Ob als Bearbeitungswerkzeug oder als Bestandteil eines Medizinproduktes, der Laserstrahl muss dynamisch, präzise und zuverlässig an die richtige Stelle geführt werden. Piezobasierte Antriebe übernehmen diese Aufgabe und sind kompakt gebaut.
Laser sind vielseitige Werkzeuge. In der Materialbearbeitung kann man heute genauso wenig auf sie verzichten wie bei Operationen am Auge oder in der Super-High-Resolution-Mikroskopie. Überall aber muss der Laserstrahl exakt positioniert werden und dynamisch und zuverlässig arbeiten können. Gleichzeitig ist der Bauraum für den Antrieb knapp. Unter diesen Voraussetzungen gibt es zu piezoelektrischen Antriebskomponenten oft keine ernstzunehmende Alternative.
In der Medizin lassen sich beispielsweise Fehlsichtigkeiten am Auge dank refraktiver Operationstechniken bis in hohe Dioptrienbereiche ausgleichen. Dazu wird die Hornhautform in der Sehachse modelliert, indem Laserstrahlen Hornhautpartikelchen entfernen. Dann passt die resultierende Brechkraft der Hornhaut – des Epithels – wieder zur Länge des Augapfels. Hier finden piezogetriebene Kippspiegelsysteme ein breitgefächertes Anwendungsgebiet. Sie arbeiten genau, bieten hohe Beschleunigungen und eine große dynamische Bandbreite.
Bei Kippspiegelsystemen mit mehreren Bewegungsachsen sind die Piezoantriebe in parallelkinematischen Positioniersystemen eingesetzt. Diese Bauform hat gegenüber seriellen Systemen verschiedene Vorteile: So gibt es nur eine bewegte Plattform mit gemeinsamem Drehpunkt, die Dynamik ist höher und der Platzbedarf kleiner. Außerdem können die Systeme eine höhere Genauigkeit erreichen als dies durch Hintereinanderschalten von zwei Einachssystemen realisierbar ist. Integrierte hochauflösende Positionssensoren sorgen für hohe Linearitätswerte von besser als 0,25 % über den vollen Stellbereich und für eine Wiederholgenauigkeit von typischerweise 5 µrad.
Auch in der Laser-Scanning-Mikroskopie muss der Laserstrahl zum Anregen von Fluoreszenzen in der Probe positioniert und fokussiert werden. Während bei konfokalen Verfahren die Galvanoscanner mit ihrer Präzision in den meisten Fällen sicherlich ausreichen, stößt diese Lösung im Bereich der Super-High-Resolution-Mikroskopie schnell an Grenzen. Hier gelten höhere Anforderungen an die Genauigkeit mit Auflösungen um die 10 nm, bei gleichzeitig hoher Dynamik. Hier spielen piezogetriebene Kippspiegel und -plattformen wieder ihre Vorteile aus. Die S-334 Kippplattformen und Scanner beispielsweise erlauben es, die Deckplattform in zwei orthogonalen Achse sehr dynamisch und präzise zu kippen. Die reibungsfreien Piezoantriebe und Festkörperführungen ermöglichen höhere Beschleunigungen als konventionelle Antriebe und bieten dabei in der Positionsregelung Scanfrequenzen von über 100 Hz über Kippwinkelbereiche von bis zu 3°. Mit dem E-616 steht ein eigens für Piezokippspiegel entwickelter Controller zur Verfügung, der die Funktionen eines mehrkanaligen Reglers und Verstärkers vereint. Über seine interne Hardware kann eine Koordinatentransformation durchgeführt werden, was das Ansteuern proportional zum Ablenkwinkel ermöglicht.
Auch die keramischen PI-Line-Ultraschallmotoren können den Laserstrahl lenken. Sie sind schnell, kompakt und bieten eine hohe Beschleunigung. Das patentierte Antriebs-prinzip macht sie im Ruhezustand selbsthemmend. Linearmotoren und Antriebe sind im Allgemeinen ungeführt aufgebaut, so dass sie sich in das System des Anwenders integrieren lassen. Es gibt jedoch auch einbaufertige Komplettlösungen. Der Präzisions-Mikrolineartisch M-663, der sich bei Bedarf auch für XY-Kombinationen eignet, ist ein Beispiel dafür. Er bietet Geschwindigkeiten von bis zu 400 mm/s und Stellwege bis 19 mm bei Auflösungen bis zu 0,1 µm. Ein berührungslos messender optischer Linearencoder garantiert hohe Linearität und Wiederholgenauigkeit. Mit 15 mm Höhe, 30 mm Breite und 35 mm Länge baut der Mikrostelltisch sehr kompakt. Zur einfachen Integration in ein Gerät trägt sicherlich auch bei, dass die passenden Treiberelektroniken und Controller vom gleichen Hersteller verfügbar und somit auf den Mikrolineartisch abgestimmt sind.
Für Laserstrahlsteuerung und -fokussierung erschließen sich durch solche Positionierlösungen interessante Möglichkeiten, von denen heute alle Bereiche profitieren, in denen die Laserbearbeitung Einzug hält.
- Steffen Arnold Physik Instrumente (PI), Karlsruhe
- Ellen-Christine Reiff Fachjournalistin in Stutensee
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Piezoaktoren im Laserumfeld
Aktoren, die auf dem Piezoeffekt basieren, bewegen sich mit Auflösungen im Sub-Nanometerbereich und haben Ansprechzeiten unter 1 ms, wodurch ein dynamischer Betrieb mit Scanfrequenzen bis zu 1000 Hz möglich ist. Da die Bewegung auf kristallinen Festkörpereffekten beruht, gibt es keine rotierende oder reibende Mechanik, und ohne die im klassischen Sinn bewegten Teile sind Piezoaktoren wartungsfrei. Piezoaktoren verbrauchen darüber hinaus im statischen Betrieb keine Energie, denn sie wirken elektrisch wie kapazitive Lasten.
In vielen Anwendungen zur Laserstrahlsteuerung sind piezobasierte Antriebs- systeme heute eine gute Wahl. Analoge oder digitale Controller, die auf die jeweiligen Positioniersysteme abgestimmt sind, ermöglichen zudem eine einfache Integration in die jeweilige Applikation. Ein Vorteil der Digitalcontroller ist dabei, dass durch Rechenalgorithmen alle Bewegungsparameter gezielt beeinflusst werden können. Das steigert Präzision und Dynamik bei gleichzeitig hohem Bedienkomfort. Für die Laserstrahlsteuerung bieten piezoelektrische Antriebs- und Positioniersysteme damit interessante Möglichkeiten, zumal dann, wenn sie mit Sensorik kombiniert werden, die für das hochpräzise Positionieren erforderlich ist.
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