke die Absorption und
induzierte biochemische Prozesse im Zielgewebe.
Die optischen Eigenschaften vieler Gewebetypen
wurden bereits seit Jahren mit
der Ulbrichtkugelmethode gemessen und
hausintern ein großer Datenpool angelegt,
da nur wenige Daten in der Literatur
verfügbar sind. Da optische Parameter
jedoch intra- und interindividuell stark
variieren können und diese Variationen
zudem charakteristisch für pathologische
Veränderungen sein können, müssen in
vivo einsetzbare Methoden entwickelt
werden. Für diesen Zweck eignen sich die
abstandsabhängige Rückstreuspektroskopie
und die optische Tomographie.
Oben: Abstands- und Wellenlängenabhängigkeit
der Rückstreuung. Unten: Beispielmessung an einer
Hand.

Carina Reble, Uwe Netz, Jan Toelsner, Ingo Gersonde, Stefan Andree
Abstandsabhängige Rückstreuspektroskopie
Durch die ortsaufgelöste Messung der elastischen
Rückstreuung ist die Bestimmung
eines Absorptionsspektrums unabhängig
von den Streueigenschaften möglich [1,2].
Aus den reinen Absorptionsspektren kann
dann die Konzentration der Absorber, wie
z.B. der Biomoleküle β-Karotin, Bilirubin,
Hämoglobin, Desoxyhämoglobin, Melanin
und Wasser bestimmt werden.
Innerhalb des laufenden Projekts OptiVivo
soll weiterhin untersucht werden, welche
Detektionslimits erreicht werden und unter
welchen Bedingungen eine tiefenabhängige
Konzentrationsverteilung durch
die Verwendung verschiedener Abstandsbereiche
messbar ist. Gleichzeitig wird das
Verfahren durch einen Faserapplikator
mobil gemacht.
Im Fall von Fluoreszenz- oder Ramanspektroskopie
besteht eine grundlegende
Schwierigkeit darin, dass die gemessenen
Anpassung der Spektren einiger Absorber an das
Absorptionsspektrum der Haut zur Bestimmung
der Konzentration.
Lichtausbreitung in
biologischen Geweben
Verteilung des Amplitudensignals des Fluoreszenzlichts
am Fettmodell, ICG-Stab 10 -4 mol L -1 ,
Ø 1,5 mm in unterschiedlichen Tiefen.
Spektren von der Absorption und Streuung
des Lichts in der Gewebematrix abhängen.
Deshalb wurde das Messprinzip
der abstandsabhängigen Rückstreuspektroskopie
mit der Ramanspektroskopie
in einem gemeinsamen Messkopf kombiniert.
Wie am Beispiel von β-Karotin demonstriert
wurde [3,4], ermöglicht dies
die Konzentrationsbestimmung eines bestimmten
Ramanstreuers unabhängig von
den typischerweise stark variierenden Absorptions-
und Streueigenschaften einer
biologischen Probe. Untersuchungen zur
Anwendbarkeit der Methode auf inhomogene
Proben wie der menschlichen Haut
sind im Gange.
Diffus-optische Tomographie
Mit der diffus-optischen Tomographie
kann die dreidimensionale Verteilung optischer
Parameter bestimmt und in Schnittbildern
dargestellt werden.
Biomedizinische Optik
33

34 Biomedizinische Optik
Carina Reble, Uwe Netz, Jan Toelsner, Ingo Gersonde, Stefan Andree
Lichtausbreitung in
biologischen Geweben
Hierfür wurde mit moduliertem Laserlicht
über die Oberfläche der Probe gescannt
und für jede Laserposition mit einer
schnellen Kamera ein Bild der zurückgestreuten
Licht- bzw. Fluoreszenzlichtintensität
aufgenommen. Aus dieser Bilderserie
wurde mit Hilfe eines speziellen Algorithmus
die 3D-Darstellung eines fluoreszierenden
Objekts innerhalb einer Probe mit
vorher bekannten optischen Eigenschaften
rekonstruiert.
Monte-Carlo-Simulation der Lichtausbreitung
in trüben Medien
Der optische Strahlungstransport durch
stark streuendes Gewebe kann – ähnlich
dem „ray tracing“ im Optikdesign für
nicht-streuende Materialien – mit Hilfe
der Monte-Carlo-Simulation der Lichtpfa-
de berechnet werden. Hiermit können alle
interessierenden Größen wie beispielsweise
Strahlungsverteilung, Absorption
von Strahlung im Gewebe, Abstrahlung
von Signalen an der Oberfläche, Fluoreszenzentstehung
und -ausbreitung vorhergesagt
werden.
Somit kann ein optisches Messverfahren
vor dem aufwändigen Bau eines Prototypen
am Rechner in seinen möglichen Konfigurationen
simuliert werden. Aber auch
in der Phase der Optimierung, Fehlersuche
und Fehlertoleranzbestimmung stellen
Simulationsrechnungen ein effizientes
Entwicklungswerkzeug dar.
Im Rahmen der hier vorgestellten Projekte
wurde der bisher im Haus verwendete
Simulationsalgorithmus so verbessert,
dass deutlich weniger Rechenzeit be-
Simulierte Trajektorien von detektierten Ramanphotonen für eine spezielle
Kombination von Anregungsspot- (grau) und Detektorgröße (grün).
Rekonstruierte Schnittbilder der Fluorophorverteilung von Daten der diffus-optischen Tomographie.
Originalpositionen der Fluoreszenzquellen sind durch rote Punkte markiert.

Carina Reble, Uwe Netz, Jan Toelsner, Ingo Gersonde, Stefan Andree
nötigt wird, und außerdem für variable
Mess- und Probengeometrien ergänzt.
Die Simulation wurde unter anderem für
die Auswertung der abstandsabhängigen
Rückstreumessungen verwendet. Der
Code wurde außerdem um die Erzeugung
und Propagation von Raman-gestreuten
Photonen erweitert. Diese Methode wurde
verwendet, um den Einfluss der optischen
Eigenschaften und der Messgeometrie
auf Raman- oder Fluoreszenzsignale
zu untersuchen. Für die Anwendung in
der diffus-optischen Tomographie wurde
der Einfluss des Mediums auf Intensität
und Phase der Photonendichtewellen simuliert
und mit Experimenten verglichen.
Außerdem wurden Ergebnisse der Monte-
Carlo-Simulation für das Rekonstruktionsverfahren
verwendet.
Gewebephantome zur Kalibration und
Evaluation der Messverfahren
Für die Entwicklung von Diagnostik und
Sensorik ist es sehr wichtig, unter wohldefinierten
Bedingungen die Genauigkeit
und die Grenzen der Methoden zu bestimmen.
Zu diesem Zweck werden optische
Phantom benötigt, die stabile, wiederholbare
Bedingungen bieten und aus Materialien
bestehen, welche gewebeähnliche
optische Eigenschaften besitzen.
Zur Charakterisierung der oben beschriebenen
Verfahren wurden mehrere speziell
Lichtausbreitung in
biologischen Geweben
Oben: Fettmodell, homogene Matrix mit optischen
Eigenschaften von Fettgewebe mit Bohrungen in
unterschiedlicher Tiefe für zylindrische Tumorphantome
mit verschiedenen ICG-Konzentrationen.
Unten: Phantome mit optischen Eigenschaften
von Haut aus Silikon.
für die jeweilige Messaufgabe optimierte
Phantome entwickelt.
Zum einen wurde basierend auf einer
Matrix aus transparentem Silikon mit
Absorbern und Streuern eine Serie von
Phantomen hergestellt, die die optischen
Eigenschaften von Haut imitieren und an
denen die abstandsabhängige Rückstreumessung
evaluiert wurde. In eine weitere
Reihe dieser Phantome wurde zusätzlich
β-Karotin eingebracht, um die Veränderung
des Ramansignals aufgrund variierender
optischer Eigenschaften zu untersuchen.
Für die diffus-optische Tomographie wurden
für drei relevante klinische Anwendungen
verschiedene Gewebephantome
mit gewebeähnlichen optischen Parametern
im nahinfraroten Spektralbereich
aus Epoxidharz entwickelt: Ein Gefäßmodell
zur Detektion angefärbter Plaques,
Biomedizinische Optik
35

36 Biomedizinische Optik
Carina Reble, Uwe Netz, Jan Toelsner, Ingo Gersonde, Stefan Andree
Lichtausbreitung in
biologischen Geweben
ein Schichtsystems als Hautmodell mit
fluoreszierenden Dysplasien unter der
Oberfläche sowie ein Fettmodell zur Simulation
des humanen Lymphsystems in
Fettgewebe. Das Fettmodell ermöglicht
zudem eine temporäre Applikation von
fluoreszenzmarkierten Phantomen, d.h.
zylindrischen Fettphantomen mit verschiedenen
Konzentrationen des Fluorophors
Indocyangrün (ICG), an verschiedenen
Positionen und damit die Simulation
einer tiefenabhängigen Detektion von z.B.
Wächterlymphknoten. Ferner bietet dies
die Möglichkeit, die Genauigkeit der 3D
Rekonstruktion zu bestimmen.
Die Arbeiten wurden mit Unterstützung
durch den Berliner Senat und die
EU (EFRE), FKZ 10138595 (OptiVivo) und
FKZ 10138596 (OptiTOM) durchgeführt.
LITERATUR
[1] S. Andree, C. Reble, J. Helfmann, I. Gersonde,
and G. Illing: “Spatially resolved reflectance to
deduce absorption and reduced scattering coefficients“,
Proc. SPIE 7368, 73680I (2009)
[2] S. Andree, C. Reble, J. Helfmann, I. Gersonde,
and G. Illing: “Spatially resolved reflectance to
deduce absorption and reduced scattering coefficients“,
J. Biomed. Opt. (2010), in revision
[3] C. Reble, I. Gersonde, S. Andree, J. Helfmann,
G. Illing: “Correction of Raman signals for
tissue optical properties“, Proc. SPIE 7368,
73680C (2009)
[4] C. Reble, I. Gersonde, S. Andree, H. J. Eichler,
J. Helfmann: “Quantitative Raman spectroscopy
in turbid media“, J. Biomed. Opt. 15(3),
e-first (2010)
Kontakt
Dr. rer. nat. Jürgen Helfmann
Forschungsleiter Biomedizinische Optik
j.helfmann(at)LMTB.de

Hans-Joachim Cappius, Franz-Josef Schmitt, Heinrich Südmeyer
Sensor for cleaning validation of surfaces
In this project we developed different optical
sensors for three different scenarios.
The first was for the meat production industry,
where machines are cleaned and
mostly tested for living microbes. The sensor
here incorporates a mini spectrometer
and uses a notebook computer to detect
the fluorescence of proteins down to a
level of 0.5 µg albumin/cm².
The second scenario, pharmaceutical drug
detection, uses absorption spectroscopy
but has yet to be improved for measurements
on rough and topologically varying
surfaces. For this purpose different measurement
heads are required for diffuse
and specular reflection.
Lastly, a long and thin lumen as is found in
the working channel of endoscopes, can
be inspected using both time-resolved
fluorescence and a specially developed
side-firing fiber.
In den Bereichen der Lebensmittelherstellung
oder Aufbereitung von medizinischen
Instrumenten ist die Überprüfung einer
durchgeführten Reinigung wichtig genug,
um eigene Verfahren zur Reinigungsvalidierung
zu entwickeln. In der Herstellung
pharmakologischer Wirkstoffe ist dies zur
Wahrnehmung der Unternehmensverantwortung
unumgänglich.
Optische Reinigungskontrolle
Derzeit eingesetzte Verfahren basieren
auf dem Proteinnachweis mit nass-chemischen
Methoden, bzw. der HPLC (high
pressure liquid chromatography). Diese
Verfahren durch optische Methoden zu
ersetzten, die berührungsfrei und ohne
Verbrauch von Agentien arbeiten können,
war Ziel dieses Projektes.
• Zum Erzielen der Projektergebnisse
wurden drei verschiedene Ansätze
verfolgt, die einen unterschiedlichen
Branchenbezug aufweisen:
• Lebensmittelverarbeitung - fluoreszenzoptische
Detektion von Proteinen
(auch Kohlenhydrate und Fette fluoreszieren)
mit 280 nm Anregungswellenlänge
• Wirkstoffherstellung - Absorptionsspektroskopie
mit UV-Anregung (nicht
fluoreszierende Stoffe absorbieren oft
bei 230–270 nm)
• Medizintechnik - hier geht es speziell
um die Proteindetektion in langen, engen
Lumen mit Messtechnik analog zu
der in der Lebensmittelverarbeitung
verwendeten
Bisher etablierte Grenzwerte
In der EN ISO 15883 sind für die Medizintechnik
zu prüfende Anschmutzungen und
Verfahren zum Proteinnachweis genannt.
Hierbei ist für die empfindlichste OPA-Methode,
einem Eluationsverfahren mit photometrischem
Nachweis, eine als unbe-
Biomedizinische Optik
37

Crile-Klemme, gerade Ausführung.
38 Biomedizinische Optik
Optische Reinigungskontrolle
deutend geltende, konkrete Extinktion in
der prEN ISO 15 883 angegeben worden,
die nach unseren Rechnungen im Bereich
von 0,015 µmol OPA-sensitive Aminogruppen
je Instrument bzw. Prüfkörper liegt.
Hierbei liegt die Nachweisgrenze bezogen
auf 5 mL Elutionsvolumen bei 0,09 µmol
OPA-sensitive Aminogruppen/Instrument
bzw. 96 µg Protein/Instrument (Proteingehalt
in 200 µl Schafblut; 22,6 µmol OPAsensitive
Aminogruppen). Setzt man eine
Fläche einer Crile-Klemme mit 45 cm² an,
so ergibt sich bei Gleichverteilung eine
Belegung von 2,1 µg Protein/cm². Die von
uns entwickelten optischen Verfahren sind
deutlich sensibler (< 0,5 µg Protein/cm²).
Die lebensmittelverarbeitende Industrie
legt ihr Hauptaugenmerk auf lebende Mikroorganismen,
wobei an kritischen Punkten
durch Abklatsch einer 16 cm² großen
Nähragarplatte (oder Abstrich einer definierten
Fläche) eine maximal zulässige
Konzentration von z.B. 200 KBE (kolonie-
Hans-Joachim Cappius, Franz-Josef Schmitt, Heinrich Südmeyer
bildenden Einheiten) jeweils durch den
Betrieb festgelegt wird.
In der Wirkstoffherstellung wird aufgrund
der unterschiedlichen und auch unterschiedlich
potenten Wirkstoffe mit der zulässigen
Restwirkstoffdosis von z.B. 1/100
der Wirkdosis als Grenzwert gearbeitet.
Dies ist in höchstem Maße stoffspezifisch.
Laboraufbauten
Die fluoreszenzoptische Messapparatur
wurde mit Mini-Spektrometer und Notebook
für den Einsatz in einem fleischverarbeitenden
Betrieb als Labordemonstrator
gestaltet und auch im Feld getestet. Dies
ermöglicht vor der Erstellung des Demonstrators
eine Austestung der Funktionalität
und Reduktion auf die im Betrieb
Portabler Messkopf mit UV-LED (unten vorn am
Messkopf mit Kabel zur Stromversorgung) im Einsatz
in einem Trichter eines industriellen Fleischwolfes.

Hans-Joachim Cappius, Franz-Josef Schmitt, Heinrich Südmeyer
benötigen Mess- und Anzeigedaten. Der
Demonstrator erreicht eine Detektionsempfindlichkeit
von 0,5 µg Albumin/cm².
Der Test war erfolgreich, und es konnte
sowohl gezeigt werden, dass die mikrobiologischen
und optischen Messungen
korrelierten, als auch die Eignung zur
empfindlichen Messung unter Normalbeleuchtung.
Mit der optischen Methode wurden selbst
bei vernachlässigbarer Belegung mit Mikroorganismen
(nach der Reinigung) signifikante
Proteinbelegungen detektiert.
Die Laboraufbauten für die UV-Absorptionsmessung
zeigten die Notwendigkeit,
für gerichtet spiegelnde Untergründe (poliertes
Metall) und diffus spiegelnde Untergründe
(Fliese, sandgestrahlte Metalle)
unterschiedliche Messköpfe zu verwenden.
Mit einem Faserbündel mit zentraler
Beleuchtungsfaser wird derzeit versucht,
Einsatz des portablen Messkopfes (linke Hand des
Messenden) und Fasersonde (in der Maschine) mit
Spektrometer (Umhängetasche) und Notebook
(nicht gezeigt).
Optische Reinigungskontrolle
Prinzipskizze für eine Faser zur seitlichen Anregung
und Detektion.
die Bedingungen zu untersuchen, unter
denen ein Kratzer auf einem polierten
Untergrund kein falsch positives Signal liefert.
Der Aufbau zum Durchfahren der Fasersonde
durch ein enges Lumen z.B.
im Arbeitskanal von Endoskopen sowie
die Fasersonde mit seitlicher, fokussierter
Abstrahlung wurden entwickelt und
erfolgreich getestet. Die verwendeten
Schlauchmaterialien der Endoskope sind
fluoreszierend, weshalb eine zeitaufgelöste
Fluoreszenzmessung zum Einsatz
kommt, die mit hoch repetitiven kurzen
Messpulsen eine Erkennung von Proteinbelegungen
ermöglicht.
Weiteres Vorgehen
Im weiteren Projektverlauf werden wir
die Laboraufbauten charakterisieren und
die erzielbaren Grenzkonzentrationen in
anwendungsnahen Szenarien überprüfen.
Der Industriepartner hat einen Demonstrator
entwickelt. Erste Testmessungen
liefen erfolgreich. Die Ergebnisse weiterer
Feldversuche werden mit den Verantwortlichen
für Reinigungskontrolle diskutiert.
Biomedizinische Optik
39

40 Biomedizinische Optik
Die Arbeiten wurden mit Unterstüt-
zung durch das Bundesministerium für
Bildung und Forschung durchgeführt
(FKZ 01 RI 0645 A).
LITERATUR
[1] H. Südmeyer, F.-J. Schmitt, H.-J. Cappius and
H. J. Eichler: “Laser induced fluorescence for
contamination control“, IV. International Conference
on Laser Processes and Components,
Shanghai March 17th- 18th 2009
[2] F.-J. Schmitt, H. Südmeyer, K. Reineke, I. Kahlen,
J. Börner, M. Schöngen, P. Hätti, H. J. Eichler,
H.-J. Cappius: “Fast and non-invasive optical
study of protein films on surfaces“, DPG 2010,
Regensburg, 21.3.2010-26.3.2010
Kontakt
Dipl.-Ing. Hans-Joachim Cappius
Technischer Leiter
h.cappius(at)LMTB.de
Dipl.-Phys. Franz-Josef Schmitt
TU Berlin
schmitt(at)physik.tu-berlin.de
Dipl.-Phys. Heinrich Südmeyer
TU Berlin
heinrich.suedmeyer(at)tu-berlin.de
Hans-Joachim Cappius, Franz-Josef Schmitt, Heinrich Südmeyer
Optische Reinigungskontrolle

Uwe Netz
Optical imaging of rheumatoid arthritis
Over a period of more than 10 years, the
optical tomography of small joints with
rheumatoid arthritis has been the focus of
collaboration between the group of Prof.
Beuthan at Charité-Universitätsmedizin
Berlin and Prof. Hielscher at Columbia
University, New York. During this period,
several instruments for clinical use have
been realized and tested in cooperation
with Prof. Müller at the Uniklinikum in
Göttingen. The current project uses GHz
modulation of laser light intensity to monitor
changes in scattering and absorption
more sensitively. First reconstructions
have shown an improved classification of
diseased joints compared to previous instruments.
Die Rheumatoide Arthritis (RA) zerstört
in Entzündungsschüben auf schmerzhafte
Weise Gelenkknorpel und -knochen.
Eine Früherkennung ist Voraussetzung
für einen zielgerichteten und schnell wirkenden,
kontrollierten Therapieansatz.
Im Frühstadium der RA zeigen entzündete
Gelenke deutliche Veränderungen der
optischen Eigenschaften, also der Lichtabsorption
und Lichtstreuung, in den Gelenkbestandteilen.
Mittels nicht-invasiver
optischer Bildgebung ist es somit möglich,
die funktionellen und morphologischen
Veränderungen im Gelenk ohne Gabe von
Früherkennung der
rheumatoiden Arthritis
Kontrastmitteln darzustellen. Dies stellt
eine wertvolle Ergänzung in der Diagnose
und der Therapiekontrolle bei RA-Patienten
dar.
In einer über zehnjährigen Zusammenarbeit
mit der AG Medizinische Physik und
Optische Diagnostik von Prof. Beuthan
an der Charité und der Gruppe um Prof.
Hielscher, Departments of Biomedical Engineering
and Radiology, Columbia University,
New York, wurde zunächst ein
neues optisch-tomographisches System
entwickelt, welches eine zweidimensionale
Bildgebung der Verteilung der optischen
Parameter in Fingergelenken ermöglicht.
Ein Laser-Scanner (SLOT – Sagittal Laser
Optical Tomography) erfasst orts- und
winkelabhängig die Streulichtverteilung
an den Gelenken. Diese optischen Signale
werden einem Verfahren zur Rekonstruktion
von tomographischen Schnittbildern
der durchleuchteten Ebene zugeführt.
Der Scanner wurde nach den Bedürfnissen
klinischer Untersuchungen aufgebaut
und eine erste klinische Evaluation durchgeführt,
zusammen mit der Abteilung für
Nephrologie und Rheumatologie von Prof.
Müller an der Georg-August-Universität
Göttingen. In den Untersuchungen konnten
mit SLOT im Vergleich mit klinischen
und Ultraschall-Befunden Gelenke sicher
als entzündet beurteilt werden.
Biomedizinische Optik
41

42 Biomedizinische Optik
Früherkennung der
rheumatoiden Arthritis
Uwe Netz
Klinische Evaluation des optischen GHz-Tomohängig
beim Gelenkdurchtritt verformt
wird und mit einem ebenfalls ultraschnell
modulierbaren Flächendetektor und intelligenter
Analysetechnik detektiert wird.
Amplituden- und Phasenänderung durch
das Gelenk werden nach ortsabhängiger
Messung zum tomographischen Bild umgerechnet.
Zusätzlich wurde mit einem
speziell entwickelten 3D-Laserscanner die
Oberflächengeometrie des Fingers erfasst
graphen
und für die Rekonstruktion der optischen
Parameter im Gelenk zu einem 3D-Modell
Optische GHz-Tomographie
des Fingers aufbereitet. Wie schon in vor-
Im Anschluss wurden in einer Fortsetzung herigen Projekten arbeitete die Arbeits-
der Kooperation eine Verbesserung des gruppe in New York an der Mathematik
Bildkontrastes sowie der Ortsauflösung zur Rekonstruktion, die klinische Evaluati-
und damit eine verbesserte Empfindlichon wurde wieder am Uniklinikum Göttinkeit
gegenüber frühen Gelenkverändegen durchgeführt.
rungen angestrebt. Dazu wurde ein neues Für eine verbesserte Einordnung der Pa-
tomographisches Verfahren eingesetzt, tienten in verschiedene Klassen (Gruppen
welches die Phasenbeziehungen von von Symptomen) wurden sowohl Ultra-
hochfrequent modulierter Laserstrahlung schall- als auch Kernspintomographiebil-
analysiert und dabei sehr empfindlich auf der der untersuchten Finger ausgewertet.
Änderung der Absorptions-
und Streuparameter
im Gelenk reagiert. Aus
einem Laserstrahl wird
dabei durch Modulation
bis in den GHz-Bereich
eine periodisch pulsierendePhotonendichtewelle
(PDW) erzeugt, deren
3D-Fingerscanner und Optische Tomogramme eines gesunden (oben) und
Wellenfront gewebeab- arthritischen Fingers (unten), Darstellung des Absorptionskoeffizienten.

Uwe Netz
Im Ergebnis konnte eine im Vergleich zur
vorherigen Studie verbesserte dreidimensionale
Darstellung der optischen Parameter
sowie eine erhöhte Sensitivität und
Spezifität des Verfahrens erreicht werden.
Die Arbeiten zur optischen Tomographie
an Fingergelenken werden zusammen mit
der Charité und der Columbia University
mit Unterstützung durch das „National
Institute of Arthritis and Musculoskeletal
and Skin Diseases“ (NIAMS), USA, durchgeführt
(Grant-Nr. R01-AR-46255).
LITERATUR
[1] A. K. Scheel, M. Backhaus, A. D. Klose, B. Moa-
Anderson, U. J. Netz, K.-G. A. Hermann, J. Beuthan,
G. A. Müller, G. R. Burmester, A. H. Hielscher:
“First clinical evaluation of sagittal laser
optical tomography for detection of synovitis
in arthritic finger joints”, Ann. Rheum. Dis. 64,
239-245 (2005)
[2] U. J. Netz, J. Beuthan, A. H. Hielscher: “Multipixel
system for gigahertz frequency-domain
optical imaging of finger joints”, Rev. Sci. Instrum.
79 (3), 034301 (2008)
Kontakt
Dr. rer. medic. Uwe Netz, Dipl.-Phys.
wissenschaftlicher Mitarbeiter
u.netz(at)LMTB.de
Früherkennung der
rheumatoiden Arthritis
Biomedizinische Optik
43

44 Biomedizinische Optik
Mobiles In-vivo-Laserscanningmikroskop
Mobile in vivo laser scanning microscope
Confocal laser scanning microscopy (cLSM)
is a powerful tool for in vivo imaging of tissue
to depths of about 150 μm. However
the requirements for in vivo use cannot be
met with table top microscopes. Therefore
a cLSM was designed which can excite
indocyanine green (ICG) at a wavelength
of 682 nm with an emission wavelength
between 730 nm and 850 nm. The excitation
light is used in parallel for the acquisition
of reflectance images.
Die konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie
(cLSM) ist ein leistungsfähiges Verfahren
zur Darstellung kompakter Gewebestrukturen.
Dabei werden mit konventionellen
Tischmikroskopen Darstellungen von Gewebebereichen
bis zu etwa 150 µm Tiefe
erzielt.
Konfokale Mikroskope in der In-vivo-
Diagnostik
Neben der unbestrittenen Leistungsfähigkeit
dieser Mikroskope sind die Anforderungen
für einen In-vivo-Einsatz häufig
nur ungenügend erfüllt. Dies betrifft insbesondere
die Fragen der Zugänglichkeit
des Untersuchungsfeldes und der Handhabung
der Geräte. Daher gib es seit einiger
Zeit Bemühungen, das leistungsfähige Verfahren
der konfokalen Mikroskopie durch
Miniaturisierung und Flexibilisierung auch
Rijk Schütz, Ingo Gersonde, Jürgen Helfmann
Schematische Darstellung des Prinzips der konfokalen
Laser-Scanning-Mikroskopie.
in einem breiteren Umfang für die In-vivo-
Diagnostik verfügbar zu machen [1].
Das Spektrum dieser Bemühungen reicht
von der Miniaturisierung konventioneller
Komponenten über den Einsatz distal angeordneter
Faserbündel in Endoskopen
oder piezoelektrisch bewegten Single-Mode-Fasern
zum Scannen bis hin zu MEMSbasierten,
elektrostatisch getriebenen
Mikroscannern. Letzteres stellt einen Ansatz
dar, der in der LMTB über Jahre hinweg
verfolgt wurde [2]. In diesem Bereich
wurde von der LMTB mit verschiedenen
Partnern ein umfangreiches Know-how
gewonnen.
Das zum Einsatz kommende Verfahren
für die mikroskopische Bildgebung ist das
oben gezeigte Prinzip der konfokalen Laser-Scanning-Mikroskopie.
Das von einem
Laser stammende Beleuchtungslicht wird
über eine Single-Mode-Faser zu einer in

Rijk Schütz, Ingo Gersonde, Jürgen Helfmann
Mobiles In-vivo-Laserscanningmikroskop
zwei Achsen ablenkenden Scannereinheit
geführt. Der abgelenkte Strahl wird über
ein Mikroskopobjektiv auf das zu untersuchende
Areal abgebildet. Das entstehende
Fluoreszenz- und Reflexionslicht wird
auf dem umgekehrten Weg in die Faser
eingekoppelt und durch entsprechende
Strahlteiler jeweils einem Detektor zugeführt.
Durch die Ortszuordnung der Signale
entstehen schließlich ein Fluoreszenzund
ein Reflexionsbild.
Die Faser fungiert in diesem Prinzip als
konfokale Blende, wodurch sowohl in lateraler,
als auch in axialer Richtung eine
erhöhte Auflösung erzielt wird und Licht
von außerhalb der Beobachtungsebene
effizient unterdrückt wird.
Das für das oben beschriebene Prinzip erforderliche
Miniaturobjektiv ist von der
LMTB entwickelt und anschließend gefertigt
worden. Damit sind bei einer Baugröße
von 5 mm Durchmesser und 7 mm Länge
Lissajous-Pattern infolge der harmonischen Auslenkung
des zweiachsigen Mikrospiegels.
beugungsbegrenzte Abbildungen in einem
Bildfeld von 300 µm x 300 µm mit
einer lateralen Auflösung von besser als
1 µm erzielbar. Die realisierte Tiefenauflösung,
also in axialer Richtung, liegt unter
10 µm. Durch Veränderung der Faserposition
kann das Bildfeld innerhalb des Gewebes
in verschiedene Tiefen verschoben
werden, womit dreidimensionale Bildinformation
gewonnen wird.
Das Herzstück der Scannereinheit bildet
ein kardanisch aufgehängter, elektrostatisch
angetriebener Mikrospiegel (IPMS
Dresden), welcher um beide Achsen resonant
schwingt. Die daraus resultierende
Lissajous-Trajektorie (vgl. Abbildung)
rastert in einem Durchlauf (ca. 1–2 s) das
gesamte Bildfeld in hoher Auflösung ab.
Die aus dem Antriebsprinzip des Spiegels
resultierende Bewegung stellt im Gegensatz
zu klassischen Zeilenscannern eine
Besonderheit unseres Ansatzes dar. Die
2D-Bildinformation ist nach der Datenerfassung
für die Darstellung zu rekonstruieren,
und es sind besondere Anforderungen
an die Steuerelektronik bzgl. verschiedener
Phasenlagen zu beachten.
Das skizzierte System ist weitestgehend
variabel in seinen grundsätzlichen Einsatzparametern.
Für spezielle Anwendungen
im dermatologischen Bereich wurde neben
den genannten optischen Auflösun-
Biomedizinische Optik
45

46 Biomedizinische Optik
Rijk Schütz, Ingo Gersonde, Jürgen Helfmann
Mobiles In-vivo-Laserscanningmikroskop
gen Wert auf die Anregbarkeit von Indo-
cyangrün (ICG) bzw. der Detektierbarkeit
von dessen Fluoreszenz im Bereich zwischen
730–850 nm gelegt. Das Objektiv
wurde für eine Gewebetiefe von 100 µm
optimiert, wobei eine geringe Bildfeldkrümmung
(Positionsabweichung nur wenige
µm) für den Einsatz in kompaktem
Gewebe zugelassen wurde.
Die Miniaturisierung und Umsetzung des
beschriebenen Ansatzes stellte eine Reihe
technologischer und interdisziplinärer Herausforderungen
dar, insbesondere beim
Anschwingen des Spiegels und der Bilddarstellung.
Im Ergebnis ist eine vielseitig
einsetzbare Scannerplattform entstanden.
Eine erste Umsetzung dieses MiniaturcLSM
für spezielle dermatologische Fragestellungen
zeigt folgende Abbildung als
Prototyp.
Prototyp eines miniaturisierten konfokalen LSM
für dermatologische Anwendungen.
Die nachfolgende Abbildung zeigt einen
optischen Schnitt von massiver, kompakter
Schweinehaut in 50 µm Tiefe als Fluoreszenzbild
nach ICG-Färbung und Anregung
mit 682 nm. Die Fluoreszenz wurde
oberhalb von 730 nm erfasst.
Fluoreszenzdarstellung intakter Schweinehaut
nach ICG-Färbung (200 µm x 200 µm) in 50 µm
Tiefe.
Die folgenden Abbildungen zeigen exem-
plarisch Zellkulturen auf planen Trägern
abgebildet durch das miniLSM.
Remissionsdarstellung von CHO-Zellen auf planem
Träger, Bildfeld 200 µm x 200 µm.
Die erzielten Ergebnisse zeigen die Möglichkeiten
der Miniaturisierung des konfokalen
bildgebenden Verfahrens und der
dadurch erreichbaren Mobilität und Flexibilität.
Die hier gezeigten Aufnahmen aus

Rijk Schütz, Ingo Gersonde, Jürgen Helfmann
Mobiles In-vivo-Laserscanningmikroskop
Fluoreszenzdarstellung von CHO-Zellen auf planem
Träger, Bildfeld 370 µm x 370 µm.
den Bereichen der Dermatologie und der
Zelluntersuchungen stellen nur einen kleinen
Ausschnitt der möglichen zukünftigen
Einsätze dar. Die Integration einer automatisierten
Faserverschiebung lässt neben
der Erfassung eines „optischen Schnittes“
auch die automatisierte Generierung von
Bildstapeln und damit eine dreidimensionale
Bildgebung zu.
Angepasste Objektive oder Strahlungsquellen
ermöglichen neben dem biologischen
Einsatz auch eine Vielzahl technischer
Anwendungen, z.B. im Bereich der
Prozesskontrolle.
Die Arbeiten wurden mit Unterstützung
durch den Berliner Senat, kofinanziert
mit Mitteln der EU (EFRE), durchgeführt
(FKZ 10129002 und 10129003).
LITERATUR
[1] J. Helfmann, R. Schütz, I. Gersonde, G. Illing:
“MEMS-based confocal laser scanning microscope
for in vivo imaging”, in Photonic Materials,
Devices, and Applications III. Proc. SPIE
7366, pp. 73671P-73671P-6, 2009
[2] U. Hofmann, S. Mühlmann, M. Witt, K. Dörschel,
R. Schütz, and B. Wagner: “Electrostatically
driven micromirrors for a miniaturized
confocal laser scanning microscope” in Miniaturized
Systems with Micro-Optics and MEMS,
Proc. SPIE 3878, pp. 29–38, (Santa Clara),
1999.
Kontakt
Dipl.-Ing. Rijk Schütz
wissenschaftlicher Mitarbeiter
r.schuetz(at)LMTB.de
Biomedizinische Optik
47

48 Biomedizinische Optik
Optical Screening in Drug Development
Optisches Screening für die
molekulare Wirkstoffforschung
Molecular drugs for diagnostics and therapy
have to fulfill many criteria among
which are certain properties of affinity,
chemical resistance and binding kinetics.
The most common technology for finding
suitable molecules is high throughput
screening. In a different approach we use
molecular evolution of peptides in order
to save time in the development of new
molecules with optimized properties.
For this purpose optical readout devices
are required that are capable of measuring
the kinetics of whole peptide libraries,
are highly sensitive and are able to measure
label free.
The highly sensitive measurement of kinetics
uses total internal reflection fluorescence
excitation and detection (TIRF).
When certain affinities are looked after,
label free detection of the kinetics based
on interference spectroscopy can be used
preferentially.
Bei der Suche nach geeigneten Molekülen
zum Einsatz für die Diagnostik und Therapie
müssen in der Wirkstoffforschung Eigenschaften
wie Bindekonstante, chemische
Beständigkeit und Reaktionsgeschwindigkeit
quantitativ ermittelt werden. Diese
Größen müssen hochempfindlich und parallel
an mehreren Messspots gleichzeitig
erfasst werden. Das Standardverfahren
Jürgen Helfmann, Rijk Schütz, Ihar Shchatsinin
hierfür ist die Fluoreszenzmarkierung eines
Reaktionspartners und der Nachweis
dieser Fluoreszenz. Der Vorteil ist die einfache
Handhabung und die hohe Empfindlichkeit.
Der Nachteil ist die Notwendigkeit
der chemischen Kopplung eines Fluorophors
an das gesuchte Molekül, welche
das chemische Verhalten des Wirkstoffs
beeinflusst und damit zu falschen Ergebnissen
führen kann. Deshalb strebt man
einen Label-freien Nachweis an, der diesen
Nachteil nicht aufweist. Dafür muss
in der Regel in Kauf genommen werden,
dass die Empfindlichkeit nicht so hoch ist,
wie bei der Detektion per Fluoreszenz.
Die LMTB arbeitet in einem Verbund (Ver-
bund PLOMS sowie Nachfolgeverbund
OPTOPROBE) an der Etablierung einer
Plattform zur Wirkstoffforschung auf der
Basis von Peptiden - unser Beitrag hierbei
ist der optische Nachweis beim Screening
von Bibliotheken. Für den hochempfindlichen
Nachweis bei geringer Affinität wird
die Fluoreszenz genutzt. In Epifluoreszenzanordnung
werden Endpunktbestimmungen
von Reaktionen durchgeführt
und in evaneszenter Anregung können
Kinetiken erfasst werden. Bei geringerer
Empfindlichkeit, aber dafür ohne Fluoreszenzlabel,
kann durch interferometrischen
Nachweis im Bereich größerer Affinität gemessen
werden (Projekt LAFA).

Jürgen Helfmann, Rijk Schütz, Ihar Shchatsinin
Peptidchip-Plattform
Durch die „SPOT Synthese“ können aus
Aminosäuren ortsabhängig auf einem
Substrat Peptidbibliotheken unterschiedlicher
Sequenz aufgebaut werden. In der
Peptidchip-Plattform geschieht dies in
Glas-Kapillarplatten, die eine große innere
Oberfläche und damit eine große Empfindlichkeit
aufweisen. Weitere Vorteile
gegenüber der herkömmlichen Synthese
auf Zellulose bestehen in einem geringen
Fluoreszenzuntergrund, geringer Verdunstung,
guter Homogenität und günstigen
mikrofluidischen Eigenschaften.
Ziel eines Screenings ist das schnelle Auffinden
von Molekülen mit gewünschten
Eigenschaften. Im Gegensatz zu herkömmlichen
Ansätzen des „High Throughput
Screening“, das das Synthetisieren und
Untersuchen von vielen zufälligen Mole-
Molekulare Evolution von Peptiden zur Optimierung
der Eigenschaften einer Molekülbibliothek
(Abbildung mit Genehmigung der Laborgruppe
Mukosaimmunologie, Forschungszentrum Borstel).
Optisches Screening für die
molekulare Wirkstoffforschung
külen bedeutet, gehen wir in Anlehnung
an die molekulare Evolution des Immunsystems
zielgerichtet vor. Ausgehend von
einer Bibliothek von Leitsubstanzen werden
durch Kreuzung und Mutation der
besten Peptide von Generation zu Generation
die gewünschten Eigenschaften
verbessert. Insgesamt wird dadurch die
Anzahl der notwendigen synthetisierten
Peptide drastisch verringert und das Auffinden
von Peptiden mit gewünschten Eigenschaften
deutlich beschleunigt [1,2].
Für einen effizienten Evolutionsprozess ist
ein empfindliches und möglichst auch Label-freies
Nachweisverfahren notwendig.
Fluoreszenznachweis
Der Nachweis einer Gleichgewichtsbindekonstante
geschieht durch die Kopplung
eines Fluoreszenzlabels an ein Zielmolekül.
Das gelöste Zielmolekül wird bei definierten
Konzentrationen mit der Peptidbibliothek
in Kontakt gebracht und nachfolgend
wird mit einer Waschlösung gespült. Durch
eine einfache Fluoreszenzmessung mit einer
Kamera in Epifluoreszenzanordnung
wird der Gleichgewichtszustand der Bindung
an der Bibliothek quantitativ erfasst
und kann für die molekulare Evolution als
Qualitätskriterium genutzt werden.
Soll auch die Reaktionskinetik, also die
Hin- und Rückreaktionskonstante erfasst
werden, so muss zeitabhängig während
der Inkubation mit Ziellösung und während
Biomedizinische Optik
49

variable
Konzentration
Zielmolekül
Waschlösung
Laser Laser Laser
50 Biomedizinische Optik
Jürgen Helfmann, Rijk Schütz, Ihar Shchatsinin
Optisches Screening für die
molekulare Wirkstoffforschung
Kamera
Durchflussküvette
Waste
Molekulare Evolution von Peptiden zur Optimierung
der Eigenschaften einer Molekülbibliothek
(Abbildung mit freundlicher Genehmigung von
B. Frey und A. Frey, FZ Borstel).
des Ablösens der Zielmoleküle durch Spülen
mit Waschlösung, gemessen werden.
Da bei der Inkubation fluoreszenzmarkierte
Zielmoleküle in der Lösung (über den
an der Bibliothek gebundenen Zielmolekülen)
durch eine Fluoreszenzmessung
mit erfasst werden, würde eine fehlerhafte
Messung mit sehr großem Untergrund
resultieren. Deshalb wird in diesem
Fall die Fluoreszenz evaneszent über ein
Koppelprisma durchgeführt (TIRF), wie in
obiger Abbildung gezeigt. Die Anregungsintensität
klingt hierbei exponentiell mit
der Eindringtiefe von nur ca. 200 nm in
die Zielmoleküllösung über der Peptidbibliothek
ein und regt dabei nur einen sehr
geringen Anteil gelöster Zielmoleküle an,
deren Fluoreszenz als Untergrund abgezogen
werden kann.
Label-freier Nachweis
Während der molekularen Evolution von
Peptiden besteht das Risiko, dass die Fluoreszenzmarkierung
die Bindungseigenschaften
beeinflusst. Deshalb wird bei
ausreichender Affinität auf einen Labelfreien
Nachweis gewechselt. Hierfür kann
als Eigenschaft der Brechungsindex der
Moleküle genutzt werden, die sich an
die Peptidbibliothek anlagern, der sich
von dem des verdrängten Lösungsmittels
unterscheidet. Es wird Weißlicht in einer
Reflexionsanordnung bestehend aus Peptidbibliothek
und Durchflusszelle eingestrahlt.
Das resultierende reflektierte Licht
wird über einen Bandpassfilter von einer
Kamera erfasst.
Kamera
Reflexion
Filter
Ventile
Ziel-
Molekül
Brechungsindex 1,33
Brechungsindex 1,3301
700 700.2 700.4 700.6
Wellenlänge / nm
Durchflusszelle
Lichtquelle
z.B. LED
Strahlteiler
Kapillarplatte
Schematischer Aufbau für die interferometrische
Detektion sowie beispielhafte berechnete Reflexionsspektren
bei unterschiedlicher Bindung.

Jürgen Helfmann, Rijk Schütz, Ihar Shchatsinin
Durch eine schnelle Variation der Durchlasswellenlänge
des Filters können ortsabhängige
Spektren aufgezeichnet werden,
aus denen die Anlagerung von Zielmolekülen
an die Peptidspots ermittelt werden
kann.
Die Arbeiten wurden mit Unterstützung
durch das Bundesministerium für Bildung
und Forschung (FKZ 13N10501, 13N8471)
und durch das Bundesministerium für Wirtschaft
und Technologie (FKZ VF090032)
durchgeführt.
LITERATUR
[1] N. Rockendorf, J. Helfmann, N. Fujimoto, K.
Wehry, M. Bürger, A. Frey: “Peptide-based optical
contrast agents for targeting of intestinal
malignancies“, in: J. Popp, G. von Bally, (Ed)
Biophotonics 2007: Optics in Life Science. Munich,
Germany: SPIE; 2007 p. 66332A-9.
[2] J. Helfmann, U. Bindig, B. Meckelein, K. Wehry,
N. Röckendorf, D. Schädel, M. Schmidt, M.
Bürger, A. Frey: “Early Diagnosis of Cancer“,
in: J. Popp, M. Strehle: Biophotonics: visions
for better health care. Weinheim: Wiley-VCH;
2006 p. 231-300.
Kontakt
Dr. rer. nat. Jürgen Helfmann
Forschungsleiter Biomedizinische Optik
j.helfmann(at)LMTB.de
Optisches Screening für die
molekulare Wirkstoffforschung
Biomedizinische Optik
51

Fluorescence imaging
52 Biomedizinische Optik
Intraoperative Fluoreszenzbildgebung
Molecular imaging indicates a paradigmatic
change in modern medical imaging.
Target specific contrast media and sensors
are used to demonstrate functional
and biochemical changes in tissue, in addition
to the morphological image of a
selected region. Fluorescence imaging, as
an example of Optical Molecular Imaging,
is used for the pre-clinical investigation of
molecular medical processes in small animal
imaging, and the development of new
fluorescence contrast media, particularly
in the near infrared spectral region (NIRF).
These indicators, which mark pathological
tissue regions, also aid intra-operative
orientation; they allow the surgeon to
remove as little tissue as necessary, but
enough to prevent a relapse.
Imaging modalities, developed at the
LMTB for small animal imaging i.e. surgical
microscopy, endoscopy and handheld
cameras, cover the entire spectrum of relevant
fluorophores (the body’s own fluorophores,
fluorescent proteins, photosensitizers,
and contrast media).
One example is intraoperative sentinel
lymph node detection in gastroenterological
surgery. A compact NIRF handheld device
was developed for simultaneous fluorescence
and native imaging.
A system is currently being developed for
the tomographic imaging of fluorophores
Uwe Netz, Tilmann Häupl
in surface-near tissue regions for use in
the detection of skin cancer.
Der Begriff Molecular Imaging steht für
einen Paradigmenwechsel in der modernen
medizinischen Bildgebung: Über das
morphologische Abbild des Situs hinaus
werden unter Einsatz targetspezifischer
Kontrastmittel und Sensoren auch funktionelle,
biochemische Veränderungen in
Geweben darstellbar.
Die Fluoreszenzbildgebung als optische
Methode der molekularen Bildgebung ist
zum einen ein effektives Mittel der vorklinischen
Erforschung molekularer Prozesse
auf Zellebene und der Entwicklung neuer
spezifischer Kontrastmittel. Zum anderen
ist über Nahinfrarot-Fluoreszenz (NIRF)
die selektive Anfärbung pathologischer
Gewebeareale möglich, die dem Chirurgen
durch Einsatz intraoperativer Bildgebung
eine schnelle Orientierung im Operationsfeld
gestattet. Dadurch können z.B.
Tumorexzisionen patientenschonend auf
das nötige Maß beschränkt werden.
Von der LMTB entwickelte Bildgebungsmodalitäten
für Kleintierbildgebung,
Operationsmikroskopie, Endoskopie und
Handkameras decken das gesamte Spektrum
der relevanten Fluorophore ab (körpereigene
Fluorophore, fluoreszierende
Proteine, Photosensibilisatoren und Kontrastmittel).

Uwe Netz, Tilmann Häupl
Intraoperative Fluoreszenzbildgebung
Ein Beispiel für die intraoperative Bildgebung
ist die Detektion von Wächterlymphknoten
in unmittelbarer Nachbarschaft
eines Tumors. Das schnelle Auffinden der
Lymphknoten durch die Bildgebung eines
NIR-Fluoreszenzfarbstoffes beschleunigt
die Erstellung eines pathologischen Befundes
zum Status des Tumors und kann
eine Entscheidung über das Ausmaß des
Eingriffs noch während der laufenden
Operation ermöglichen.
3-Kanal-Fluoreszenz-Handkamera
Hierzu wurde eine kompakte Kamera als
NIRF Handheld Device entwickelt. Die
gleichzeitige Aufnahme von Nativbild
und zwei spektral getrennten NIR-Fluoreszenzbildern
ermöglicht die überlagerte
Darstellung von Nativbild und farblich
kodierter Fluoreszenz in Echtzeit. Damit
steht dem Anwender in einem Livebild
die morphologische und funktionelle In-
Kompakte Handkamera mit Weißlichtkanal (RGB) und zwei NIR-Kanälen.
Erfolgreiche Resektion von Wächterlymphknoten,
oben links: Weißlichtbild, oben rechts: Überlagerungsbild,
unten links: Fluoreszenz von Indocyaningrün
(ICG) im NIR-Kanal 2, unten rechts: NIR-Kanal 1,
hier Anregungslicht für ICG-Fluoreszenz.
formation zur gleichzeitig Verfügung. Die
Empfindlichkeit der Fluoreszenzdetektion
liegt für alle relevanten Farbstoffe im Bereich
weniger nmol/L.
Ein weiterer Anwendungsbereich ist das
Monitoring der Photodynamischen Therapie
(PDT) z.B. von Tumoren der Haut. Die
meist über die Haut verabreichte Vorstufe
des Photosensibilisators
reichert sich im
Tumorgewebe an,
wandelt sich um und
führt bei Bestrahlung
mit intensivem Laserlicht
durch Erzeugung
von reaktiven Sauerstoffverbindungen
im Gewebe zur Zerstörung
des Tumors.
Biomedizinische Optik
53

54 Biomedizinische Optik
Die gleichzeitig vom Photosensibilisator
abgestrahlte NIR-Fluoreszenz lässt sich
intraoperativ ebenfalls über einen Fluoreszenzkanal
des Handheld Devices darstellen
und erlaubt so eine Einschätzung
des Abbaus des Photosensibilisators und
damit des Therapiefortschritts.
Im Projekt OptiTom (Diffus-optische Fluoreszenz-Tomographie
zur funktionellen
Gewebediagnostik in der minimal-invasiven
und interventionellen Medizin), das
im Rahmen des Programms zur Förderung
von Forschung, Innovationen und Technologien
(ProFIT) der Investitionsbank Berlin
durchgeführt und von der Europäischen
Union (EFRE) kofinanziert wird, sollen
grundlegende Möglichkeiten der dreidimensionalen
Darstellung von oberflächennahen
Fluoreszenzquellen beispielsweise
zur Erkennung von Hautkrebs auch im
Hinblick auf die Entwicklung und zukünftige
Verfügbarkeit spezifischer Marker untersucht
werden.
Kontakt
Dr. rer. medic. Uwe Netz, Dipl.-Phys.
wissenschaftlicher Mitarbeiter
u.netz(at)LMTB.de
Uwe Netz, Tilmann Häupl
Intraoperative Fluoreszenzbildgebung

Karsten Liebold, Jürgen Helfmann
CO 2 -Laser-Alternativen in der Chirurgie
Alternatives to the CO 2 laser in surgery
As CO 2 lasers (10.6 µm), which are usu-
ally used for tissue cutting and ablation,
cannot make use of fibers for beam guidance,
investigation of the wavelengths in
the range of the high water absorption
(around 1,500 nm) is important for new
laser systems. To this end, tissue effects
have been simulated for the development
of new high power long-wave lasers and
drafts have also been made for applicators
for various applications.
Das Schneiden und Abtragen von biologischem
Gewebe mit dem Laser erfordert
eine hohe Absorption der Strahlung im
Gewebe. Mit ihrer sehr hohen Absorption
in dem im Gewebe enthaltenen Wasser
sind deshalb langwellige CO -Laser die
2
etablierten Systeme. Von großem Nachteil
ist jedoch, dass für ihre Wellenlänge von
10,6 µm keine für die medizinische Anwendung
brauchbaren Lichtleitfasern existieren.
Es muss mit relativ unhandlichen
Spiegelgelenkarmen gearbeitet werden,
was insbesondere die minimal-invasiven
Anwendungsmöglichkeiten fast vollständig
ausschließt. Für die Entwicklung neuer
Lasersysteme ist daher das Absorptionsmaximum
des Wassers bei Wellenlängen
um 1.500 nm sehr interessant, für die es
geeignete Fasern gibt.
Innerhalb eines Verbundprojektes zur Entwicklung
fasergekoppelter Diodenlaser in
diesem Wellenlängenbereich ist es die
Aufgabe der LMTB, anhand von Gewebemessungen
und Simulationen die optimalen
Zielparameter für ein solches System
zu ermitteln, Applikatoren, unter anderem
auch für die minimal-invasive Anwendung,
zu entwerfen, aufzubauen und abschließend
medizinisch zu validieren.
Simulation der Gewebewirkung
Ausgangsdaten für die Simulation zur Bestimmung
der Zielparameter liefern an
der LMTB durchgeführte Messungen der
optischen Eigenschaften von für die Anwendung
typischen Geweben. Die Monte-
Carlo-Simulation liefert die Lichtausbreitung
im Gewebe und wird in Verbindung
mit einem Model zur Wärmeleitung und
temperaturabhängigen Gewebeschädigung
zur Ermittlung der Laserwirkung genutzt.
Von vorrangigem Interesse für den Entwickler
ist vor allem die Bestimmung der
Laserparameter, die eine bestimmte Größe
und Form des Gewebeabtrags erzeugen
(flache Form für flächigen Abtrag,
tiefe, sehr schmale Form zum Trennen /
Schneiden) und die Ausbildung und Breite
des Koagulationssaumes beeinflussen, in
dem durch die thermisch induzierte Kontraktion
eine Blutung aus Gefäßen unterbunden
wird.
Biomedizinische Optik
55

0,6
0,4
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
56 Biomedizinische Optik
Karsten Liebold, Jürgen Helfmann
CO 2 -Laser-Alternativen in der Chirurgie
mm 3
Abtragsvolumen in mm
Abtragsdurchmesser in mm
3
Abtragsvolumen in
Abtragsdurchmesser in mm
Abtragstiefe in mm
Abtragstiefe in mm
80 40 20 10 5 2,5
Leistung in W
Abhängigkeit von Abtragsvolumens und -geometrie
von der Leistung bei einer Applikationszeit von 0,03 s
und einem Spotdurchmesser von 600 µm. Einfluss einer Kühlung der Gewebeoberfläche
auf die Applikation: oben Oberfläche an Luft, un-
0,6
Koagulationssaum radial radial in mm in mm
Koagulationssaum axial in mm
Koagulationssaum axial in mm
ten Oberfläche auf 20 °C gekühlt (20 W, 0,03 s,
200 µm); hellrot: Koagulation, dunkelrot: Desikkation,
grau: Karbonisation/Vaporisation.
0,4
0,2
0,0 40 20 80 40 10 20 10 5 5 2,5 2,5
Leistung in W
Leistung in W
0,2
0,0
Dicke des Koagulationssaumes seitlich und in der
Tiefe in Abhängigkeit von der Leistung (Applikationszeit
0,03 s, Spotdurchmesser 600 µm).
mm 3
größeren Durchmesser besser zum flächigen
Abtragen, während zum Schneiden
Durchmesser unter 300 µm anzustreben
sind. Die Kühlung der Oberfläche bewirkt
eine deutliche Verkleinerung des Abtragsvolumens,
die für das Schneiden relevante
Eingangsdaten der Simulation waren die
Abtragtiefe bleibt aber nahezu gleich.
80 Leistungs-, 40 respektive 20 Energiedichte, 10 die
Applikatoren
5 2,5
Spotgröße sowie der Leistung Einfluss in einer W Küh- Hinsichtlich der Applikation ist es üblich,
lung der Gewebeoberfläche durch eine die Faserspitze direkt als Applikator zu
Flüssigkeitsspülung, wie sie bei endosko- verwenden (Bare-Fiber) oder aber ein
pischen Anwendungen verwendet wird. Handstück mit einer zusätzlichen Optik
Im Ergebnis der Simulation zeigte sich, für das Gewebeschneiden einzusetzen.
dass für eine relevante Abtrags- und Während die Bare-Fiber einen divergen-
Schneidwirkung mittlere Laserleistungen ten Strahl abgibt, so dass sich der kleinste
von 20 W für eine Spotgröße von 600 µm Spotdurchmesser und damit die höchste
Durchmesser bis herunter zu 5 W bei Energiedichte beim Arbeiten im Kontakt-
200 µm Spotgröße notwendig sind. Hinverfahren ergibt, erlaubt es ein optisches
sichtlich der Spotgröße eigenen sich die Handstück, die Energie in einem gegebe-

Karsten Liebold, Jürgen Helfmann
CO 2 -Laser-Alternativen in der Chirurgie
nenfalls noch kleineren Spot zu konzent-
rieren, der sich in einem gewissen Abstand
von der Applikatorspitze befindet.
Für die Applikatorentwicklung wurden
deshalb für unterschiedliche Anwendungen
mehrere Optiken mit unterschiedlicher
Abbildung und Fokuslage entworfen.
Optikdesign mit drei Achromaten für ein Handstück
mit Abbildung 0,75:1, Faserdurchmesser
600 µm, NA = 0,22.
Nach Vorliegen der Spezifikationen der
von den Projektpartnern zu realisierenden
fasergekoppelten Dioden werden Handstücke
sowohl für die offene Chirurgie, als
auch für endoskopische Anwendung aufgebaut
und unter anwendungsnahen Bedingungen
getestet.
Die Arbeiten wurden im Rahmen des Programms
ProFIT durch das Land Berlin gefördert
(Projektnummer 10142248).
Kontakt
Dr. rer. medic. Karsten Liebold
wissenschaftlicher Mitarbeiter
k.liebold(at)LMTB.de
Biomedizinische Optik
57

58
Applied Laser Technology
The division Applied Laser Technology is
devoted to identifying and developing
laser processing solutions to demanding
problems. In this context, there is a clear
understanding that the Applied Laser
Technology group is required to operate
as an interface between (university) research
and (industrial) application in order
to successfully fulfill its mission. The following
working topics are presently on the
agenda at LMTB:
•
•
•
•
Microprocessing of brittle and transparent
materials
Selective removal of thin layers for the
solar industry
Laser bulk coding, either based on color
center or micro-dot formation
Development of optical components
for laser micro processing
Der Geschäftsbereich Angewandte Lasertechnik
verfolgt die Entwicklung und Implementierung
von neuen Konzepten zur
lasergestützten Mikrobearbeitung. Die
Tätigkeiten orientieren sich an der Aufgabe
einer Schnittstelle zwischen Wissenschaft
und Wirtschaft zur erfolgreichen
Umsetzung von Forschungsergebnissen
für die Laserbearbeitung. Eine wichtige
Herausforderung ist dabei die Identifizierung
bestehender Fertigungsprobleme
und eine angepasste Entwicklung alter-
Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten
Angewandte Lasertechnik
nativer Laser-Anwendungen. In engem
Kontakt mit Herstellern optischer Technologien
und Anwendern in den Bereichen
Anlagenbau, Systemintegration und
Produktion wird an einer marktgerechten
Umsetzung der von der LMTB entwickelten
laserbasierten Fertigungsverfahren
gearbeitet.
Folgende Themenschwerpunkte werden
anwenderorientiert in der Angewandten
Lasertechnik bearbeitet:
•
•
•
•
David Ashkenasi
Mikrobearbeitung spröder und transparenter
Materialien
Selektiver Abtrag dünner Schichten für
die Solarbranche
Spannungsfreie und spannungsarme
Innenmarkierung
Entwicklung von laseroptischen Systemkomponenten
für die Mikrobear-
„Micro processing of brittle and transparent materials“
Aufnahme von Ring-Ausschnitten unterschiedlichen
Durchmessers (1–10 mm) in 3 mm
starkem Floatglas mittels gepulster grüner Laserstrahlung.
Zwischenergebnisse einer laufenden
Technologiestudie zur Maximierung der Bearbeitungsgeschwindigkeit.

David Ashkenasi
Angewandte Lasertechnik
„Selective removal of thin layers for the solar industry“
Mikroskopaufnahme von zwei Abtragsspuren
(30 µm Breite) in der 2 µm dünnen CIS-Schicht
auf Molybdän (Mo) und dem Glasträger. Zwischenergebnisse
einer laufenden FuE-Studie zum selektiven
Abtrag für die Photovoltaik.
beitung
In der Mikrobearbeitung spröder und
transparenter Materialien werden Lösungen
zur präzisen Herstellung von Mikrobohrungen
und (Innen-)Konturschnitten
in Flachglas erarbeitet. Gegenwärtig wird
eine weitere Minimierung der Taktzeiten
bei Einhaltung der Präzision in der Laser-
Glasbearbeitung verfolgt.
Der selektive Laserabtrag dünner Schichten
für die Solarbranche wird an Schichtsystemen
verfolgt, an denen Isolationskanäle
derzeit noch mechanisch mittels
Nadelritzung realisiert werden. Der Einsatz
ultrakurzer Laserpulse hat aufgrund
der minimalen thermischen Eindringtiefe
ein hohes Potential für verbesserte Präzision,
kleinere und enger liegende Isolationskanäle,
und daraus folgend für den
dringend benötigten Effizienzgewinn in
der Dünnschicht-Photovoltaik.
Die Untersuchungen zur laserinduzierten
spannungsfreien bzw. spannungsarmen
Innenmarkierung sind gegenwärtig
vergleichsweise stärker wissenschaftlich
geprägt, ohne jedoch relevante industrienahe
Umsetzungsziele wie beispielsweise
fälschungssichere Innenmarkierung oder
die Herstellung von medizinischen Applikatoren
zu vernachlässigen.
Die Entwicklung von Systemkomponenten
für die Laser-Mikrobearbeitung, insbesondere
die Konstruktion und Implementierung
der Eigenentwicklung von
Laser-Trepaniersystemen hat durch das
zunehmende Anwenderinteresse von
Systemintegratoren im Berichtzeitraum
2007–2009 einen signifikanten Schub bekommen.
Für tiefe Bohrungen mit hohem
Aspektverhältnis, d.h. Mikrobohrungen in
einem relativ dicken Werkstück, muss der
Laserstrahl zusätzlich unter einem definierten
Anstellwinkel auf das Werkstück
gelenkt werden. Der Anstellwinkel des
Laserstrahls wird insbesondere dann benötigt,
wenn beispielsweise zylindrische
„Laser bulk coding, micro-dot formation“ Aufnahme
des distalen Ende eines 400-µm-Quarzlichtleiters,
in den mittels ultrakurzer Laserpulse auf einer
Länge von 10 mm über 1 Mio. Streuzentren eingebracht
wurden. Das rote Licht stammt von einem
Diodenlaser, der in den Wellenleiter geführt wurde
und (zusätzlich) an den Streuzentren aus der Faser
ausgekoppelt wird.
Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten
59

60 Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten
Angewandte Lasertechnik
„Optical components for laser microprocessing“
Aufnahme eines LMTB-Laser-Trepaniersystems
inkl. Bearbeitungsdüse (Stand Juli 2010) mit motorisierbarer
Einstellung des Bohrdurchmessers und
des Laserstrahl-Anstellwinkels auch im Betrieb.
Abmessungen: 185 x 245 x 120 mm 3 , Gewicht:
5,5 kg.
Bohrungen verlangt sind.
Die LMTB hat zu diesem Zweck Laser-Trepaniersysteme
entwickelt, die im vorgenannten
Sinne eine Schlüsselkomponente
für den effektiven Einsatz von Lasern in
der Präzisionsbearbeitung von Materialien
darstellen.
Kontakt
Dr. rer. nat. David Ashkenasi
Forschungsleiter
Angewandte Lasertechnologie
d.ashkenasi(at)LMTB.de
ALLGEMEINE LITERATUR
David Ashkenasi
J. Eichler, H. J. Eichler:
„Laser - Bauformen, Strahlführung,
Anwendungen“
7. Auflage (2010)
Springer-Verlag Berlin, Heidelberg
ISBN 978-3-642-10461-9

David Ashkenasi, Tristan Kaszemeikat
Laser processing of brittle and transpar-
ent materials
Processing of optical materials via laserinduced
microablation is becoming increasingly
attractive and may be considered
a genuine alternative to standard
mechanical and ultrasonic techniques.
We have succeeded in laser machining
different glass materials (float, soda-lime,
duran, borosilicate and optical n-BK7
glass, quartz, sapphire) utilizing versatile
diode-pumped solid state laser systems
which generate nanosecond laser pulses
at 532 nm. The laser ablation rate for
glass can exceed 100 µm per pulse yielding
surprisingly efficient processing feed
rates. For thin transparent substrates and/
or very precise processing requirements,
processing strategies using 1,000 times
shorter and less energetic picosecond laser
pulses are shifting into focus.
„Green Laser Drilling of Glass“, Bearbeitung von
3-mm-Flachglas zur Herstellung von 10-mm-Bohrung
mit gepulster Laserstrahlung bei 532 nm.
Mikrobearbeitung spröder
und transparenter Materialien
„High-Aspect Laser Drilling of Glass“, Einbringung
einer Durchgangsbohrung in einem 48 mm K9-
Glasblock. Die Bohrung wurde extra im Zentrum
aufgeweitet, um das besondere Potential dieses
Verfahrens zu unterstreichen.
Die Herstellung von Mikrobohrungen oder
Konturschnitten an Flachgläsern erfolgt im
Applikationslabor in der Regel mit kurzgepulster
Laserstrahlung bei einer Wellenlänge
von 532 nm.
Besonderer Vorteil der Bearbeitung mit
der grünen Laserwellenlänge ist es, Glas
von der rückseitigen Grenzfläche aus zu
bearbeiten, da die meisten Glassorten für
grüne Laser transparent sind. Die Abtragsraten
sind im Vergleich zur konventionellen
vorderseitigen Einkopplung um eine
Größenordnung höher. Zudem lassen sich
fast beliebig hohe Aspektverhältnisse realisieren,
da im Gegensatz zum Laserabtrag
an der Vorderseite keine Verjüngung
der Bohrung auftritt. Auch schräge Bohrungen
lassen sich realisieren. Im Laser-
Applikationslabor konnten beispielsweise
Angewandte Lasertechnik
61

62
„Laser Machining of Quartz“, Einbringung von insgesamt
12 angewinkelten 1 mm Durchgangsbohrungen
(45°) in einem 10 mm starkem Quarzsubstrat.
Angewandte Lasertechnik
Mikrobearbeitung spröder
und transparenter Materialien
Winkelbohrungen mit 0,6 mm Durchmesser
in Kalk-Natron-Glas unter Winkeln von über
60° realisieren (0° = senkrechte Bohrung).
Aber auch in härteren Werkstoffen wie
Quarz können mit diesem Verfahren auch
komplexere Strukturen realisiert werden.
Das an der LMTB entwickelte Laserver-
fahren bietet ein weites Spektrum an Vor-
teilen, die zunehmend von der Industrie
erkannt und mit unserer Unterstützung
umgesetzt werden:
Laserbohren
• Verschiedenste Formen
• Keine Begrenzung der bearbeitbaren
Glasdicke bei minimalem Durchmesser
• Minimale Randaufwölbung
• Hohe Flexibilität hinsichtlich der Kontur
• Keine Masken notwendig
David Ashkenasi, Tristan Kaszemeikat
Laserschneiden
•
•
•
Geschlossene Innenkonturen möglich
Maximale Ausbeute bei minimalem
Ausschuss
auch Dünnstglas (z.B. 100 µm) mit geringem
Ausschuss bearbeitbar
Zusätzliche Möglichkeiten
•
•
•
Partielles Abtragen
Markieren
Entfernen von Beschichtungen
Die wirtschaftliche Umsetzung und Verwertung
wird eng mit Industriepartnern
aus dem Bereich Maschinenbau und Anlagenherstellung
verfolgt. Als Meilenstein
unseres erfolgreichen Know-how- und
Technologietransfers kann die erstmalige
Präsentation einer „Grünen Laser“-Glasbearbeitungsanlage
auf der für die Glastechnik
bedeutenden Messe Glasstec 2008
in Düsseldorf durch unseren Gesellschafter
MDI-Schott AP [1] bezeichnet werden.
Das Interesse an diesem Verfahren für die
Fertigung optischer Bauelementen nimmt
erkennbar zu.
Eine wichtige Komponente der erfolgreichen
Umsetzung der Glasbearbeitung mit
kurzgepulster Laserstrahlung (532 nm) ist
der Einsatz des von der LMTB entwickelten,
industrietauglichen Trepaniersystems,
das eine schnelle Verteilung von Laserpulsen
entlang einer festgelegten Kreisbahn
ermöglicht.

David Ashkenasi, Tristan Kaszemeikat
Ein Applikationsbeispiel, das intern bereits
intensiv genutzt wird, ist das Laser-
Zuschneiden optischer Komponenten, wie
z.B. Linsen oder Schutzgläsern, die in der
Regel eine dielektrische Schicht besitzen.
Die Beschichtung bleibt bis zur Schnittfuge
vollständig erhalten, sowohl im Kernausschnitt
als auch auf dem Ausgangssubstrat.
Im AiF-Vorhaben VF081026 „Laser-Präzisionsbearbeitung
mit Plasma-Analyse“
(LAPPA) werden seit Januar 2009 die Untersuchungen
zur Laser-Mikrobearbeitung
von harten und spröden Werkstoffen (Glas
und Keramiken) intensiviert. Folgende Ziele
werden in diesem Vorhaben verfolgt:
• Realisierung zylindrischer Mikroboh-
•
rungen und -gräben (in nicht-transpa-
renten Werkstoffen).
Entwicklung einer neuen, kompakten
Trepanieroptik mit Anstellwinkel.
„Laser Processing of Optical Components“, Antireflex
beschichtetes, 1,6 mm starkes BK7 Substrat
nach dem Laserschneiden von drei ½“ Schutzgläsern.
Mikrobearbeitung spröder
und transparenter Materialien
•
Wissenschaftlich-technische Analyse
der spektralen Information
in laserinduziertem Plasma (beim
Materialabtrag) für eine zukünftige
Online-Kontrolle und -Steuerung der
Laser-Mikrobearbeitung.
NÄCHSTE SCHRITTE
•
•
•
•
Maximierung der Taktrate ohne Beeinträchtigung
der Bearbeitungsqualität
durch Optimierung der Laserparameter,
Prozessumgebung und der Bearbeitungsoptik
Übertragbarkeit der Laser-Mikrobearbeitung
auf andere, „problematische“
Werkstoffe prüfen, z.B. extrem spröde
Gläser, Verbund- und Sicherheitsglas,
Gorilla Glas, etc.
Übertragbarkeit der Laser-Mikrobearbeitung
auf Rohrglas und kleine Kapillargläsern
prüfen
Minimierung der Mikrorauigkeit bei
der Strukturierung von harten und
spröden Werkstoffen, z.B. bei der Herstellung
von Sacklöchern oder Mikrogräben
LITERATUR
[1] http://www.mdischott-ap.de/
[2] D. Ashkenasi and M. Schwagmeier: “Laser micro-drilling
and contour cutting of glass”, The
Laser User Issue 49, Winter 2007
[3] D. Ashkenasi and A. Lemke: “Exploiting internal
material reactions in glass using ultra short
laser pulses”, The Laser User Issue 55, Summer
2009, page 26-28
Angewandte Lasertechnik
63

64
[4] M. Schwagmeier, N. Müller, D. Ashkenasi:
“Laser micro machining of metal foils, ceramics
and silicon substrates”, Lasers in Manufacturing,
WLT Conf. Proc. 2009, 541-547.
Kontakt
Dr. rer. nat. David Ashkenasi
Forschungsleiter
Angewandte Lasertechnologie
d.ashkenasi(at)LMTB.de
Angewandte Lasertechnik
Mikrobearbeitung spröder
und transparenter Materialien
David Ashkenasi, Tristan Kaszemeikat

Selective removal of thin films
Direct-write laser ablation patterning of
thin functional film such as ITO on glass
and other substrates is needed for repair
applications and also, in lieu of conventional
photolithography, for device manufacturing
and in thin-film photovoltaic applications.
Thermally induced defects are
minimized in the residual material by using
picosecond (or sub-ps) laser technology.
The recent development of high repetition
rate amplified ultrafast lasers presents
interesting possibilities for thin film patterning.
A research project on selective
removal of thermally sensitive layers, such
as CIS/CIGS was started in February 2009.
In addition, industrial feasibility studies in
thin film patterning are being conducted
at the LMTB laser application laboratory.
Die Texturierung dünner Funktionsschichten
besitzt in vielen Bereichen der Industrie
eine herausragende Bedeutung. Einige Anwendungsbeispiele
sind:
•
•
•
•
•
David Ashkenasi, Andreas Lemke, Manuela Schwagmeier
Herstellung von Abisolierungskanälen
Geometrisch vordefinierter Abtrag
transparenter Halbeiterschichten
Gezielte Bearbeitung von Leiterbahnen
Abtrag dünner „low-K“-Schichten auf
thermisch und/oder mechanisch sensiblen
Trägermaterialien
Hochpräziser Abtrag dielektrischer Schichtsysteme
auf optischen Komponenten
Selektiver Abtrag dünner
Schichten für die Photovoltaik
Für eine nachhaltige wirtschaftliche Umsetzung
der technischen Vorteile von Laserbearbeitungsverfahren
an thermisch
und mechanisch „sensiblen“ Schichten
bzw. Schichtsystemen ist insbesondere
eine Minimierung der Wärme-Einflusszone
von großer Bedeutung.
Bei dem in der Dünnschicht-Photovoltaik
noch häufig genutzten mechanischen Verfahren
der Nadelritzung treten Kräfte auf,
die - ähnlich wie beim Ozean-Eisbrecher -
eine starke Ausschälung der Schichten an
den Rändern bewirkt. Ein optisch initiierter
Abtrag unter Einsatz der Pikosekunden-Lasertechnologie
hat das Potential,
Isolationsgräben schichtselektiv mit einer
deutlich höheren Präzision zu generieren,
was potentiell die Moduleffizienz verbessert
und so einen Kostenvorteil bei der
Herstellung liefert.
In dem seit Februar 2010 laufenden FuE-
Vorhaben Untersuchungen zum selekti-
Abtrag einer Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid
(CIS) Schicht von 1 µm Dicke auf Molybdän durch
Pikosekunden-Laserpulse.
Angewandte Lasertechnik
65

66
Selektiver Abtrag dünner
Schichten für die Photovoltaik
Laserinduzierte Generierung von periodischen
Mikrostrukturen auf Quarz (links) und Molybdän
(rechts).
ven Laserabtrag dünner Funktionsschichten
für die Photovoltaik (AiF/IGF 16376)
stehen folgende technischen Ziele im Vordergrund:
• Minimierung der notwendigen Isolationsbreite
(< 50 µm)
• Minimierung der Deposition von Abtragsprodukten
auf den Funktionsfeldern
• Hohe Laser-Prozessgeschwindigkeit
(> 1 m/s pro Isolationsspur)
Folgende wissenschaftlich-technische Fragestellung
werden im Vorhaben bearbeitet:
• Einfluss der Spitzenintensität und
Strahlgeometrie auf Zerstör- und Abtragsschwelle
• Einfluss von Pulsanzahl und Pulsabstand
auf Abtragsraten und Bearbeitungsqualität
Neben dem selektiven Abtrag von dünnen
Schichten ist die Oberflächen-Mikrostrukturierung,
beispielsweise die präzise
Ausbildung von periodischen Strukturen
Angewandte Lasertechnik
David Ashkenasi, Andreas Lemke, Manuela Schwagmeier
bis in den Sub-Mikrometerbereich, ein
äußerst spannendes Anwendungsfeld,
das zunehmend an Bedeutung gewinnen
wird. Dieser „ripple“-Effekt ist sowohl für
die Grundlagenforschung als auch für eine
zukünftige industrienahe Umsetzung hoch
interessant.
Beispielsweise lassen sich mit geeigneten
Laserparametern und Bearbeitungsoptiken
attraktive optische Eigenschaften realisieren.
Aber auch ein Engineering der
physikalisch-chemischen Oberflächen-
Merkmale ist praktizierbar.
NÄCHSTE SCHRITTE
Das am 01.02.2010 gestartete Forschungsvorhaben
„16376 N/1 - Abtrag
dünner Schichten“ der Forschungsvereinigung
Feinmechanik Optik und Medizintechnik
e.V. wird über die AiF im Rahmen
des Programms zur Förderung der
Industriellen Gemeinschaftsforschung
Kameraaufnahmen einer laserstrukturierten
Stahloberfläche, die schräg oben von einer Glühlampe
beleuchtet wird. Links: Stahlplatte zur Kamera
leicht verkippt → „Blautöne“ werden reflektiert;
Rechts: Stahlplatte wurde stärker verkippt
→ Sichtbarmachung eines „Farbspektrums“. Der
schwarze Rand wird von unbearbeiteten Zonen
der Stahlplatte gebildet.

David Ashkenasi, Andreas Lemke, Manuela Schwagmeier
und -entwicklung (IGF) vom Bundesmi-
nisterium für Wirtschaft und Technologie
aufgrund eines Beschlusses des Deutschen
Bundestages gefördert. Nach der ersten
Datenbewertung zum Abtragsverhalten
werden sich die Untersuchungen im zweiten
Vorhabensjahr auf Fragestellungen
zur Umsetzung einer effizienten und präzisen
Realisierung von Isolationskanten
konzentrieren. Ein Industriekonsortium
von ungefähr zehn innovativen deutschen
Unternehmen aus den Bereichen Laseroptik,
Maschinenbau und Dünnschicht-
Photovoltaik begleiten und unterstützen
dieses Vorhaben. Weitere Unternehmen
sind auch nach dem Start des Vorhabens
eingeladen, sich dem Industriekonsortium
anzuschließen.
Kontakt
Dr. rer. nat. David Ashkenasi
Forschungsleiter
Angewandte Lasertechnologie
d.ashkenasi(at)LMTB.de
Selektiver Abtrag dünner
Schichten für die Photovoltaik
Angewandte Lasertechnik
67

68
David Ashkenasi, Andreas Lemke
Spannungsfreie und
spannungsarme Innenmarkierung
Stress-free and stress-reduced bulk marking
Ionizing radiation (X-ray, gamma rays, electrons)
can induce numerous changes in the
physical properties of glass. The most obvious
effect is visible coloration, which is
caused by the accumulation of color centers
(defects). The application of induced
color centers has prompted renewed interest
since these can be generated and
bleached reversibly. Ultra-short lasers at
elevated peak powers combined with fairly
moderate single pulse energies are able to
induce surprising material reactions inside
the bulk of optical dielectrics. The material
reaction can be controlled and optimized
to generate internal markings practically
stress-free based on the browning effect.
The transmission changes in many samples
of glass obtained after laser-induced
browning using picosecond pulses were
quite significant, even at 1064 nm and
exceptionally effective at 355 nm. In addition,
the processing parameters can be
optimized to transfer the material reaction
into a more persistent modification: the
development of localized density changes,
micro-dots, for applications utilizing an arrangement
of stress-reduced spots inside
the bulk material.
Angewandte Lasertechnik
Ausbildung von Farbzentren
Das Interesse an Verfahren, die eine
Kennzeichnung von Glaswerkstoffen ermöglichen,
ohne die Stabilität zu beeinträchtigen,
ist hoch. Seit einigen Jahren
ist bekannt, dass mit Femtosekunden-
Laserpulsen in bestimmten Glassorten
eine Verfärbung im Volumen erzielbar ist,
die bisher nur bei radioaktiver Bestrahlung
eintrat. Neuerdings gelingt eine laserinduzierte
Verfärbung auch mit industrietauglichen
Pikosekunden-Lasern. In Verbindung
mit Scannersystemen können nun in
Glassorten wie Kalk-Natron-Glas oder BK7
sehr schnell spannungsfreie Innenmarkierungen
eingebracht werden.
Schwellenbetrachtung
Durch die Einwirkung der ultrakurzen Laserpulse
können Farbzentren entstehen,
d.h. Elektronen und Lochladungen, die an
2D-Barcode (ca. 20 x 20 x 4 mm 3 ) im Inneren eines
12 mm starken Kalk-Natron-Glases (Optiwhite)
durch laserinduzierte (spannungsfreie) Verfärbung
im Volumen. Links: Vorderansicht, rechts: Seitenansicht
(Tiefenausdehnung). Prozessparameter:
532 nm, 7 ps, 50 kHz, 10 µJ.

David Ashkenasi, Andreas Lemke
Spannungsfreie und
spannungsarme Innenmarkierung
Leerstellen oder Punktdefekte von Kristalliten
innerhalb des Glases gebunden sind.
Diese Störstellen besitzen charakteristische
Absorptionsbanden und liefern daher unter
Tageslichtbedingung einen optischen
Farbeindruck. Das so gefärbte Glas behält
insgesamt seine physikalisch-chemischen
Eigenschaften. Das Umsetzungspotential
dieser laserbasierten Methode wurde nun
im Rahmen eines AiF-IGF-Forschungsprojekts
deutlich verbessert, indem gezeigt
wurde [1-3], dass sich mit Pikosekunden-
Laserpulsen alle gängigen Kennzeichnungen
praktisch spannungsfrei in die meisten
Gläser schnell und direkt einschreiben
lassen.
Beim Einsatz von Pikosekunden-Laserpulsen
bei 1064 und 532 nm ist ein Schwellenwert
bezüglich der eingesetzten Einzelpulsenergie
identifizierbar, unterhalb dessen
keine Verfärbung im Material beobachtet
wird. Dieser Schwellenwert zur sichtbaren
Glasfärbung ist sowohl wellenlängen- als
auch materialabhängig. Da die laserinduzierte
Verfärbung ein Volumeneffekt ist,
Laserwellenlänge und
Pulsbreite
Schwelle: Pulsenergie
(µJ)
wurden zur Schwellenbestimmung Linienstrukturen
quer in die geschliffenen Glasproben
eingebracht, um diese dann von
der Seite aus, also senkrecht zur Laserbearbeitung,
hinsichtlich ihrer Verfärbung
besser auswerten zu können. Bei den UV-
Pikosekunden-Laserpulsen (355 nm) ist in
vielen Gläsern eine Färbung mit großer
Tiefenausdehnung bereits bei Einzelpulsenergien
deutlich unter 1 µJ zu beobachten.
Transmissionsänderung
In der nachfolgenden Abbildung ist das
Transmissionsverhalten der erzeugten
Verfärbungen im Bereich von 300 bis
1000 nm für Kalk-Natron-Glas und BK7
dargestellt. Die Verfärbungen wurden mit
der Wellenlängen-Pulsdauer-Kombination
532 nm / 7 ps erzeugt. Die Einzelpulsenergie
lag bei 14 µJ, was ungefähr dem dreifachen
der benötigten Schwellenenergie zur
Erzeugung von Verfärbungen in diesem
Material entspricht. „Weißes“ Licht wird
insbesondere im kurzwelligen Bereich
Schwelle: Spitzenleistung
(MW)
Schwelle: Spitzenintensität im
Fokus (10 12 MW/cm 2 )
1064 nm und 10 ps (a): 19,5 (b): 13,5 (a): 1,9 (b): 1,3 (a): 0,30 (b): 0,25
532 nm und 7 ps (a): 6 (b): 3,5 (a): 0,7 (b): 0,4 (a): 0,15 (b): 0,08
355 nm und 6 ps (a): < 0,5 (b): < 0,3 (a): < 0,1 (b): < 0,05 (a): < 0,030 (b): < 0,015
800 nm und 0,1 ps (a): 2,0 (b): 1,0 (a): 20 (b): 10 (a): 2,0 (b): 1,0
Schwellenwerte für die laserinduzierte Verfärbung mit Pikosekunden- und Femtosekunden-Laserpulsen für
Kalk-Natron- (Optiwhite) und BK7-Glas (Schott). Die mittlere Anregungsdichte liegt in allen Fällen bei 5.000
Laserpulsen pro mm 2 .
Angewandte Lasertechnik
69

70
Transmission in %
90
80
70
60
50
Vor der Verfärbung
40
300 400 500 600 700 800 900
Wellenlänge in nm
abgeschwächt. Die starke Absorption im
blauen Spektralbereich erklärt auch den
beobachteten rötlich-braunen Farbton
der Verfärbungen. Charakteristisch für
Kalk-Natron-Glas sind die beiden Absorptionsstufen
bei 400 und 600 nm, die bestimmten
Farbzentren zugeordnet werden
können. Das Transmissionsverhalten
der laserinduzierten Verfärbungen im BK7
besitzt einen gleichmäßigeren Kurvenverlauf,
der bei ca. 850 nm das ursprüngliche
Niveau ungestörter Transmission erreicht,
so wie auch beim Kalk-Natron-Glas.
Langzeitstabilität
BK7 Glas
Kalk-Natron Glas
Nach der Verfärbung
Transmissionsverhalten der laserinduzierten Verfärbung
für jeweils 4 mm starkes Kalk-Natron- (Optiwhite)
und BK7-Glas (Schott) nach Einwirkung
von 7-ps-Laserpulsen bei 532 nm, 50 kHz, 14 µJ
Einzelpulsenergie, einem Linienabstand von 25 μm
und Schreibgeschwindigkeit von 250 mm/s.
Die in den Gläsern induzierten Verfärbungen
werden bei Zimmertemperatur mit
der Zeit schwächer, d.h. diese Form der
Innenmodifikation ist nicht dauerhaft.
Nebenstehende Abbildung zeigt die Änderungen
im Transmissionsverhalten kurz
Angewandte Lasertechnik
David Ashkenasi, Andreas Lemke
Spannungsfreie und
spannungsarme Innenmarkierung
nach der Bearbeitung sowie ca. 100 Tage
später. Dieses Phänomen ist bekannt für
Defekte im Glas, die auf einer Akkumulierung
von Farbzentren beruhen. Die Beobachtungen
zur Stabilität laserinduzierter
Verfärbungen in Gläsern entsprechen
den Ergebnissen der Farbzentrenbildung
nach ionisierender Bestrahlung. Die materialabhängige
Ausbleichung folgt einem
annähernd logarithmischen Zeitverhalten,
so dass in einigen Glassorten auch nach
Jahren noch eine schwache Verfärbung
feststellbar ist.
Die laserinduzierten Verfärbungen sind
gegenüber Umwelteinflüssen relativ stabil.
Trotz Ausbleichungstendenz verbleibt
die Verfärbung bei üblichen Temperaturen
und Tageslichtverhältnissen über Jahre
hinweg sichtbar und auslesbar. Sie lässt
sich aber auch durch Erwärmung bei Bedarf
wieder löschen. Dieses Ausbleichen
ist bei gegebener Anfangsfärbungsinten-
Transmission in %
95
90
85
80
75
70
65
60
55
50
unbearbeitet
A: wenige Tage nach der Bearbeitung
B: 100 Tage nach der Bearbeitung
(Lagerung bei Raumtemperatur)
C: B + 10 min. bei 100°C
D: C + 40 min. bei 130°C
300 400 500 600 700 800 900
Wellenlänge in nm
Transmissionsverhalten einer laserinduzierten Verfärbung
in Kalk-Natron-Glas (Optiwhite) wenige
Tage nach der Lasergenerierung; A: nach ca. 100
Tagen, B: wie A, aber nach Erwärmung auf 100 °C,
C: wie B, aber nach Erwärmung auf 130 °C.

David Ashkenasi, Andreas Lemke
sität für jedes Material spezifisch und
reproduzierbar. Somit kann die zeitliche
Veränderung der Transmission einer laserinduzierten
Verfärbung z.B. als Indikator
für die korrekte Lagerung bzw. eine erfolgte
Heißdampfsterilisation medizinischer
Produkte dienen.
Bei der Wahl von Glasoptiken zur Strahlführung
von Pikosekunden-Laserpulsen,
z.B. Objektiven aus BK7, sollte man bereits
bei einer Wellenlänge von 1064 nm mit einer
Braunfärbung dieser Optiken rechnen,
insbesondere bei geringem Strahlquerschnitt
und stationärer Dauerbestrahlung
mit hohen Einzelpulsenergien von einigen
100 µJ.
Ausbildung von Streuzentren
Spannungsfreie und
spannungsarme Innenmarkierung
Durch die Wahl von Pulsenergie, Pulsdichte
und Zyklenzahl lässt sich die Intensität
der Verfärbungen variieren, um z.B. die
Lesbarkeit über einen längeren Zeitraum
zu erhöhen. Neben der unteren Modifikationsschwelle
wird auch eine obere Grenze
beobachtet, ab der mit der Entstehung
kleiner Streuzentren zusätzliche Eigenspannungen
im Material induziert werden
können. Dieser Übergang zur Ausbildung
von „microdots“ kann für viele Anwendungen
von großem Vorteil sein. Auf Grund
der bisherigen Beobachtungen wird angenommen,
dass ein laserinduzierter „microdot“
durch eine Veränderung des Brechungsindexes
des Materials definiert ist.
Diese Brechungsindexänderung führt zu
einer Beugung des das Glas durchlaufenden
Lichts.
Bei einer Matrixanordnung der „microdots“
wirken diese somit wie ein Beugungsgitter,
das bei einer geeigneten
Gitterkonstante, also entsprechendem
„microdot“-Abstand, in Transmission wie
Reflexion zu einer Spektralzerlegung des
Lichts führt. Das Farbspektrum im Beispiel
unten wurde durch Beleuchtung mit einer
einfachen Glühlampe erzeugt.
Streuzentren in Quarzfasern
Die Einbringung von Streuzentren in
Quarzfasern besitzt für medizintechnische
Anwendungen eine große Bedeutung. Ein
Ziel ist die Weiterentwicklung einer neuen
Fertigungsmethode für medizinische
Fasern.
Aufnahme von Gitterlinien, die mit Pikosekunden-
Laserpulsen von oben nach unten in einem K9-
Glasblock eingeschrieben wurden. Prozesszeit ca.
30 min. für die Ausbildung von ca. 1,5 Millionen
„microdots“ auf einer Fläche von 40 x 40 mm 2 .
Angewandte Lasertechnik
71

72
Die hohe Spitzenintensität von ultrakurzen
fokussierten Laserpulsen ruft eine gezielte
und lokal begrenzbare Materialreaktion
hervor, beispielsweise im Innern einer
400-µm-Quarzfaser mit Buffer. Es können
ohne Rissbildung gezielt Mikrometer große
Gefügeänderung induziert werden, die
in der Quarzfaser als Streuzentren fungieren.
In der Faser geführte Laserstrahlung
kann so – praktisch absorptionsfrei –
seitlich aus der Faser diffus abgestrahlt
werden. Der Herstellungsprozess ist automatisierbar,
so dass der bisherige hohe
manuelle Aufwand bei der Fertigung flexibler
Applikatoren mit einer Silikonmatrix
entfällt. Die Bearbeitung kann online
Oben: Prinzipskizze zur Einbringung von Streuzentren
in eine Quarzfaser mittels ultrakurz gepulster
Laserstrahlung. Unten: Beispiel einer 400-µm-
Quarzfaser nach der Einbringung von Streuzentren
mit zunehmender Tiefe (die Verteilung der
Streuzentren erfolgt entlang einer Spiralbahn, die
im Durchmesser von links nach rechts abnimmt).
Ein in der bearbeiteten Quarzfaser geführter roter
Lichtstrahl eines Diodenlasers wird rotationssymmetrisch
seitlich ausgekoppelt.
Angewandte Lasertechnik
verfolgt und gesteuert werden und theoretisch
mit dem Fasermaterial „von der
Rolle“ durchgeführt werden. Der wesentliche
Schritt zur Herstellung eines Applikators
könnte in weniger als einer Minute
erfolgen. Bei Einhaltung der relevanten
Prozessparameter werden besser reproduzierbare
Herstellungsergebnisse mit
deutlich geringerer Ausschussrate erwartet.
NÄCHSTE SCHRITTE
In einem AiF-IGF-Forschungsvorhaben mit
voraussichtlichen Starttermin Januar 2011
wird in Kooperation mit dem Max-Born-Institut,
Berlin, die präzise, reproduzierbare
Einbringung und Verteilung von Mikromodifikationen
in das Innere eines Werkstoffs
mittels ultrakurzer Pulse untersucht. Die
wissenschaftlich-technischen Projektziele
in diesem Vorhaben sind:
•
David Ashkenasi, Andreas Lemke
Spannungsfreie und
spannungsarme Innenmarkierung
Charakterisierung der laserinduzierten
Mikromodifikationen:
– Außenstruktur (Durchmesser, Tiefenausdehnung)
– Struktur im Inneren (Nano-Cracks,
Kavitäten)
– Dichteverteilung
– Brechungsindexänderung
– Materialabhängigkeiten (Quarz, Kalk-
Natron-Glas, n-BK7, Polycarbonat)
– Zeitaufgelöste Untersuchungen zur
Entstehung
– Möglichkeiten einer Online-Kontrolle

•
•
•
David Ashkenasi, Andreas Lemke
Spannungsfreie und
spannungsarme Innenmarkierung
Potentielle Steuerung bei der Herstel-
lung von Mikromodifikationen:
– Einfluss der Wellenlängen-Pulsdau-
er-Kombination
– Einfluss der Strahlführung
– Einfluss der Pulsanzahl (Einzel- und
Mehrfachanregung)
– Einfluss der Materialtiefe (3D-Option)
– Einfluss von Zuschlagstoffen (z.B.
Nano-Cluster in der Glasmatrix)
Untersuchung der kollektiven Wirkung
der Mikromodifikationen:
– Erzielbare Mikromodifikationsdichte
(DPI)
– Erzielbare Spannungsverteilung
– Erzielbare diffraktive Wirkung (Beugungseffizienz)
– Einfluss der 3D-Verteilung (Tiefenwirkung)
– Einfluss der Beleuchtungsanordnung
Prüfung potentieller Anwendungen:
– Einsatz von am Markt befindlichen
Markierungsstandards (auslesbar)
– Unsichtbare bzw. verborgene Markierung
in Gläsern und Polymeren
(Brillenoptiken)
– Markierungen im Glas, die (nur) unter
bestimmten Lichtverhältnissen
sichtbar werden
– Ablenkung von Licht, z.B. in Lichtleitfasern
(Diffusorenherstellung)
– Gitterwirkung, z.B. in Lichtleitfasern
(Bragg-Gitter) oder in Flachmaterialien
(„Farb“-Markierung)
– Herstellung photonischer Kristalle
– Generierung einer Spannungsverteilung
in ausgewählten Gläsern.
– Umsetzung holografischer Strukturen
im Inneren (DOE)
– Datenspeicher mit extrem langer Lebensdauer
(CD/DVD aus Quarzglas)
DANKSAGUNG
Das Forschungsvorhaben „14982 – Generierung
spannungsfreier Innenmarkierungen“
der Forschungsvereinigung Feinmechanik,
Optik und Medizintechnik e.V.
wurde vom 01.12.2006 bis zum 31.05.2009
über die AiF im Rahmen des Programms
zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung
und -entwicklung (IGF)
vom Bundesministerium für Wirtschaft
und Technologie aufgrund eines Beschlusses
des Deutschen Bundestages BMBF gefördert.
LITERATUR
[1] D. Ashkenasi: “Non-linear response in optical
material using ultra-short laser technology”,
SPIE Proc. 6458, 2007 (in print)
[2] Abschlussbericht im AiF-IGF Projekt 14982,
http://www.lmtb.de/lasertechnik/index_
de.php
[3] D. Ashkenasi, A. Lemke: “Exploiting internal
material reactions in glass using ultra short laser
pulses“, The Laser User Issue 55, Summer
2009, 26-28 (2009)
Angewandte Lasertechnik
73

74
[4] D. Ashkenasi: “Laser induced color centers in
glasses, similarities to X-ray excitation and
possible implications for optics“, Lasers in
Manufacturing WLT, Conf. Proc. 2009, 799-805
(2009)
Kontakt
Dr. rer. nat. David Ashkenasi
Forschungsleiter
Angewandte Lasertechnologie
d.ashkenasi(at)LMTB.de
Angewandte Lasertechnik
David Ashkenasi, Andreas Lemke
Spannungsfreie und
spannungsarme Innenmarkierung

David Ashkenasi, Norbert Müller, Tristan Kaszemeikat, Reinhard Dietrich
Laseroptische Systemkomponenten
für die Mikrobearbeitung
Trepanning Systems for Laser Micromachining
Within the framework of application orientated
research and in the context of
the development of new laser processing
schemes, an implementation of optimal
laser beam guiding and distribution tools
is of utmost importance. With respect to
the challenges in laser micromachining,
we have succeeded in realizing innovative
opto-mechanical components to support
laser beam monitoring and alignment
requirements in applied laser technology.
For example, the development of a
trepanning system involves a complete
work flow pattern of setting implementation
goals, patenting new ideas, conducting
optical ray-tracing, designing the
opto-mechanical construction, and the
construction of “simple” laboratory setups
for the proof-of-principle demonstration.
The new trepanning optics represent
an important milestone in the technology
transfer for applied laser technology.
Im Rahmen der an der LMTB verfolgten
Anwendungsforschung und Verfahrensentwicklung
zu Fragestellungen in der
Laser-Materialbearbeitung werden Komponenten
zur Strahlkontrolle, Strahlführung
und motorischen Strahlablenkung
entwickelt, konstruiert, erfindungsgemäß
abgesichert, für verschiedene Anwendun-
gen erprobt und häufig als „einfache“ Laborversion
umgesetzt. Die optischen Komponenten
für die angewandte Lasertechnik
werden zum Teil bereits als OEM-Bauteil
in kommerziellen Geräten eingesetzt bzw.
sind für unsere Endkunden im Bereich
Anlagenbau ein wichtiger Bestandteil
eines erfolgreichen Technologietransfers.
Ein Beispiel hierfür ist „Mr. Power Beam”,
ein online-fähiges Leistungsmessgerät.
Messeinheit und Elektronik (inkl. PC-
Anbindung) sind eigene Entwicklungen.
Mehrere OEM-Komponenten zur präzisen
Langzeit-Leistungsmessung und -kontrolle
sind erfolgreich im Einsatz.
In zahllosen technischen Fertigungsprozessen
werden hochpräzise, kreisrunde
Öffnungen mit Durchmessern von einigen
Millimetern bis zu wenigen Mikrometern
benötigt. Oft ist die Qualität dieser Öffnungen
entscheidend für das Produkt, z.B. in
der Automobilindustrie (Einspritzdüsen),
Konstruktionsbilder, Beispiele zur Leistungskontrolle
und –regelung. Oben: Sehr kompakter Messkopf
für ½ Zoll-Optiken; unten: Messkopf für Bearbeitungsoptiken
mit einer Laserleistung bis 5 kW.
Angewandte Lasertechnik
75

76
David Ashkenasi, Norbert Müller, Tristan Kaszemeikat, Reinhard Dietrich
Laseroptische Systemkomponenten
für die Mikrobearbeitung
im Kraftwerksbereich (Kühlbohrungen in
Turbinenschaufeln), in der Solarbranche
(Emitter-Wrap-Through-Zellen), in der
Displaytechnologie (Touchscreen-Glasabdeckungen)
und in der Textilindustrie
(Spinndüsen).
Konstruktionsbilder, Beispiele zur Trepanieroptik.
Links: Trepaniersystem für die (rückseitige) Glasbearbeitung;
rechts: Trepaniersystem zur Realisierung
von Unterschneidungen und/oder zylindrischen
Mikrolöchern in nicht transparenten Werkstoffen
(Metall, Halbleiter, Keramik).
Der Bereich Angewandte Lasertechnik der
LMTB hat zu diesem Zweck Trepaniersysteme
entwickelt, die im vorgenannten
Sinne eine Schlüsselkomponente für den
effektiven Einsatz von Lasern für die Präzisionsbearbeitung
von Materialien darstellen.
Diese Trepanieroptiken weisen
erhebliche Vorteile gegenüber dem Stand
der Technik auf:
• Optimale Strahlfokussierung auf dem
Werkstück: Beim LMTB-System kann
der Laserstahl die Fokussieroptik optimal
zentral ausleuchten.
• Sehr hohe Drehgeschwindigkeiten:
LMTB-Trepaniersysteme wurden bereits
mit Drehgeschwindigkeiten bis
40.000 U/min realisiert (1/4-Zoll-Optiken).
Angewandte Lasertechnik
• Stufenlose schnelle Einstellung des
Trepanierdurchmessers von 0 bis
•
600 µm: Die Einstellung erfolgt in weniger
als 1 s. Größere Durchmesser bis
2 mm sind möglich.
Stufenlose schnelle Einstellung des
Ablenkwinkels: Unter- und Über-
•
schneidungen können in weniger als
1 s im Bereich 5°…0…+5° eingestellt
werden.
Geringeres Gewicht: Abhängig von der
Version liegt das Gewicht der LMTB-
Trepanieroptiken zwischen 3 kg und
< 10 kg.
• Kompakte Abmessungen: Das LMTB-
Trepaniersystem beansprucht weniger
als die Hälfte des Volumens, verglichen
mit der Konkurrenz.
• Konkurrenzfähige Kosten: Das LMTB-
Trepaniersystem kann deutlich
preiswerter angeboten werden und
erlaubt so, neue Anwendungen zu
erschließen.
Im Laser-Applikationslabor werden die
Umsetzungsversionen der Trepaniersysteme
mit gütegeschalteten Festkörper-
Lasersystemen (Pulsbreiten im Nano- und
Pikosekundenbereich) eingesetzt und erprobt.
In einem Bearbeitungsbeispiel zur
Testung konischer Bohrungen wurde in
der Mikrobohrung bei einem 800 µm starken
Aluminiumblech ein Anstellwinkel von
4,5° realisiert. Die Laseraustrittsöffnung

David Ashkenasi, Norbert Müller, Tristan Kaszemeikat, Reinhard Dietrich
Laseroptische Systemkomponenten
für die Mikrobearbeitung
von ca. 280 µm ist deutlich größer als das
Eintrittsloch von ca. 180 µm.
Solche konischen Bohrgeometrien sind
beispielsweise eine wesentliche Forderung
der Autoindustrie bei der Laser-Trepanierung
zur Düsenherstellung (verbesserte
Einspritzdüsen zur Verringerung der
CO -Abgaswerte).
2
Links: Trepaniersystem mit motorisierbarer Einstellung
von Durchmesser und Einstellwinkel im
Betrieb; Rechts: Schliffbild eines Bearbeitungsbeispiels
in 800 µm starkem Aluminium mit einem Anstellwinkel
von 4,5°.
Das neue LMTB-Trepaniersystem (siehe
Umsetzungsbeispiel oben) kann zur Laser-Präzisionsbearbeitung
(Mikrobohren,
Konturschneiden und Fräsen) von beliebigen
Werkstoffen verwendet werden. Die
verschiedensten Facetten folgender Anwendungsfelder
werden im Laser-Applikationslabor
untersucht:
• Präzisionsbearbeitung transparenter
•
Werkstoffen (Glas, Quarz, Zerodur)
Mikrobohrungen in Metallfolien und
blechen, Keramiksubstraten und Silizium-Wafern
• Schonender Abtrag dünner Schichten
für die Mikroelektronik und Photovoltaik
Eine in der Laser-Mikrobearbeitung häufig
formulierte Forderung ist die Realisierung
von Mikrogräben und Mikrobohrungen
ohne Konizität. Das neue LMTB-Trepaniersystem
erfüllt auch diese Voraussetzung.
Unten stehende Abbildung zeigt eine
1 mm lange Durchgangsbohrung mit einem
Bohrdurchmesser von 117 µm, sowohl
eintritts- wie austrittsseitig.
Die zugrunde liegenden Entwicklungen
sind Gegenstand mehrerer Patentanmeldungen
der LMTB. Lizenzvertragsverhandlungen
mit mehreren Unternehmen, die
sich mit dem Thema Laserbohren jahrelang
beschäftigt haben, belegen Originalität
und innovativen Charakter unserer
Trepanieroptik.
entrance
117 µm
exit
117 µm
Links: Querschliff einer 1 mm starken AlN-Scheibe
nach Laser-Trepanierbohrung; rechts: Mikroskopaufnahmen
der Mikrobohrung auf der Eintritts-
und Austrittsfläche.
Angewandte Lasertechnik
77

78
NÄCHSTE SCHRITTE
David Ashkenasi, Norbert Müller, Tristan Kaszemeikat, Reinhard Dietrich
Die Weiterentwicklung der LMTB-Trepaniersysteme
für die Mikrobearbeitung
nicht-transparenter Werkstoffe orientiert
sich verstärkt an marktrelevanten Umsetzungszielen:
• Entwicklung einer aktiven Regelung
der optischen Komponenten des Trepaniersystems
• Schnittstellen-Anbindung an übliche
CNC-Achsensteuerungssysteme
• Robuster 24/7-Betrieb in der Produktion
• Applikationsuntersuchungen mit unterschiedlichen
Laserparametern
(Wellenlänge und Pulsdauer)
• Festlegung von Standard-Trepaniersystemen
für die vordringlich benötigten
Lochgeometrien und Toleranzanforderungen
Die Entwicklung der LMTB-Trepaniersysteme
wird seit dem 01.01.2009 durch das
Bundesministerium für Wirtschaft und
Technologie unterstützt (VF 081026).
LITERATUR
[1] M. Schwagmeier, N. Müller, D. Ashkenasi:
“Laser micro machining of metal foils, ceramics
and silicon substrates”, Proc. of the Fifth
International WLT-Conference on Lasers in
Manufacturing 2009
Angewandte Lasertechnik
Laseroptische Systemkomponenten
für die Mikrobearbeitung
Kontakt
Dr. rer. nat. David Ashkenasi
Forschungsleiter
Angewandte Lasertechnologie
d.ashkenasi(at)LMTB.de

Laserkurse
Weiterbildungsangebote
Die LMTB bietet seit ihrer Gründung als
LMZ regelmäßig Laserkurse für Mediziner,
Zahnmediziner und später in Zusammenarbeit
mit der Handwerkskammer Berlin,
der Photon AG sowie der Unfallkasse Berlin
auch für technische Laseranwender
an.
Der firmenunabhängige Kurs „Lasermedizin
von A-Z“ vermittelt die für den Umgang
mit dem Laser notwendige Sachkunde
und bietet zugleich die Qualifikation
zum „Laserschutzbeauftragten“. Er wird in
immer wieder überarbeiteter und aktualisierter
Form seit nunmehr über 20 Jahren
gemeinsam mit Prof. Dr. med. Hans-Peter
Berlien und der jeweils von ihm geleiteten
Laserklinik veranstaltet.
Als interdisziplinäre Forschungs- und Ausbildungseinrichtung
stellt die LMTB in dieser
Partnerschaft anerkannte Spezialisten
für die Betreuung der Kursteilnehmer:
Physiker übernehmen die Vermittlung
der physikalischen und lasertechnischen
Grundlagen und Sicherheitsexperten das
Sicherheitstraining. Die klinischen Kursteile
werden in Theorie und Praxis von den
Ärzten der Abteilung Lasermedizin der Ev.
Elisabeth-Klinik vermittelt, die über langjährige
Erfahrung in Praxis und Forschung
verfügen.
Der Kurs richtet sich sowohl an interessierte
Mediziner, die sich einen Überblick
über die verschiedenen Einsatzgebiete
von Lasern in der Medizin verschaffen
möchten, wie an diejenigen, die bereits
über einen Laser verfügen. Vor einer Kaufentscheidung
stehende Ärzte erhalten das
nötige Basiswissen, um Herstellerangaben
bewerten zu können und den für ihr Anwendungsspektrum
passenden Lasertyp
zu finden.
Auch formale Aspekte, deren Berücksichtigung
eine Voraussetzung für die rechtssichere
Anwendung von Lasern an Menschen
bildet, kommen in den Kursen nicht
zu kurz: Medizinische Lasersysteme gehören
zu den aktiven Medizinprodukten, die
nach der Medizinprodukte-Betreiberverordnung
nur von Personen betrieben und
angewendet werden dürfen, die dafür
die erforderliche Ausbildung oder Kenntnis
und Erfahrung besitzen. Beim Betrieb
von Lasereinrichtungen der Klassen 3R, 3B
und 4 in den Behandlungsräumen ist ferner
laut Unfallverhütungsvorschrift BGV
B2 „Laserstrahlung“ die Bestellung eines
Laserschutzbeauftragten nötig, falls der
Betreiber diese Qualifikation nicht selbst
hat. In Zukunft sind verschärfte Anforderungen
zu erwarten, die sich aus einer in
Bearbeitung befindlichen Verordnung auf
Grundlage des Gesetzes zum Schutz vor
nichtionisierender Strahlung bei der Anwendung
am Menschen (NiSG) ergeben
werden.
79

80
Weiterbildungsangebote
Sicherheitskurse für Laseranwender in
Laboren und mit diesem Thema befasste
Sicherheitsfachkräfte werden von der
LMTB seit einigen Jahren in Zusammenarbeit
mit der Unfallkasse Berlin veranstaltet.
Die Laserkurse im technischen Bereich für
Zahntechniker und Goldschmiede sowie
Facharbeiter wurden vom Bereich Angewandte
Lasertechnologie koordiniert.
Zusammenarbeit mit Hochschulen
Die LMTB vermittelt in Zusammenarbeit
mit Industriebetrieben der Region und
Gesellschaftern Angebote für Studien-,
Bachelor- und Diplomarbeiten an Studenten
der Berliner und auswärtigen Hochschulen,
führt eigene Praktika, Diplomund
Studienarbeiten durch und betreut
Dissertationen und Habilitationsarbeiten.
Ein Vorteil liegt hierbei für die Gastwissenschaftler
darin, die hochwertige Ausstattung
der LMTB nutzen zu können. Die
industriellen Kontakte zu unseren Gesellschaftern
und weiteren kooperierenden
Unternehmen sind nützlich für gemeinsame
Forschungsvorhaben und künftige
Arbeitsplätze der wissenschaftlichen Mitarbeiter
und betreuten Studenten.
Gemeinsame Forschungsprojekte der
LMTB mit Hochschul-Instituten führen zu
einem Austausch von Diplomanden und
Doktoranden auf Basis einer späteren Zu-
sammenarbeit in Forschungsprojekten.
Dabei bietet die Zusammenarbeit auch
die Möglichkeit der zeitweisen Übernahme
von wissenschaftlichen Mitarbeitern
in die LMTB bis zur Bewilligung von Forschungsstellen
in Hochschul-Instituten.
Die vernetzte Kompetenz der LMTB wird
zur Identifikation gemeinsam zu bearbeitender
Forschungsfragestellungen genutzt
sowie zur schnellen Abklärung der Herausforderungen
und Randbedingungen,
insbesondere auch in Hinblick auf Anwenderkreise
in Industrie und Medizin.
Damit erweitert die LMTB die Kompetenzen
der Partner und wird dem Technologie-Transfergedanken
der LMTB gerecht.
Mitarbeiter der LMTB stehen für Lehr-
veranstaltungen zur Verfügung, was seit
Jahren mit der TU Berlin in der Vorlesung
Medizinelektronik (Prof. Orglmeister)
durch Behandlung des Themas „Einführung
in die Lasermedizin und Hochfrequenzchirurgie“
sowie der Experimentellen Übungen
zur Medizinischen Gerätetechnik II
(Prof. Kraft) mit dem Thema „Medizinische
Laser“ praktiziert wird. Weiterhin wurden
die Physikalischen Übungen für Physiker II
betreut.
Ebenfalls werden Weiterbildungsveranstaltungen
der TU Berlin unter Nutzung

Weiterbildungsangebote
der messtechnischen und gerätetechni-
schen Ausstattung der LMTB durchgeführt
und Praktika für Studenten im Rahmen
des Europtics-Kurs (European Master of
Science in Optics) bereitgestellt. Ein praktisches
Beispiel für solche Weiterbildungsveranstaltungen
ist die Laserschutzbelehrung
am Institut für Optik und Atomare
Physik (IOAP) der TU Berlin mit Lehrmaterialien
der LMTB sowie die Beteiligung am
Seminar für Optik und Photonik.
Wissenschaftskommunikation
Auch Publikumsveranstaltungen zur Förderung
der Interaktion zwischen Öffentlichkeit
und Wissenschaft wurden und
werden von der LMTB regelmäßig zur
Außendarstellung genutzt. Hier sind z.B.
bezirkliche Veranstaltungen zum Wissenschaftsjahr
2010, mehrere Lange Nächte
der Wissenschaft und die der Berufsorientierung
dienenden TU–SchülerInnen-Info-
Tage zu nennen.
Kontakt
Dipl.-Ing. Hans-Joachim Cappius
Technischer Leiter
h.cappius(at)LMTB.de
81

Norbert Müller steht für
mechanische wie optische
Konstruktion und Entwicklung
bei der LMTB seit 1995, davor
beim Festkörper-Laser-Institut
(FLI). Sein besonderes Augenmerk
gilt der Entwicklung
laseroptischer Komponenten.

Medizintechnik/
Biomedizinische Optik
Dr. J. Helfmann
Forschungsleiter
Gewebeoptik und
Spektroskopie
Dr. J. Helfmann
Streulicht‐
Tomographie
Dr. U. Netz
Bildgebende
Verfahren
R. Schütz
Molekulare
Diagnostik
Dr. J. Helfmann
Weiterbildung
F. Zgoda
Fakten
Organisationsstruktur
Geschäftsführung
Dr. G. Illing
Prof. H. J. Eichler
Dipl.‐Kff. K. Guthmann‐Scholz
IT
R. Klein
Angewandte
Lasertechnik
Dr. D. Ashkenasi
Forschungsleiter
Innenmarkierung
T. Kaszemeikat
Bearbeitung
spröder
Materialien
N. Müller
Dünnschichtabtrag
A. Lemke
Laseroptische
Komponenten
N. Müller
Applikationslabor/
Service
Dr. D. Ashkenasi
Technischer
Betrieb
H.‐J. Cappius
Technischer Leiter
Mechanische
Werkstatt
L. Krebs
Elektronische
Werkstatt
R. Dietrich, E. Ott
Gerätebeschaffung
und ‐wartung
Raum‐ und
Haustechnik
Finanzen
Verwaltung
K. Guthmann‐Scholz
Prokurisitin
Personalwesen,
Reisen, Messen
G. Beckmann
Sekretariat
Kursassistenz
M. Schöppe
Fibu, Einkauf,
Rechnung
B. Gröbel
Fakten
83

84
Fakten
Geschäftsführung
Geschäftsführung,
Aufsichtsrat und Gesellschaftler
Dr. rer. nat. Hansjörg Albrecht
Sprecher der Geschäftsführung bis 30. September 2008
Geschäftsführer bis 28. Februar 2009
Dr. rer. nat. Gerd Illing
Sprecher der Geschäftsführung ab 1. Oktober 2008
Prof. Dr.-Ing. Hans Joachim Eichler
Wissenschaftlicher Geschäftsführer
Dipl.-Kff. Kirsten Guthmann-Scholz
Prokuristin ab 1. Oktober 2008
Aufsichtsrat
Vorsitzender
Dr. rer. nat. Frank Frank
Ebersberg
Stellvertretender Vorsitzender
Prof. Dr. med. Manfred Gross
Charité - Universitätsmedizin Berlin
Prof. Dr.-Ing. Klaus Petermann
Technische Universität Berlin
Prof. Dr. Dr. Michael Ungethüm (bis 11. Februar 2009)
Aesculap AG, Tuttlingen
Dr.-Ing. Andreas Hahn (ab 11. Februar 2009)
Sorin Group Deutschland GmbH, München
Dr. Augustin Siegel (bis 13. Februar 2009)
Carl Zeiss AG, Oberkochen
Dr. Christoph Hermanns (ab 11. Februar 2009)
MDI Schott Advanced Processing GmbH, Mainz
Michael Martin
KLS Martin GmbH + Co. KG, Umkirch
Dr. Wolfgang Neuberger
biolitec AG, Jena

Wolfgang Wunderl
Dornier MedTech Laser GmbH, Weßling
Dr. Stefan Schaller (bis 13. Februar 2008)
Siemens AG, Erlangen
Dr. Jürgen Simon (ab 13. Februar 2008)
Siemens AG, Erlangen
Dr. Clemens Scholz
W.O.M. World of Medicine AG, Berlin
Geschäftsführung,
Aufsichtsrat und Gesellschafter
Prof. Dr. med. Bernd Hamm (ab 13. Februar 2008)
Charité - Universitätsmedizin Berlin
Dr. rer. nat. Hansjörg Albrecht (ab 16. September 2009)
Prof. Dr.-Ing. Gerhard Müller (bis 9. September 2008)
Charité - Universitätsmedizin Berlin
Prof. Dr. Günter Fuhr (bis 7. März 2008)
Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik, St. Ingbert
Gesellschafter
Aesculab AG, Tuttlingen (bis 11. Februar 2009)
Sorin Group Deutschland GmbH, München (ab 11. Februar 2009)
Carl Zeiss AG, Oberkochen (bis 13. Februar 2009)
MDI-Schott Advanced Processing GmbH, Mainz (ab 11. Februar 2009)
KLS Martin GmbH + Co. KG, Umkirch
biolitec AG, Jena
Dornier MedTech Systems GmbH, Weßling
Siemens AG, Berlin und München
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., München
(bis 13. Dezember 2007, Verkauf der Anteile an Forschungsvereinigung Feinmechanik,
Optik und Medizintechnik e.V., Berlin)
Forschungsvereinigung Feinmechanik, Optik und Medizintechnik e.V., Berlin
W.O.M. - World of Medicine AG, Berlin
Dr. Hielscher GmbH, Teltow
Fakten
85

86
Fakten
Laufende öffentlich finanzierte Projekte
Projekttitel Thema Laufzeit
bis
Optische Methoden zur
Reinigungs- und KontaminationskontrolleTeilvorhaben:
Datenerfassung und
Umsetzung optischer Messprinzipien,Verbundkoordination
OptiVivo – Einsatz spektral
und radial aufgelöster
Rückstreumessungen zur
nicht invasiven optischen
In-vivo-Gewebecharakterisierung
OptiTom – Diffus-optische
Fluoreszenztomographie
zur funktionellen Gewebediagnostik
in der minimalinvasiven
und interventionellen
Medizin
Nicht-invasive Messung
der Hb-Konzentration im
Blut durch Multispektral-
Analyse - NIKOMA
Etablierung einer Plattform
zur Wirkstoffforschung
auf der Basis von
Peptiden (OPTOPROBE)
Langwellige Hochleistungslaser
für die Medizin- und
Umweltmesstechnik
(LaPoLas)
Laser Präzisionsbearbeitung
mit Plasma-Analyse
(LAPPA)
Untersuchungen zum
selektiven Laserabtrag
dünner Funktionsschichten
für die Photovoltaik
Label-freies interferometrisches
Affinitätsscreening
(LafA)
Verbundprojekt zur Entwicklung von optischen
und spektroskopischen Verfahren zur Bestimmung
der Restkontamination und Verschmutzung
nach einer Reinigung für die Einsatzgebiete
Lebensmittel verarbeitende Industrie,
Pharmazeutik und Gesundheitstechnologie
Entwicklung eines Verfahrens zur In-vivo-
Bestimmung der wellenabhängigen optischen
Parameter ohne Probenpräparation anhand
von Rückstreumessungen
Dreidimensionale Erfassung eines oberflächennahen
Gewebevolumens, wodurch die in
Rückstreugeometrie erzeugten Schnittbilder
der Streu-, Absorptions- und Fluoreszenzeigenschaften
das Auffinden und die Interpretation
pathologischer Areale ermöglichen
Verbundprojekt zur Messung und Simulationen
zur Hämoglobinbestimmung bei der Pulsspektroskopie
Verbundprojekt zur Etablierung einer Plattform
zur Wirkstoffforschung auf der Basis von
Peptiden, Teilprojekt der LMTB zur Entwicklung
eines optischen Auslesesystems für die Bestimmung
der Bindungskinetik von Peptidbibliotheken
in Kapillarplatten
Medizinische Anwendung der Laserstrahlung
im Bereich starker Wasserabsorption (MedLas),
im Verbund LaPoLas
Untersuchungen zur Laser-Mikrobearbeitung
von harten und spröden Werkstoffen (Glas
und Keramiken), Ziele: Zylindrische Mikrobohrungen
und -gräben in nicht-transparenten
Werkstoffen, Entwicklung einer neuen, kompakten
Trepanieroptik, Analyse der spektralen
Information in laserinduziertem Plasma beim
Materialabtrag
Untersuchungen zum selektiven Laserabtrag
dünner Funktionsschichten für die Photovoltaik
mit einem projektbegleitenden Industriekonsortium
aus Laser-, Laseranlagen- und Photovoltaikherstellern
Entwicklung zuverlässiger optischer Detektionsverfahren
für die Bindung eines Peptids an das
gewünschte Zielprotein ohne Fluoreszenzlabel,
um einerseits ein entsprechendes Gerät für das
molekulare Screening und andererseits potentielle
Diagnostika zu entwickeln.
30.06.2010
30.09.2010
31.12.2010
31.03.2011
30.04.2012
31.05.2011
30.09.2011
31.01.2012
30.09.2012
Zuwendungsgeber/
Programm
BMBF
Innovationen als
Schlüssel für die
Nachhaltigkeit in der
Wirtschaft
EFRE + Land Berlin
Programm zur Förderung
von Forschung,
Innovation und Technologien
(ProFIT)
EFRE + Land Berlin
Programm zur Förderung
von Forschung,
Innovation und Technologien
(ProFIT)
BMWi
Förderung von innovativen
Netzwerken,
InnoNet
BMBF
Optische Technologien
in den Lebenswissenschaften
- Grundlagen
zellulärer Funktionen
EFRE + Land Berlin
Programm zur Förderung
von Forschung,
Innovation und Technologien
(ProFIT)
BMWi
Industrielle Vorlaufforschung
der AiF
BMWi
Industrielle Gemeinschaftsforschung
(IGF)
BMWi
INNO-KOM-Ost, Modul:
Vorlaufforschung

Kooperationspartner und Netzwerke
Langfristige Kooperationspartner
Partner Bereich Kooperation
Charité –
Universitätsmedizin Berlin
Universitätsmedizin
CBF em. Prof. Beuthan Optische Diagnostik Bildgebung, Photonendichtewellen-Detektion
Dr. Minet
vaskuläre Diagnostik, Molekulare Bildgebung
CCM PD Dr. Meinke Dermatologie Hautdiagnostik
Prof. Lademann
und Pharmakokinetik
Prof. Stockfleth
Dermatologisches Tumorzentrum
CC17 Prof. Kühn
Prof. A. Schneider
PD Dr. G. Cichon
Elisabeth-Klinik Berlin
Prof. Berlien
Dr. Philipp
TU Berlin
Inst. für Optik und Atom. Physik
Prof. Eichler
PD Dr. Kronfeldt
TU Berlin
Zentrum für innovative Gesundheitsforschung
(ZIG)
Prof. Kraft
Prof. Knorr
Max-Born-Institut, Berlin
Dr. Rosenfeld
W.O.M. AG; Berlin
Dr. Schönborn
Dr. Scholz
Siemens AG, Berlin
Dr. Schultz
O.U.T. e.V.
Dr. Mahlkow
Forschungszentrum Borstel
PD Dr. Frey
GeSiM mbH
Dr. Bürger
Heinrich-Hertz-Institut
Dr. Schell
Dr. Grote
Columbia University,
Dept. of Biomedical Engineering
Prof. Hielscher
Gynäkologie
Klinik
Lasermedizin
Universität
Spektroskopie,
Optik, Lasertechnologie
Universität
Medizintechnik
Lebensmitteltechnologie
Forschungsinstitut
Kurzzeitspektroskopie,
Optik
Industrie
Laserentwicklung
Minimal-invasive
Chirurgie
Industrie
Bildgebungsverfahren
Telekolposkopieplattform, Tumordiagnostik
Lasertherapie, Photodynamische Therapie, Diagnostik
von Hautläsionen u. Therapiemonitoring
Ausbildung von medizinischem Personal
Optimierung von Lichtquellen, Laserentwicklung,
Biophotonik, Absorptions-, Fluoreszenz-,
und Ramanspektroskopie
Entwicklung von Geräten zur Kontaminationskontrolle
Kurz gepulste Lichtquellen
Optische Diagnostik
Lasertherapieanwendungen
Bildgebung für Endoskopie/ Laparoskopie
Optimierung von Fluoreszenzbildgebung,
Rheumadiagnostik
Forschungsinstitut
Leuchtdioden hochfrequent modulierbare LEDs
Forschungsinstitut
Leibniz- Zentrum für
Medizin und Biowissenschaften
KMU
Pipettierroboter und
Mikrofluidik
Fraunhofer-Institut
Diodenlaserentwicklung
Universität
Tomographische
Rekonstruktionsverfahren
Molekulare Diagnostik, Fluoreszenznachweis
molekularer Bindungen
Durchflussküvetten, Molekülbibliotheken
Anwendung langwelliger Diodenlaser in der
Medizin
Optische Tomographie zur
Rheumafrüherkennung
Fakten
87

88
Fakten
Projektbezogene aktuelle
Kooperationen
Kooperationspartner und Netzwerke
Aufgrund ihrer Struktur und ihres Zweck
kooperiert die LMTB dauerhaft eng, oft in
mehreren Projekten parallel mit den meisten
ihrer Gesellschafter, dazu Arbeitsgruppen
aus der Technischen Universität Berlin,
der Freien Universität Berlin und der
Humboldt-Universität zu Berlin, ebenso
mit mehreren Zentren der Universitätsmedizin
Charité und der Abteilung Lasermedizin
der Evangelischen Elisabeth-
Klinik Berlin.
Des Weiteren sind die meisten Förderprojekte
entweder Verbünde, zumeist
mit wissenschaftlichen Einrichtungen und
Firmen als Partner, und es bestehen eine
Vielzahl proprietärer Entwicklungsprojekte
mit Unternehmen:
Im Bereich Laser-Präzisionsbearbeitung
und Entwicklung laseroptische Komponenten
bestehen enge Kooperationen mit
führenden Herstellern von Lasersystemen
(Rofin Sinar GmbH Hamburg, Trumpf
GmbH + Co. KG Ditzingen, Lumera GmbH
Kaiserslautern, IB-Laser GmbH Berlin)
und Unternehmen aus dem Maschinenbau
(MDI-Schott AP GmbH Mainz, 3D-
Micromac GmbH Chemnitz, Rofin Baasel
GmbH & Co. KG Starnberg). Applikationsorientierte
Zusammenarbeiten bestehen
mit Anwendern und Endkunden wie dem
Paul-Scherrer-Institut Villigen Schweiz,
dem Fritz-Haber-Institut Berlin, Rhode
und Schwarz GmbH & Co. KG München,
Osram Opto Semiconductors GmbH Regensburg,
Dr. Kieburg GmbH Berlin, Fisba
Optik St. Gallen Schweiz und anderen.
Untersuchungen zum selektiven Laserabtrag
dünner Funktionsschichten für die
Photovoltaik finden in enger Kooperation
mit dem Industriekonsortium aus Laserund
Optikherstellern, Integratoren und
potentiellen Anwendern der Dünnschicht-
Photovoltaik statt. Zu nennen sind hier
die Edgewave GmbH Würselen, die Lumera
GmbH Kaiserslautern, die IB-Laser
GmbH Berlin, die LIMO GmbH Dortmund,
die Rofin Baasel GmbH & Co. KG Starnberg,
die MDI-Schott AP GmbH Mainz,
die LPKF Solarquipment GmbH Suhl, die
Sulfurcell GmbH Berlin und die Solarion
AG Dresden. Ein weiterer wichtiger Industriepartner
auf dem Gebiet der Laser-
Dünnschichtbearbeitung ist ALSI N.V. Beuningen,
NL.
Im Bereich der Biomedizinischen Optik
werden Methoden zur optischen Kontaminationskontrolle
im Verbund entwickelt
mit der Bruker Optik GmbH Ettlingen, der
Inofex GmbH Halle, der Vanguard AG Berlin
und dem Institut für Optik und Atomare
Physik (IOAP) der Technischen Universität
Berlin.
Im Bereich der Blutsensorik bestehen Zusammenarbeiten
mit der Weinmann Di-

Kooperationspartner und Netzwerke
agnostics GmbH & Co KG Hamburg, der
Medisynthana Diagnostics GmbH & Co
KG Ulm, der MCC GmbH & Co KG Karlsruhe,
der weptech GmbH Landau, Elbau
GmbH Berlin und dem Institut für Automatisierung
und Qualitätssicherung an
der Fachhochschule Heidelberg (iAQ).
Im Umfeld der Entwicklung eines optischen
Screening-Systems zur Entwicklung
peptidischer Diagnostika bestehen Zusammenarbeiten
mit der Atto-Tec GmbH Siegen,
der GeSiM mbH Großerkmannsdorf,
der Karl Storz GmbH & Co KG Tuttlingen,
der R-Biopharm AG Darmstadt und der
Arbeitsgruppe von PD Andreas Frey am
Forschungszentrum Borstel (FZB).
Bei der Entwicklung von Alternativen zum
medizinischen Einsatz des CO -Lasers wird
2
mit dem Heinrich-Hertz-Institut (HHI)
Berlin und dem Institut für Optik und Atomare
Physik (IOAP) der Technischen Universität
Berlin zusammen gearbeitet.
Netzwerke
Die LMTB engagiert sich u.a. in den folgenden
Netzwerken:
•
•
•
•
•
•
•
•
Deutsche Gesellschaft für Lasermedizin
(DGLM)
Fachverband Biomedizinische Technik
(FBMT)
The Society of Photo-Optical Instrumentation
Engineers (SPIE)
Optical Society of America (OSA)
Institute of Electrical and Electronics
Engineers (IEEE)
OptecBB, Netzwerk Optische Technologien
Berlin-Brandenburg
Verband innovativer Unternehmen
(VIU)
Förderverein der Technologiestiftung
Berlin (TSB)
Fakten
89

90
Fakten
Promotionen
Wissenschaftler
Matthias Bastian
Uwe Netz
Oliver Pernell
David Diego Vallejo
Christian Eichendorff
Carina Reble
Stefan Andree
Wissenschaftler
Yuske Kobayashi
(D)
Thomas Kerl
(D)
Eric Freier
(S)
Jaber Irantalab
(D)
Examensarbeiten
Thema
Bestimmung der physiologischen Parameter strömenden
Blutes mittels ortsaufgelöster Streulichtmessungen
Diffuse optische Tomographie an Fingergelenken für die
Diagnose der rheumatoiden Arthritis
Optische Eigenschaften und Farbwirkung von 2-Schicht-
Kompositsystemen
Spectroscopic plasma investigation to control laser material
processing
Qualitätskontrolle von Erythrozytenkonzentraten durch nichtinvasive
Messung der freien Hämoglobinkonzentration
Untersuchungen zu quantitativen Raman Messungen in
biologischem Gewebe
Ortsaufgelöste Rückstreumessungen an trüben Medien
zur Bestimmung von Absorptions- und Streukoeffizienten
Diplom-, Master-, Bachelor- und Studienarbeiten
Thema
Optisches Monitoring der Sauerstoffkonzentration und
Dosimetrie für Photodynamische Therapie
Untersuchungen zu Form und Größe von Innenmodifikationen
transparenter Werkstoffe nach Pikosekunden-
Laseranregung
Einsatz einer Trepanieroptik für die Laser-Mikrobearbeitung
von AIN
Untersuchungen zum laserinduzierten, rückseitigen Mikroabtrag
von Flachgläsern
Abschluss
2008
2008
2009
laufend
laufend
laufend
laufend
Diplomarbeiten sind mit (D), Masterarbeiten sind mit (M), Bachelorarbeiten sind mit (B)
und Studienarbeiten sind mit (S) gekennzeichnet.
Abschluss
2008
2008
2008
2009

Wissenschaftler
Ghassan Al-Khalidi
(B)
Wazim Zaza
(D)
Johannes Grimm
(B)
Nathalie Krause
(D)
Oliver Jahn
(B)
Daniel Schwandt
(B)
Dennis Stang
(D)
Liri Kalanderi
(D)
Heiko Luckmann
(D)
Henrike Wilms
(B)
Thema
Examensarbeiten
Untersuchungen zum laserinduzierten Abtrag bei der
Glas-Mikrobearbeitung
Untersuchungen zum Laserabtrag dünner Schichten bzw.
Schichtsysteme
Entwicklung eines µC-basierten Messgerätes zur Bestimmung
der Strahlstärke von LEDs für technische Anwendungen
Evaluation eines Faserapplikators zur ortsaufgelösten
Messung der Rückstreuung von Haut
Aufbau einer Messeinrichtung für die Erfassung und Untersuchung
winkelabhängiger Transmission durch den
menschlichen Finger
Spektroskopische Differenzierung von Tumorgewebeeigenschaften
verschiedener Spezies unter Einfluss hyperthermischer
Temperaturen
Entwicklung einer Methode zur gezielten und reproduzierbaren
Herstellung von Testobjekten mit definierten
optischen Eigenschaften - für medizintechnische Geräte -
auf Grundlage der optischen Eigenschaften der System-
Einzelkomponenten
Herstellung von Mikrobohrungen unter Verwendung eines
neu entwickelten Trepaniersystems
Entwicklung und Erprobung eines Mess- und Auswahlverfahrens
von ortsaufgelösten, Remissionsmessungen
zur in vivo Bestimmung der Pigmentkonzentrationen
Ortaufgelöste Rückstreumessung im nahinfraroten Spektralbereich
zur Quantifizierung des Wassergehalts in Haut
und hautähnlichen Phantomen
Abschluss
2009
2009
2009
2009
2009
2009
2009
2010
laufend
laufend
Fakten
91

92
Fakten
Lfd. Nr.
LMTB
MT 60a
MT 60b
MT 60c
MT 60d
MT 60e
MT 60f
MT 60g
MT 60h
MT 73
Aktive Patente
Stand: 13.August 2010
Aktive Patentanmeldungen der LMTB (teilweise aus gemeinsamen Forschungsprojekten mit den
Kooperationspartnern)
Titel, Erfinder (alphabetisch), Aktenzeichen, Anmeldedatum, Zusammenfassung
Verfahren und Vorrichtung zur Untersuchung der molekularen Wechselwirkung von löslichen
oder suspendierbaren Wirkstoffen mit festphasen-gebundenen peptidischen oder peptidoiden
Zielmolekülen durch Kapillarplatten mit einer großen inneren Oberfläche
J. Helfmann, G. Müller, A. Frey, M.A. Schmidt
DE 100 15 391.7
Priorität: 28. März 2000
Zur Untersuchung der Bindung von Substanzen an Zielmoleküle wird eine dichtgepackte Anordnung
gesucht, bei der in vielen Probenarealen jeweils unterschiedliche Zielmoleküle gebunden
sind. Eine Kreuzkontamination sowie die Verdunstung ist zu minimieren, die aktive Oberfläche
der Probenareale zu maximieren. Die erfindungsgemäße Lösung besteht in der Verwendung
von Trägerplatten, die eine dichte Packung von Kapillarstrukturen enthalten und somit eine sehr
große innere Oberfläche bei kleinen äußeren Abmessungen besitzen. Hiermit können 1000-fach
mehr Moleküle gebunden werden als an einer flachen äußeren Oberfläche vergleichbarer Größe.
Die Kreuzkontamination wird durch das Fehlen von Querverbindungen zwischen den Kapillaren
verhindert, die Verdunstung durch eine kleine äußere Oberfläche minimiert. Nach der Silanisierung
der inneren Kapillaroberflächen werden darauf ortsgerichtet Peptide und Peptidomimetika
synthetisiert. Die Untersuchung der molekularen Wechselwirkungen von Komponenten der Substanzbibliothek
mit in Lösung oder Suspension befindlichen Wirkstoffen erfolgt durch ortsauflösende
optische Detektionsverfahren. Die Handhabung, insbesondere Reinigung und Belegung
mit Substanzen, geschieht einfach durch Durchspülen von Flüssigkeiten durch die Kapillarplatte.
DE G 200 05 738.3
PCT/EP01/03530 = WO 01/72412
EP 1 296 756
US 2003 01 65 998
GB / EP 1 296 756
IT / EP 1 296 756
FR / EP 1 296 756
Verfahren und Vorrichtung zur Messung von Streulichtverteilungen für optische Rekonstruktionsverfahren
J. Beuthan, H.-J. Cappius, U. Netz, G. Müller
DE 101 47 449.0
Priorität: 18. September 2001
Optisches Verfahren zur ortsaufgelösten Durchleuchtung von biologischem Gewebe für die optische
Tomographie mit bestmöglichem Gewebekontrast. Das Gewebe ist in ein Medium eingebettet,
welches eine bestmögliche optische Kopplung zwischen Quelle, Gewebe und Detektor
gewährleistet.

MT 83
MT 86
MT 87
Aktive Patente
Stand: 13. August 2010
Verfahren und Vorrichtung zur nichtinvasiven Bestimmung des Hämoglobingehaltes mit Sedimentationsunterstützung
M. Friebel, J. Helfmann, M. Meinke, G. Müller
DE 10 2004 013 960.1
Priorität: 9. Januar 2004 (Priorität geändert)
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Qualitätssicherung von Erythrozytenkonzentraten
mittels nichtinvasiver, optischer Bestimmung des extrazellulären Hämoglobingehalts
am Blutbeutelsystem mit Hilfe der Sedimentation zellulärer Blutbestandteile, ohne
den sterilen geschlossenen Blutbeutel öffnen zu müssen. Dabei werden zur Sedimentation von
Erythrozyten geeignete Vorrichtungen genutzt, wie z.B. stehende oder langsam laufende Ultraschallwellen
und/oder ein inhomogenes Magnetfeld oder eine mechanische Vorrichtung zur
Beschleunigung der Blutbestandteile.
Verfahren und Vorrichtung zur quantitativen Bestimmung von Blutmerkmalen durch optische
Messung
J. Helfmann, M. Meinke, G. Müller
DE 10 2004 010 788.2
Priorität: 4. März 2004
Zur Bestimmung der Blutgruppe und auch seltener Blutmerkmale wird eine Blutprobe auf ein
Substrat gegeben, das aus einer Vielzahl geordneter Kapillaren besteht. Diese Kapillaren bilden
zusammen mit den Stegen dazwischen eine Kapillarplatte, in der die Kapillaren zu beiden Seiten
der Platte hin offen sind. Die Bestimmung der Blutgruppe wird durch einen optischen Nachweis
der Bindung von Blutgruppenmerkmalen an die entsprechend stark bindenden Nachweismoleküle
an der Kapillarwandung durchgeführt. Es kann eine Vielzahl von Blutmerkmalen gleichzeitig
auf einem Substrat an unterschiedlichen Orten getestet werden, ohne dass eine Agglutination
oder Zentrifugation notwendig ist.
Applikationskatheter für Laserlicht
V. Knappe, D. Schädel,
TRUMPF Medizin Systeme GmbH & Co. KG: M. Glotz, M. Martin
DE 102 39 950.6 (Anmelder: TRUMPF Medizin Systeme GmbH & Co. KG)
Priorität: 30. August 2002
Ein Applikationskatheter zum Behandeln von Tumoren mit Laserlicht weist einen Lichtleiter für
dieses Laserlicht auf, der an seinem distalen Ende über einen Teil der Länge lichtabgebend ist.
Dieser Lichtwellenleiter ist in einem flüssigkeitsdichten oder Flüssigkeit abgebenden Hüllkatheter
angeordnet, welcher zumindest in dem lichtabgebenden Bereich des Lichtleiters lichtdurchlässig
ist. Der Hüllkatheter wird während des Gebrauchs mit Kühlflüssigkeit innenseitig durchströmt
und deshalb ist zwischen dem distalen Ende des Lichtleiters und dem Hüllkatheter innenseitig ein
diese Kühlflüssigkeit durchlassender Abstand vorhanden. Ferner ist dieser Lichtleiter innerhalb
des Hüllkatheter geführten und verschiebbaren Schiebers axial verstellbar und der Hüllkatheter
an seinem Ende zumindest über eine solche Länge lichtdurchlässig, dass der lichtabgebenden
Endbereich des Lichtleiters in seinen verschiedenen axialen Positionen, auch in der am weitesten
zurückgezogenen Position, noch innerhalb dieses lichtdurchlässigen Bereiches angeordnet bleibt,
also zur Wirkung kommen kann, so dass eine längere Koagulationsnekrose erzeugt werden kann,
als es der Länge des lichtabgebenden Endes des Lichtleiters entspricht.
Fakten
93

94
Fakten
MT 88a
MT 88b
MT 89
MT 90
Aktive Patente
Stand: 13.August 2010
Diffusor-Spitze zur homogenen Strahlungsverteilung von niederenergetischer Röntgenstrahlung
in einem Medium
H. Albrecht, H.-J. Cappius, T. Häupl,
Charite: J. Beuthan, F. Wacker,
Inst. f. Gerätebau: M. Haschke
DE 10 2006 043 551.6
Priorität: 12.09.2006
Die Erfindung zielt auf eine vollständigen Durchdringung eines Zielvolumens mit einer vorbestimmten
Strahlungsdosis durch eine Röntgenstrahlung streuende oder unter Röntgenstrahlung
fluoreszierende Substanz oder ein Substanzgemisch in Form kleiner röntgenstrahlungsablenkender
Partikel in einer röntgenstrahlungsdurchlässigen oder definiert röntgenstrahlungsschwächenden
Matrix verteilt, so dass eine rotationssymmetrische Strahlungsverteilung um die Achse
der auf diesen Streukörper (Diffusor) gerichteten Röntgenstrahlung erfolgt.
PCT/EP2007/059595
Optische Anordnung zur Erhöhung der Wechselwirkungslänge in stark streuender Matrix
H. Albrecht, H.-J. Cappius, J. Helfmann
DE 10 2007 054 309.5
Priorität: 08.11.2007
Verfahren und Vorrichtung zur hochempfindlichen Detektion einer auf einem optisch stark streuenden
Festkörpersubstrat befindlichen Substanz, die ihre optischen Eigenschaften bei Hinzukommen
einer zweiten zu analysierenden Substanz verändert. Um auch geringste Konzentrationen
dieser Substanz noch zu quantifizieren, wird als erfindungsgemäße Lösung die Empfindlichkeit
durch Maximierung der Weglänge erhöht. Damit wird die Interaktionslänge durch den geeigneten
Abstand von Einstrahlort und Detektionsort erfindungsgemäß bestimmt unter den Nebenbedingungen,
dass die Strahlung nicht das Medium verlässt und die detektierte Strahlungsmenge
am Detektor ausreichend hoch ist für eine rauscharme Detektion.
Anordnung zur Bestimmung optischer Eigenschaften bei mehreren Wellenlängen
H.-J. Cappius, J. Helfmann, K. Liebold
DE 10 2008 061 695.8
Priorität: 10.12.2008
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Detektion und Konzentrationsbestimmung von
Stoffen in inhomogenen Gemischen mit optischen Sensoren und betrifft insbesondere eine spezielle
Anordnung zur Transmissionsmessung mit mehreren schmalbandigen Lichtquellen, mit der
eine hohe Messgenauigkeit bei geringem Aufwand und hoher Zuverlässigkeit erreicht werden
kann. Erfindungsgemäß sind dabei die Lichtquellen, die über eine an die Messaufgabe angepasste
Wellenlänge verfügen, derart rotationssymmetrisch dicht an der optischen Achse eines
entsprechend breitbandigen Detektors angeordnet, dass die sich überdeckenden Strahlen in der
dazwischenliegenden Probe weitestgehend deckungsgleich verlaufen. Die Reduzierung der notwendigen
optischen Bauteile und die Verwendung von Licht emittierenden Dioden oder Laserdioden
gewährleisten dabei geringe Kosten bei hoher Zuverlässigkeit, ohne dass die Messgenauigkeit
stark abnimmt.

MT 91
MT 92
LT 42
Aktive Patente
Stand: 13. August 2010
Korrektur von Raman- oder Fluoreszenzmessungen bezüglich des Einflusses der optischen Eigenschaften
des untersuchten Mediums
H.-J. Cappius. J. Helfmann, G. Illing, C. Reble
DE 10 2009 007 398.1
Priorität: 30.01.2009
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Korrektur von Raman- oder Fluoreszenzmessungen
in biologischem Gewebe bezüglich des Einflusses der Absorptions- und Streueigenschaften
des Gewebes auf die spektrale Charakteristik und die Intensität des erhaltenen Signals.
Das Verfahren basiert auf der Kombination von Raman- oder Fluoreszenzspektroskopie mit einer
abstandsabhängigen Remissionsmessung. Das Verfahren ermöglicht simultane und unabhängige
Änderungen von Absorptions- (µa) und reduziertem Streukoeffizient (µs’) am Ort der spektroskopischen
Messung zu bestimmen. Eine Korrekturfunktion wird abhängig von Proben- und Detektionsgeometrie
bestimmt. Das Verfahren verbessert die Quantifizierung und erhöht somit den
Informationsgehalt des Signals.
Funktionseinheit aus selektiver optischer Beleuchtung und mehrerer synchronisierbarer, spektral
getrennter Bildaufnahmen ein und derselben Objektebene sowie Verfahren zur Herstellung
H.-J. Cappius, T. Häupl, N. Müller
DE 10 2009 009 610.8
Priorität: 17.02.2009
Kamera mit mindestens zwei Bildsensoren zur synchronisierbaren Erfassung von Abbildern eines
Objektfeldes bzw. Objektes vermittelt durch ein einziges Objektiv bzw. Bildleiter in mindestens
zwei verschiedenen Spektralbereichen. Die Vorrichtung schließt eine Lichtquelle ein, die derart
eingekoppelt ist, dass ihr Licht durch dieselbe Abbildungsoptik (Objektiv, endoskopischer Bildleiter),
also auf derselben optischen Achse zum Objektfeld gelangt, auf der die Bildaufnahme der
optischen Streu-, Absorptions- und Emissionseigenschaften erfolgt. Die Aufteilung der Lichtwege
für Objektfeldbeleuchtung und Bildaufnahme vermittelt ein Polarisationsteilermodul.
Verfahren und Vorrichtung zur aktiven Langzeitstabilisierung der Strahlungsintensität
D. Ashkenasi, R. Dietrich, N. Müller
DE 10 2004 020 043.2
Priorität: 21.April 2004
In vielen Laseranwendungen ist zur Prozessüberwachung die Kontrolle der mittleren Laserleistung
erforderlich. Diese soll möglichst zeitgleich zur Applikation der Laserstrahlung erfolgen. In der Laserpräzisionsbearbeitung
spielt die Langzeitstabilität der Laserleistung eine besonders wichtige
Rolle. Eine Regelung innerhalb der Laserkavität greift in deren empfindliches dynamisches Gleichgewicht
ein und ist daher abzulehnen. Durch eine laserexterne kombinierte Online-Messung und
aktive Abwärtsregelung der Laserstrahlung wird eine Stabilisierung der mittleren Laserleistung
unabhängig von der Art und Weise der Lasererzeugung gewährleistet.
Fakten
95

96
Fakten
LT 43
LT 44
LT 45
Aktive Patente
Stand: 13.August 2010
Vorrichtung zur online Messung und Protokollierung der Strahlungsintensität
D. Ashkenasi, R. Dietrich, N. Müller
DE 20 2005 011 047.7
Priorität: 07. Juli 2005
In vielen Laseranwendungen ist zur Prozessüberwachung die Kontrolle der mittleren Laserleistung
bzw. Energie erforderlich. Diese soll möglichst zeitgleich zur Applikation der eingestrahlten Lichtleistung
erfolgen. In der Lasermaterialbearbeitung spielt die Überwachung und Dokumentierung
der jeweiligen Prozesse im industriellen Umfeld hinsichtlich der Qualitätskontrolle eine besonders
wichtige Rolle. Bei einer Messung vor oder nach der Applikation kann der jeweilige Prozess
nicht ausreichend dokumentiert werden. Diese Vorgehensweise erhöht außerdem die Taktzeiten
erheblich und ist daher abzulehnen. Durch eine laserexterne Online-Messung im Strahlengang
nahe der Applikation wird eine lückenlose Prozessüberwachung erreicht und dokumentiert. Die
Überwachung ist einsetzbar unabhängig von der Art und Weise der Lichterzeugung.
Verfahren und Vorrichtung zur schnellen Ablenkung eines Lichtstrahles auf eine einstellbare
Kreisbahn
D. Ashkenasi, N. Müller
DE 10 2007 012 695.8
Priorität: 13.3.2007
Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur schnellen und präzisen, kreisförmigen Ablenkung
von Lichtstrahlung beschrieben. Als Lichtstrahlung dient z.B. ein gebündelter Laserstrahl,
der mittels Sammellinse auf ein Werkstück zum Mikroabtrag oder zur Kreisschweißung fokussiert
wird und dieser Fokus dann fortlaufend mit hoher Geschwindigkeit in einer einstellbaren Kreisbahn
um die optische Achse auf dem genannten Werkstück rotiert.
Verfahren und Vorrichtung zur schnellen Ablenkung eines Lichtstrahles auf eine einstellbare
Längsbahn
D. Ashkenasi, N. Müller
DE 10 2007 014 933.8
Priorität: 22.3.2007
Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur schnellen und präzisen, geradlinigen Ablenkung
von Lichtstrahlung mit kurzbrennweitigen Objektiven beschrieben. Als Lichtstrahlung
dient z.B. ein Laserstrahl, der mittels Objektiv auf ein Werkstück zum Mikroabtrag oder zur Linearschweißung
fokussiert wird und dieser Fokus dann fortlaufend mit hoher Geschwindigkeit in
einer einstellbaren Längsbahn orthogonal zur optischen Achse auf der Oberfläche des genannten
Werkstücks oszilliert.
Mit der beschriebenen Erfindung können zur Erzielung einer schonenden Materialbearbeitung
kurze und ultrakurze Laserimpulse mit sehr hoher Repetitionsrate auf einer definierten geradlinigen
Bahn auf dem zu bearbeiteten Werkstück geführt werden. Die Erfindung erlaubt Anwendungen,
bei der die wirksame Laserenergie über eine kurze Strecke mit möglichst hoher Geschwindigkeit
auf einem Werkstück verteilt werden soll.

LT 46a
LT 46b
LT 46c
Vorrichtung und Verfahren zum Führen eines Lichtstrahls
D. Ashkenasi, N. Müller
PCT/EP 2008/053042
Priorität: 13.3.2007 (LT44) / 22.3.2007 (LT45) / 13.3.2008
Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur schnellen und präzisen, kreisförmigen Ablenkung
von Lichtstrahlung in einem definierten Winkel zur Strahlungsrichtung beschrieben. Als
Lichtstrahlung dient z.B. ein Laserstrahl, der mittels Sammellinse auf ein Werkstück zu Materialbearbeitungszwecken
fokussiert wird und dieser Fokus dann fortlaufend mit hoher Geschwindigkeit
in einer einstellbaren, konzentrischen Kreisbahn mit einstellbarem Winkel um die optische
Achse auf dem genannten Werkstück rotiert.
Mit der beschriebenen Erfindung können zur Erzielung einer schonenden Materialbearbeitung
kurze und ultrakurze Laserimpulse mit sehr hoher Repetitionsrate auf einer definierten Bahn zur
Erzeugung von gewinkelten Bearbeitungsrändern auf dem zu bearbeiteten Werkstück geführt
werden.
DE 11 2008 000 681
DE 20 2008 017 745
Aktive Patente
Stand: 13. August 2010
Fakten
97

98
Fakten
Die gesamte LMTB in Dahlem
Umzug und Standortentwicklung
Seit Mitte 2010 befindet sich die gesamte
LMTB in der Fabeckstraße in Berlin Dahlem.
Unter anderem hatten freiwerdende
Räume dort dazu geführt, die Situation
neu zu bewerten. In der Folge wurde der
kleinere Adlershofer Unternehmensteil
nach Dahlem überführt. Dies ist dank
des großen Engagements der Mitarbeiter
ohne größere Störungen des laufenden
Betriebs gelungen, und der Umzug konnte
Ende Juni 2010 erfolgreich abgeschlossen
werden.
Neben allgemeinen Renovierungs- und
Anpassungsarbeiten in Folge des Umzugs
wurden in der Fabeckstraße im Untergeschoß
Laserlabore für die Mikromaterialbearbeitung
eingerichtet, einschließlich
der notwendigen Be- und Entlüftungssowie
Klimaanlagen. In der ersten Etage
wurden entsprechend Büros renoviert,
eine Elektronikwerkstatt etabliert und Besprechungsräume
angepasst. Dazu wurde
die Ausstattung des gesamten Hauses im
technischen Bereich, aber auch bezüglich
der Möblierung, optimiert.
Mit dem Umzug sind für das Applikationslabor
des Bereichs Angewandte Lasertechnik
beste Voraussetzungen geschaffen
worden, um in einer Vielzahl von Projekten
die Arbeiten an verschiedenen Lasersystemen
mit Probencharakterisierung,
Meetings und Präsentationen zu kombinieren,
dies in einem vitalen Umfeld mit
Praktika, Studienarbeiten und Kooperationspartnern.
Entsprechend der Anforderungen des neu
konzipierten Kurses „Lasermedizin von
A-Z – Von der Sach- und Fachkunde zur
klinischen Anwendung“ wurden die zugehörigen
Laserarbeitsplätze entsprechend
überarbeitet und die Räume renoviert,
so dass bei geringerem Raumbedarf eine
wesentlich verbesserte Lage entstanden ist.
Die LMTB verfügt nun fast über das
gesamte Gebäude in der Fabeckstraße,
wobei die Universitätsmedizin Charité bis
voraussichtlich Ende des Jahres noch in
einigen Räumen präsent ist.
Nach den Mühen und Kosten des Umzugs
macht sich nun eine deutlich verbesserte
interne Zusammenarbeit positiv bemerkbar,
wenn etwa bei der Geräteentwicklung
Konstruktion, Optikdesign, mechanische
Werkstatt, Elektronik- und Softwareentwicklung
wesentlich besser ineinander
greifen.
Der Standort in Berlin Dahlem bietet wegen
der Nähe zur Freien Universität, dem
Klinikum Benjamin Franklin der Charité,
der Bundesanstalt für Materialforschung
und -prüfung, dem MPI für Molekulare

Umzug und Standortentwicklung
Genetik, dem Fritz-Haber-Institut der MPG
und anderen Einrichtungen, nicht zuletzt
wegen der vitalen Tradition eines der großen
Wissenschaftsstandorte der Welt, ein
fruchtbares Umfeld für die LMTB.
In diesem Kontext hat unter aktiver Beteiligung
der LMTB eine Initiative zur Schaffung
eines Technologie-Centers am Standort der
LMTB Fahrt aufgenommen. Die Zeit ist reif
dafür, da es einerseits im Berliner Südwesten
kein Gründerzentrum oder ähnliches
gibt, andererseits aber ein beträchtliches
und wachsendes Ausgründungspotential
der umliegenden Forschungseinrichtungen
(Freie Universität, Bundesanstalt für
Materialforschung und -prüfung, MPI für
Molekulare Genetik, u.a.) besteht. Dies hat
in der Vergangenheit immer wieder dazu
geführt, dass Ausgründungen in einem
sehr frühen Stadium abwandern mussten.
Die aus der LMTB ausgegründete Celon AG
(heute Teil von Olympus Deutschland)
ist ein Beispiel hierfür.
Der Bezirk Steglitz-Zehlendorf ist an der
Initiative zur Schaffung eines Technologie-
Centers maßgeblich beteiligt und nach
einer Vorevaluierung wurde das Gelände
Fabeckstraße als einziger Standort in die
weitere Planung aufgenommen. Zur Konzepterstellung
konnten Planungsmittel
beschafft werden, und die Innovations-
Zentrum Berlin Management GmbH
(IZBM) als erfahrener Technologieparkbetreiber
hat die Ausarbeitung übernommen.
Noch in 2010 dürfte eine belastbare
Planung vorliegen, die die Möglichkeiten
des Standorts und eine Einschätzung der
Nachfrage für einen dauerhaft wirtschaftlichen
Betrieb aufzeigt.
Für die LMTB als Technologie-Tansfereinrichtung
besteht somit die Perspektive,
Teil eines Technologie-Centers zu werden,
dies in einem biomedizinisch-optisch
starken Umfeld.
Fakten
99