BERT HOLD LEIBI NGER INNOVATIONSPREIS ZUKUNFTSPREIS 2014 „Mit schöpferischem Tun, ob ”I am truly fascinated by creative technischer oder künstlerischer Art, activity, regardless of whether technical ist für mich eine große Faszination or artistic in nature. And ultimately, verbunden. Und letztlich sind technology and art are really Technik und Kunst gar nicht so verschieden. not that far different. The finest results Ihre besten Ergebnisse are made from the same stuff, sind aus demselben Stoff – the stuff dreams are made on.” dem Stoff, aus dem Träume sind.“ Professor Dr. techn. Dr.-Ing. E. h. Berthold Leibinger Professor Dr. techn. Dr.-Ing. E. h. Berthold Leibinger ANREIZ UND BESTÄTIGUNG STIMULUS AND RECOGNITION Dr. Nicola Leibinger-Kammüller

Seit fast anderthalb Jahrzehnten vergibt die Berthold Leibinger Stiftung ihren Innovationspreis. Die Preisverleihung hat sich in dieser Zeit zu einem festen Bestandteil der internationalen Laserszene entwickelt. Alle zwei Jahre treffen sich unter dem Dach von TRUMPF in Ditzingen Wissenschaftler und Anwender aus den verschiedensten Fachgebieten der Lasertechnik, um beispielhafte Innovationen zu würdigen. Wie unterschiedlich die Anwendungen sein können, für die der Laser heute steht, zeigt allein ein Blick auf einige der Nominierten von 2014. Die Themen der Wettbewerbsbeiträge reichen von der lasergestützten Kommunikation zwischen Satelliten über diagnostische Anwendungen in der Medizin bis hin zu Sensoren For almost a decade and a half now, the Berthold für mehr Sicherheit im Schienenverkehr. Es geht Leibinger Stiftung has been proud to present its um hochgenaue Messungen der Gravitation für Innovationspreis. In the meantime the Award Ceremony Geologen, um Beschichtungstechnologien für Hoch- has become a fixed event for the international leistungsoptiken, aber auch um das Laserschweißen community of laser enthusiasts. im Vakuum oder den Einsatz von Laserlicht für Every two years, scientists and users from die Fernausleuchtung im Straßenverkehr. every conceivable field of endeavor gather at TRUMPF Die große Anzahl exzellenter Arbeiten, die in Ditzingen to recognize exemplary innovations. uns aus aller Welt erreichen, bestätigt: Die Zahl The spectrum of applications in which the laser der Erfindungen und der Innovationen rund um das is used today is reflected in the 2014 finalists and is faszinierende Laserlicht nimmt auch fünf Jahrzehnte illustrated by their stories. The topics among the nach dessen erster Erzeugung weiter zu. submissions for the competition include laser-supported Wir wollen mit dem Innovationspreis und communications between satellites, diagnostic dem Zukunftspreis Wissenschaftlern und Anwendern applications in medicine, and sensors to improve safety Anreiz und Bestätigung geben. Und wir freuen in rail traffic. Other efforts are devoted to highly accurate uns mitzuhelfen, ihre Innovationen aus der measurements of gravitation for use by geologists, faszinierenden Welt des Laserlichts einer breiteren coating technologies for high-performance optical Öffentlichkeit vorzustellen. products , laser welding in a vacuum, and using laser light as high beams in vehicles. The large number of outstanding achievements, reaching us from all around the world, confirms one thing. The volume of inventions and innovations based on the fascinating light produced by lasers continues to grow, even five decades after laser light was first sparked. With the Innovationspreis we want to provide both stimulus and recognition to scientists and users. We are delighted that we can feature their innovations in the fascinating world of the laser and make them known to a broader public. 4 ANGEWANDTE LASERTECHNOLOGIE APPLIED LASER TECHNOLOGY

Licht belebt, es beeindruckt die Sinne und fasziniert als vielseitiges Werkzeug. Um die große Bedeutung von Licht in das öffentliche Bewusstsein zu rücken, hat die Vollversammlung der Vereinten Nationen das Jahr 2015 als das Internationale Jahr des Lichts ausgerufen. Zu Recht! Einen maßgeblichen Anteil an den technischen Anwendungen von Licht hat der Laser. Er liefert Licht in maßgeschneiderter Qualität: rein, genau und stark. Seit der erste Laser 1960 der Öffentlichkeit vorgestellt wurde, beflügelt er die Fantasien in Literatur und

Film ebenso wie in Naturwissenschaft und Technik. Laser Drei Innovationspreise prämieren Arbeiten, die sind inzwischen alltäglich im Gebrauch: zu Hause und im praxisnahe Erkenntnisse schaffen und diese zielgerechnet Büro, beim Arzt, im Labor, in der Werkstatt und in den für die Umsetzung neuer Techniken anwenden. Sie sind Fabrikhallen. Und noch immer fasziniert uns das Laserlicht. international ausgeschrieben und mit 3 0 000, 20 000 Dies liegt auch daran, dass viele Laseranwendungen für und 1 0 000 Euro dotiert. Der Zukunftspreis würdigt Laien nicht sichtbar sind. einzelne Personen, die mit Ihrem Wirken maßgebliche Mit den internationalen Auszeichnungen für ange - Entwicklungen in der Forschung und Anwendung wandte Lasertechnologie möchten wir faszinierende von Laserlicht vorangetrieben haben. Er ist mit 3 0 000 Euro Anwendungen und Neuentwicklungen von Lasern sowie dotiert und wird wie die Innovationspreise alle zwei Jahre ihre Schöpfer und Wegbereiter in das Licht der Öffent- verliehen. lichkeit bringen. Light is the basis of living; it lets us marvel, impresses our in literature and movies as well as in science and technology. 5 senses and – as a most versatile tool – fascinates our minds. Nowadays, lasers are in daily use: at home and at the office, at In recognition of the significance of light the General Assembly medical centers, laboratories, shop floors and factories. And still, of the United Nations proclaimed 2015 as the International lasers have lost nothing of their fascination. One reason may Year of Light. Quite rightly so! also be that many applications of lasers are practically invisible Lasers account for an appreciable portion of technical to non-professionals. applications of light. They produce quality light tailored to specific With the international awards for applied laser technology, needs: pure, precise and powerful. Since the presentation of we want to shine a very public light on the fascinating applications the first laser to the public in 1960, they have spurred fantasies and new developments of lasers as well as on the originators.

Three innovation prizes honor work that brought forward Inhalt | Contents practical knowledge, harnessing it for new technical possibilities. Submissions are called for internationally and the prizes Nominierte | Finalists 6 are worth 30,000, 20,000 and 10,000 euros. The Zukunftspreis Die Preisverleihung | The Award Ceremony 8 recognizes individuals who have impelled major scientific or Innovationspreis: technical developments in laser technology with 30,000 euros. 1. Preis | First Prize 10 Just like the Innovationspreis, it is presented every other year. 2. Preis | Second Prize 14 3. Preis | Third Prize 17 Zukunftspreis: Professor Philip Russell 20 Preisträger seit 2000 | Laureates 24 Die Stiftung | The Foundation 26 6 Aus den Bewerbungen und Vorschlägen NOMINIERTE für den Berthold Leibinger Innovationspreis nominiert die Jury acht Kandidaten. FINALISTS Diese werden eingeladen, ihre Arbeiten in der Jurysitzung persönlich zu präsentieren.

From all the entries received , the jury selects eight finalists for the Berthold Leibinger Innovationspreis. They are invited to present their work in person during the jury session.

Die Jury | The Jury

Stephen Anderson Industry & Market Strategist, SPIE-The international society for optics and photonics

Prof. Dr. Hans-Peter Berlien Chefarzt der Abteilung für Lasermedizin, Ev. Elisabeth Klinik Berlin Chief Physician of the Laser Medical Department, Elisabeth Hospital Berlin

Dr. Hermann Gerlinger Mitglied des Konzernvorstands der Carl Zeiss Gruppe und Vorsitzender der Geschäftsführung der Carl Zeiss SMT GmbH Member of the Executive Board of the Carl Zeiss Group, President and CEO of Carl Zeiss SMT GmbH

Prof. Dr. Theodor Hänsch Max-Planck-Institut für Quantenoptik Max Planck Institute for Quantum Optics

Prof. Dr. Henning Kagermann Präsident von acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften e.V. President of acatech – National Acadamy of Science and Engineering

Prof. Dr. Ursula Keller Eidgenössische Technische Hochschule Zürich, Institut für Quanten-Elektronik Swiss Federal Institute of Technology Zurich, Institute of Quantum Electronics Ein neues effizientes, kompaktes Beleuchtungssystem für Fahrzeuge mit Prof. Dr. Wolfgang Marquardt Hochleistungs-Diodenlasern Vorsitzender des Vorstandes, Forschungszentrum Jülich A New Efficient, Compact Vehicular Chairman of the Board of Directors, Forschungszentrum Jülich Illumination System Using High- Power Semiconductor Laser Diodes Prof. Dr. John Stuart Nelson Dr. Helmut Erdl, Dr. Abdelmalek Hanafi Ärztlicher Direktor des Beckmann Laser Institute BMW Group, Deutschland/Germany Medical Director of the Beckmann Laser Institute

Prof. Dr. Orazio Svelto Technische Universität Mailand, Fakultät für Physik Technical University of Milan, Department of Physics

Prof. Dr. Hans-Jürgen Warnecke Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung Fraunhofer Institute for Manufacturing Engineering and Automation

Prof. Dr. Michael Zäh Technische Universität München, Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften Technische Universität München, Institute for Machine Tools and Industrial Management Erster kommerzieller few-cycle optisch- Laserbasiertes Datenübermittlungs- parametrischer chirped-pulse system für Echtzeitverbindungen 7 Verstärker mit Satelliten First Commerical Few-Cycle Optical Laser-Based Data Relay System Parametric Chirped-Pulse Amplifier for Realtime Access to Satellites Dr. Thomas Binhammer, Matthias Motzigemba, Dr. Stefan Rausch, Dr. Frank Heine, Gerd Mühlnikel, Prof. Dr. Uwe Morgner, Dr. Oliver Dr. Herwig Zech Prochnow, Jan Matyschok Tesat-Spacecom GmbH & Co. KG, Venteon Laser Technologies GmbH, Deutschland/Germany >> Deutschland/Germany

Wellenlängen-durchstimmbarer Laser mit Faser-Bragg-Gitter-Sensornetzwerk für Eisenbahnmonitoring Wavelength-Tunable Laser with Fiber Bragg Grating Sensing Network for Railway Monitoring Prof. Hwa-yaw TAM, Prof. Siu Lau HO, Dr. Shun-Yee Michael LIU The Hong Kong Polytechnic University <<

Erfindung und Entwicklung des Laser-optoakustischen bildgebenden Systems Invention and Development of the Laser Optoacoustic Imaging System Dr. Alexander A. Oraevsky TomoWave Laboratories, Inc., Houston, Texas, USA

Maßgeschneiderte Hochleistungs- Laseroptiken Tailored High-Performance Laser Optics Dr. Johannes Ebert, Laseroptik GmbH, Hartmut Heyer, Layertec GmbH, Entwicklung eines Absolut- Prof. Dr. Norbert Kaiser, Fraunhofer-Institut Entwicklung, Aufbau und Test einer Quantengravimeters für Optik und Feinmechanik, Taktanlage für das Laserschweißen Development of an Absolute Prof. Dr. Detlev Ristau, Laserzentrum in Vakuum Quantum Gravimeter Hannover e.V., Development, Setting-Up and Dr. Arnaud Landragin, Deutschland/Germany Testing of an Indexing System for Dr. Bruno Desruelle, Laser Beam Welding in Vacuum Dr. Philippe Bouyer Prof. Dr. Uwe Reisgen, Dr. Simon Olschok, Muquans, Frankreich/France Stefan Jakobs, RWTH Aachen, Dr. Michael Mücke, PTR Präzisionstechnik GmbH, Deutschland/Germany 8 DIE PREISVERLEIHUNG THE AWARD CEREMONY

Ein feierlicher Festakt und ein internationales Treffen für die Lasertechnologie: Alle zwei Jahre begegnen sich auf der Preisverleihung Pioniere und Nachwuchs, Industrie und Wissenschaft, Spezialisten und Laien quer durch alle Disziplinen. Nicht nur die Laudatoren stellen die Breite, Bedeutung und Chancen der Lasertechnologie dar, sondern auch anschauliche Filme. Erleben Sie die Preis- verleihung im Internet: www.leibinger-stiftung.de/Preisverleihung und www.youtube.com/leibingerlaserprize. 9

A festive, international meeting for laser technology: Pioneers and young specialists, industry and science, experts and non-professionals from a wide variety of disciplines meet every other year at the Award Ceremony. Not only did the laudators vividly present the wide spectrum, importance and chances of laser technology; the film portraits also showed personal sides of the prize winners . Take a look at the Award Ceremony in the internet: www.leibinger-stiftung.de/AwardCeremony and www.youtube.com/leibingerlaserprize. 10 1. PREIS FIRST PRIZE Optoakustische Brustkrebsdiagnose

Licht und Ton sind zwei bekannte physikalische 1 Phänomene. Beide sind nicht nur unerlässlich für die Sinnes- wahrnehmung der Umwelt, der Mensch hat auch eine Fülle von Instrumenten erfunden, die elektromagnetische Wellen oder Schall nutzen, um tief in den Körper hineinzusehen. Dr. Alexander Oraevsky entwickelte eine neue Technik, die beides, Licht und Schall, für medizinische Bildgebung mit - einander verbindet.

Er erkannte in den frühen 1990er-Jahren, dass der bereits bekannte optoakustische Effekt, bei dem Licht Schall- wellen erzeugt, sich auch für die Bildgebung eignet – jedoch nur bei Verwendung von Laserlicht mit bestimmten Eigen- schaften. Seine Technik der Laser-optoakustischen Bild- gebung nutzt Nanosekunden-Laserpulse, um im Gewebe Ultraschallwellen zu erzeugen. Mikrofone registrieren diese Schallwellen dann außerhalb des Körpers. In den ersten Experimenten zeigte die Methode, dass sie durch eine Hühnerbrust hindurch eine darunter versteckte Leber sehen kann. Als medizinische Anwendung sieht sie heute durch menschliches Brustgewebe, um Krebsgeschwüre zu identifizieren. Diese tödlichen Tumore sind schwer von Geschwülsten und gutartigen Tumoren zu unterscheiden. Ein großes Potenzial der optoakustischen Bilder: Pictures: 11 1) Dr. Alexander A. Oraevsky … 1) Dr. Alexander A. Oraevsky … 2) … beim amerikanischen Familienunternehmen Seno 2) … at the American family-owned company, Seno Medical Medical Instruments. Hier wurde eine multizentrische klinische Studie Instruments. They started a multicentric clinical study zur optoakustischen Brustkrebsdiagnose in Auftrag gegeben. on breast cancer diagnostics using optoacoustic imaging. 3) Visualisierung der Arterien und Venen. Mit dem Laserlicht lässt 3) Visualizing arteries and venes. Laser light can distinguish between sich sauerstoffreiches von sauerstoffarmem Blut unterscheiden. oxygen-rich and oxygen-poor blood.

2

3

Bildgebung gegenüber der heutigen Mammographie liegt im höheren Kontrast. Weitere Vorteile sind, dass sie keine ionisierende Strahlung einsetzt und die Brust für Aufnah- men nicht komprimiert werden muss. Doch es geht um mehr als Brustkrebsdiagnose. Dank der Fähigkeit, die Konzentration verschiedener biologischer Moleküle und Kontrastmittel zu visualisieren, ist sie in der Forschung bereits ein wertvolles Instrument. Sie eröffnet neue Einblicke und wird in Zukunft weitere medizinische Anwendungen ermöglichen. Die Aussichten erscheinen riesig, mit endoskopischen Anwendungen, die das Laserlicht in tiefere Regionen führen, und der In-vitro-Detektion von Pathogenen mit höherer Sensitivität als herkömmliche Verfahren. Alexander Oraevsky begann seine Pionierarbeit im Gebiet der optoakustischen Bildgebung, Messung und Beo- bachtung 1987 nach der Promotion über Laserspektroskopie und Laserbiophysik an der damaligen sowjetischen Akade- mie der Wissenschaften. 1992 startete er seine wissenschaft- liche Karriere in den USA, an der Rice University. Schon 1998 begann er mit der Kommerzialisierung seiner wissenschaft - lichen Arbeiten, die er parallel fortführte. In seiner Firma Tomowave Laboratories arbeitet er mit einem Team von Wissenschaftlern und Entwicklern zugleich an der Fortent- wicklung der technologischen Möglichkeiten und an der Verwirklichung von Anwendungen. 12 1. PREIS FIRST PRIZE Optoacoustic Diagnostics for Breast Cancer

Light and sound: two well known different physical phenomena. Both are key for human perception of the environ - ment; mankind has also invented a multitude of equipment to use electromagnetic radiation or sound to look closer and deeper into the body. Dr. Alexander A. Oraevsky has developed a new technique that combines both light and sound for biomedical imaging. In the early 1990s he found that the already well-known optoacoustic effect of light producing sound can indeed be used for imaging by applying the appropriate laser light.

1

His technique of laser optoacoustic imaging uses nanosecond- short laser light pulses to generate ultrasonic waves inside the tissue, which are detected outside the body. This allows for suffi - cient spatial resolution and a high specificity of the signals, be- cause different molecules absorb laser light of certain wavelengths differently. In early experiments the method proved it can look through chicken breast to “see” a hidden liver. More practically, today it looks through human breast tissue to find cancerous tumors, a common and often deadly disease when not treated early. Unfortunately, the fatal tumors are hard to differentiate from lumps or benign tumors. The potential of optoacoustic imaging is the very high contrast given But laser optoacoustic imaging is about more than the for cancerous tumors, compared to the mammography method high hopes placed in it for breast cancer diagnosis. With its abil- practiced worldwide today. Also it does not use ionizing radia- ities to visualize the concentration of different biological mol- tion, needs no compression of the breast and can be performed ecules and contrast agents, depending on the applied laser light locally at regional health centers. This is possible because the laser wavelengths, it is already a valuable tool in research. It reveals not optoacoustic effect visualizes the microvascular blood system of only new insights but will also come up with more medical appli - the cancerous tumor. Aggressive tumors need lots of oxygen and cations for specific indications in the future. The prospects are thus lots of blood, as opposed to harmless tumors or lumps. In huge, including endoscopic application of the laser light, getting 2013 the U.S. company Seno Medical Instruments, started a two- close to the region of interest, and even in-vitro pathogen detec - year, multi-center clinical trial to evaluate the diagnostic capabil- tion with higher sensitivity. ities for breast cancer with devices that are based on Oraevsky’s patents. 2 13

3

Bilder: 1) Die multinationale Entwicklungsmanschaft bei Tomowave. 2) Auch am MD Anderson Cancer Center in Houston, Texas, wird die Praxistauglichkeit untersucht. 3) Mit optoakustischen Untersuchungen von Proben lassen sich auch Marker und Pathogene vieler Krankheiten nachweisen.

Pictures: 1) The multinational development team Alexander Oraevsky began his pioneering work in the at Tomowave. 2) Among others, the MD Anderson field of optoacoustic imaging, sensing and monitoring in 1987 Cancer Center in Houston, Texas, is studying after he had obtained his doctorate for laser spectroscopy and the benefits and practicality. laser biophysics at what was then the USSR Academy of Sciences. 3) Optoacoustic examination of probes reveals In 1992 he began his scientific career in the U.S., joining the facul - markers and pathogens of many diseases. ty of Rice University. Already in 1998 he began commercializing the technology while continuing scientific research in this field. At Tomowave Laboratories, he and a team of scientists and devel- opers work on both expanding the technological frontiers and advancing its applications. 14 daher zunächst Kopfschütteln. Auf der Automobilmesse 2. PREIS IAA 2011 war es aber so weit: BMW stellte das weltweit erste Laser-Beleuchtungssystem vor. Im Sommer 2014 ging SECOND PRIZE das Laser-Fernlicht mit dem Plug-in-Hybrid-Sportwagen BMW i8 in die Serie und nun war klar: Für Scheinwerfer hat Laser-Scheinwerfer eine neue Ära begonnen. Nicht nur am Automobil, denn Interesse kam schnell auch aus anderen Bereichen. Der Clou am Laser-Scheinwerfer: Das Licht von blauen Laserdioden wird nicht direkt auf die Straße gelenkt, sondern fällt auf einen Leuchtstoff. Dieser wandelt einen Teil des Laserlichts in ein breiteres Spektrum gelbli - Das Spektrum der Laseranwendungen ist sehr breit. chen Lichts um, welches zusammen mit dem restlichen blau - Laserlicht wird als Skalpell ebenso eingesetzt wie als Nach- en Licht ein tageslichtähnliches, für die Augen angenehmes richtenübermittler in Glasfasernetzwerken, als hochsensible weißes Licht erzeugt. Das Prinzip, mithilfe eines Leucht- Spürnase und genauso zum Schneiden oder Schweißen von stoffs aus blauem Licht weißes zu machen, ist das gleiche, Blechen. Die zwei BMW-Entwickler Dr. Helmut Erdl und wie es die meisten Weißlicht-LEDs nutzen. Doch das nahezu Dr. Abdelmalek Hanafi fügten eine fundamental neue punktförmige Laserlicht erlaubt es, auch mit kleinen Reflek- Laseranwendung hinzu: eine für Licht im Grunde ureigene toren noch in Entfernungen von bis zu 600 Metern die Anwendung, die Beleuchtung. Straße voll auszuleuchten.

2

Doch von der Idee bis zum robusten Modul für den Serieneinsatz in einem Fahrzeug mit seinen hohen Anforderungen an Sicherheit und Zuverlässigkeit war es ein weiter Weg. Trotz all der anspruchsvollen Entwicklungs- 1 arbeiten, bei denen im Laufe des Projektes ein wachsendes Team mithalf, ist die entscheidende Leistung von Erdl und Im Jahr 2009 entdeckten die beiden Physiker die Hanafi, dass sie an ihre Idee glaubten und an ihr festhielten. Vorzüge von Diodenlasern als Lichtquelle: Noch kompakter und sparsamer als LEDs, sind sie außerdem in der Lage, mit einem gebündelten Strahl in weite Ferne zu leuchte n–ideal für automobiles Fernlicht. Dieses ist für sicheren Straßen- verkehr von großer Bedeutung, denn Licht ist Leben, wie die Unfallstatistiken deutlich zeigen. Doch Laser gelten als gefährlich für die Augen und als einfarbig, also ungeeignet für Beleuchtungen. Für ihre Idee ernteten Erdl und Hanafi 15

Laser Light Headlamps

A broad spectrum of laser applications has been devel- oped. Laser light is used for scalpels as well as in telecommunica - tion, in highly sensitive detectors, and also for cutting and welding metal. To the endless list of laser applications, BMW developers Dr. Helmut Erdl and Dr. Abdelmalek Hanafi have added another fundamentally new one, a very natural one for light: illumination. In 2009, while the transition from incandescent lamps to more efficient illuminants was widely discussed, the two physi - Bilder: cists discovered the advantages of diode lasers for illumination. 1) Dr. Helmut Erdl und Dr. Abdelmalek Hanafi More compact and efficient than LEDs, they can also be used to im Fahrsimulator. shine a collimated beam of light into the far distance. This is ideal 2) Das Scheinwerfer-Fernlicht mit Laserdioden kam 2014 mit dem BMW i8-Modell in die Serie. for the high beam of automobiles and of great importance for traffic safety. Accidents statistics show that light means life. But Pictures: laser light is considered being monochromatic and dangerous for 1) Dr. Helmut Erdl and Dr. Abdelmalek Hanafi inside the eyes. Hence, the idea put forth by Erdl and Hanafi caused the simulator for vehicle ligthning. shak ing of heads among colleagues and experts. Eventually at the 2) The high-beam headlights using diode lasers went into automobile fair IAA 2011 the time had come: BMW presented the volume production with the BMW i8 model in 2014. world’s first laser-based vehicular illumination system. Finally, with the announcement to bring the laser high-beam into series pro - duction with the BMW i8 plug-in hybrid sports car in the summer of 2014, it was clear that a new era of headlamps had begun, and not only for automobiles, as interest quickly came also from other sectors using far-reaching lamps. 16 2. PREIS SECOND PRIZE

The key idea behind the laser high beam: The light of the blue laser diodes does not shine directly on the street. It is di- rected onto a phosphor that absorbs a part of the laser light and reemits a broad yellow spectrum of light. This yellow light, mixed with the rest of the original blue, becomes a white similar to day- light and comfortable to the eye. The emitted beam is not a laser beam; experts called this light phosphorescence. The principle of generating white from blue light with the help of a phosphor is the one used in most of the white light LEDs. But the almost point- shaped laser light as energy source for the phosphor allows for full illumination of the street at distances of up to 600 meters, even with small reflectors. Additionally, the laser system has the impor - Bilder: tant advantage that the phosphor does not have to be placed In bis zu 600 Meter Weite reicht der schmale Lichtkegel des Laser-Fernlichts. Es ergänzt konventionelle LED-Lampen directly onto the surface of the laser. Blue lasers of sufficient power für gute Fernsicht auch bei Dunkelheit. were still lacking during the early years of development, but the two physicists were sure that the continuous progress of these Pictures: lasers would play right into their hands. The narrow cone of the laser high beam illuminates It was a long way from the initial idea to a robust mod- up to 600 meters in the distance. It is a supplement to conventional LED light to enhance ule for series production and installation in an automobile, with its vision in darkness. high security and reliability requirements. In spite of the demand- ing development efforts, suported over time by an ever growing team, the crucial achivement by Erdl and Hanafi was their belief in their idea, sticking to their goals until they were reached. 3. PREIS 17 THIRD PRIZE Intelligente Schienenverkehrs-Sensoren

Dr. Shun-Yee Michael Liu, Professor Hwa-yaw Tam, Professor Siu Lau Ho

Drei Buchstaben bezeichnen eine Technologie, die Tam, Ho und Liu begannen ihre Untersuchungen in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt wird: FBG. zur Anwendung photonischer Sensoren als Kooperation Das Akronym steht für Faser-Bragg-Gitter. Diese speziellen zwischen der Arbeitsgruppe Photonik von Tam und dem Gitter im Inneren einer lichtleitenden Glasfaser haben die Eisenbahnspezialisten Ho. Laserbasierte Sensoren einzuset - besondere Eigenschaft, Licht einer ganz speziellen Wellen- zen stellte sich als hervorragende Idee heraus. Obwohl Glas- länge zu reflektieren, abhängig vom Abstand der Streifen fasern in der Regel für empfindlich gehalten werden, sind des Gitters. Diese Eigenschaften werden heute bereits für sie tatsächlich sehr robust: Sie sind unempfindlich gegen- die Untersuchung mechanischen Verhaltens von Bauteilen über elektromagnetischen Einstrahlungen und insbesondere wie auch zur Kontrolle großer Bauwerke, wie Brücken und gegenüber Blitzschlag, ein bedeutendes Problem bei ober - Staudämme, eingesetzt. Professor Hwa-yaw Tam, Professor irdisch verlegten elektrisch leitenden Kabeln. Siu Lau Ho und Dr. Shun-Yee Michael Liu von der Hong Die erste Aufgabe der drei war es, Achsen vorbei - Kong Polytechnic University führten diese Technologie nun fahrender Züge zu zählen. Das ist wichtig, um festzustellen, erfolgreich in der Bahnverkehrstechnik ein. ob ein Zug in ein Gleissegment fährt. Um von der als Stan- dard eingesetzten elektromagnetischen Technologie weg - zukommen, überlegte sich das Team, mit FBG-Sensoren die 18 geringe Deformation am Fuß der Schiene zu messen, wel - che durch die Last eines darüberfahrenden Rades auftritt. Jedes einzelne Rad verbiegt die Schiene und mit ihr den daran befestigten FBG-Sensor, welcher daraufhin mit einer Änderung der reflektierten Wellenlänge innerhalb der Glasfaser reagiert. Das Schöne daran: Das Verfahren liefert klare Signale, ist elektrisch robust, das Sensor-Netzwerk benötigt lokal keine Energieversorgung und viele verschie - dene Sensoren lassen sich in einer mehrere Kilometer lan - gen Faser integrieren und gleichzeitig auslesen. Auch ein laserbasierter Vibrationsmonitor war bereits ein Erfolg und konnte seine Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit im Hongkonger Metroverkehr unter Beweis stellen. Dort war es, das erste FBG-System im regulären Einsatz auf einer Bahnstrecke. Nach über zehn Jahren Forschung und Entwick- lung, mehreren erfolgreichen Beteiligungen an Ausschrei- bungen – zuletzt bei Australiens erster fahrerloser Metro- linie in Sydney – gründet das Trio mit der Universität eine Firma für die Produktion und die kommerzielle Weiterent- wicklung seiner Systeme.

Bilder: 1) FBG-Sensoren können geringste Verformung am Fuß der Schiene messen. 2) Die speziellen Glasfasern werden selbst gezogen und das Gitter in die Faser geschrieben; ebenfalls Laserlicht. 3. PREIS 19 THIRD PRIZE Intelligent Train Monitoring Sensors

Three characters describe a technology that is used in a The beauty of the technology is manifold. It delivers variety of different applications: FBG, the acronym for fiber Bragg clear signals, it is electrically robust, the sensor network requires grating. These special gratings inside light-transmitting fibers have no local electric energy, and many sensors can be integrated into the unique property of reflecting the light of a single wavelength, a single fiber along many kilometers of length. All it requires is a depending on the spacing of the grating. A property that is state- laser and a spectroscope at the ends of the fiber. The photonic of-the-art in mechanical diagnostics or monitoring large struc- vibration monitoring system has been a success and its reliability tures like bridges, buildings and dams. Professor Hwa-yaw Tam, has been proven in Hong Kong’s metropolitan railway system – as Professor Siu Lau Ho and Dr. Shun-Yee Michael Liu at the Hong the first FBG system installed for regular operation. With the ad- Kong Polytechnic University established this technology in the vantages of the photonic sensor in mind, the group approached field of railway monitoring. additional challenges for their technology with further applications

2

1

They launched their investigations on using photonic in railway monitoring. They developed a number of different FBG sensors by joining in a collaborative effort between the photonics sensors. All of these can be connected via different networks to group, headed by Tam, and the railway specialist Ho. Both are central units, either bound to the ground or bound to the car. professors at the Hong Kong Polytechnic University. Using laser - After more than ten years of research and development, based sensors turned out to be a brilliant idea. Though glass fibers and several successeful bids for commerical installations – the lat- might be considered fragile, they are in fact very robust: They are est being Australia’s first driverless metro line in Sydney – the trio insensitive to electromagnetic disturbances and in particular to and their university are forming a company to produce and com - lightning, which is a major problem for any electrical cable net - mercially enhance their systems. work above ground. The first task was to count axles passing by, which is required to confirm that trains have entered new blocks. Trying to do away with standard electromagnetic technology, the Pictures: team wanted to detect the tiny deformation of the rail using the 1) FBG sensors are capable of measuring the smallest deformation sensitive FBG technology. Each wheel of a passing train deforms at the base of the train tracks. the base of the rail and also the attached FBG sensor, which results 2) The group itself draws the special fibres and writes the grating in a change of the wavelength of the reflected light. inside the fibre, again with lasers. 20 ZUKUNFTSPREIS

Die photonische Kristallfaser

Mit einer neuen Klasse von Lichtleitfasern, den photonischen Kristallfasern, eröffnete Professor Philip Russell Anfang der 1990er-Jahren ein spannendes neues Forschungsgebiet. Seine speziellen Fasern vereinen zwei faszinierende optische Bauelemente: zum einen die photo - nischen Kristalle, die mit ihrer Nanostruktur Licht maßge - schneidert auf ganz besondere Weise manipulieren können. Und zum anderen Lichtleitfasern, welche Licht auf einfache Art und Weise einschließen. Beides zusammen ergibt ein aktives Element, welches Licht nicht nur durch eine Faser leitet, sondern in dem sich das Lichts gezielt verändern lässt. Die Idee kam dem britischen Physiker während seiner Zeit an der University of Southampton in England. Er beschäf - tigte sich bereits früh mit der Wechselwirkung von Laserlicht mit photonischen Strukturen, Wellenleitern und Glasfasern. Die sehr dünnen, lichtleitenden Fasern werden aus Glasstäben in speziellen Türmen gezogen. Bis zum Schmelzpunkt erhitzt, dehnt sich das Glas, von der Schwerkraft gezogen, und verringert dabei seinen Durch- messer auf einen Bruchteil des Ausgangsmaterials. Die Zusammensetzung und die Geometrie des Glases jedoch bleiben fast unverändert. 1991 skizzierte Russell in seinem Laborbuch eine Faser, die nicht aus einem Stab, sondern aus vielen Röhrchen, zusammengesetzt zu einem Bündel, gezo - gen werden sollte. Würde diese nur dünn genug, enthielte sie über ihre gesamte Länge eine photonische Struktur; eine periodische Zusammensetzung, die in verschiedenster Weise Laserlicht verändern kann. Große und kleine Hohlräume lassen sich beliebig herstellen und auch dazu nutzen, parallel zum Licht Gase oder Flüssigkeiten hin - durchzuleiten. Diese verändern wiederum nicht nur die Eigenschaften der Faser, diese Technologie ist auch interes - sant für hochsensible Detektoren in der Mikrosystemtech- nik. Kurz nach der ersten erfolgreichen Herstellung einer nen Hohlstrukturen um den Kern herum sorgen dafür, dass „Photonic Crystal Fibre“ 1996 wechselte er an die University die Ausbreitung der Pulse durch chromatische Dispersion of Bath. 2005 kam er nach Erlangen als Gründungsdirektor sehr genau eingestellt werden kann. des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts. Doch die breiteste Anwendung finden nano- und Philip Russells Fasern finden großes Interesse in mikrostrukturierte Glasfasern in den Forschungslaboren in nahezu allen Anwendungsgebieten der Lasertechnologie, aller Welt. Die Grenzen dieser Technologie gilt es erst noch von der Nachrichtentechnik über Sensoren bis hin zur zu erforschen, viele Effekte sind noch unbekannt. Russell Anwendung als Transportfasern für hochenergetische, selbst arbeitet in dem von ihm begründeten Forschungs- ultrakurze Laserpulse in der Materialbearbeitung. Zu den gebiet mit etwa 40 Wissenschaftlern aus aller Welt am Max- etablierten Anwendungen der photonischen Kristallfasern Planck-Institut für die Physik des Lichts in Erlangen und gehört vor allem die Erzeugung weißen Laserlichts mit steht weiterhin an der Spitze dieser Entwicklung. einem breiten kontinuierlichen Spektrum. Hierzu müssen lediglich ultrakurze Pulse durch eine photonische Kristall- faser mit einem festen Kern geleitet werden. Die nanoklei - Professor Philip Russell ist Mitglied der britischen Royal Society und Direktor am Max-Planck-Institut 21 für die Physik des Lichts in Erlangen. Professor Philip Russell is Fellow of the Royal Society and Director at the Max Planck Institute for the Science of Light, in Erlangen, Germany. 22 ZUKUNFTSPREIS

The Photonic Crystal Fibre

1

The photonic crystal fibre invented by Professor Philip Russell is a new class of optical fibre that combines two different fascinating optical elements: First, a photonic crystal with a re- peating microstructure on the scale of the wavelength that can be tailored to manipulate light in very special ways. And second, a glass fibre that easily confines light. The combination results in multifunctional fibres in which the properties of the guided light can be manipulated over a wide range. Before Russell’s invention multifunctional fibres where mainly restricted to optical ampli - fiers, lasers and fibre Bragg grating sensors. Now, anything seems possible. For over 30 years Russell has studied in the behavior of light in periodic structures as well as nonlinear optics, waveguides and optical fibres. The British physicist had the idea for photonic crystal fibre while based at the University of Southampton, England in 199 1. Conventional optical fibres are drawn from glass rods in special towers. Heated to its melting point, the glass starts to flow under the influence of gravity. This stretching redu - ces the diameter to a fraction of its original size without changing the composition and geometry. In 1991 Russell sketched in his 2 laboratory notebook the design of a fibre drawn not from a solid rod but from a stack of capillary tubes. If made thin enough, the fibre would contain a photonic crystal structure along its entire length. This periodic structure could be designed to manipulate laser light in new ways. This clever idea has turned out to have wide-ranging implications, making possible the fabrication of an almost unlimited number of different microstructures with various core designs, including large and small hollow channels. Such hollow cores can even be filled with gases or fluids that modify the properties of the fibre, making it possible for them to be used as highly sensitive detectors in micro-systems. 23

Shortly after the first successful drawing of a photonic Bilder: crystal fibre, Russell moved in 1996 to the University of Bath in 1) Die Faser beginnt als Bündel vieler Glasröhrchen und Stäbe unterschiedlicher Durchmesser. England where he founded and led a new photonics research Durch zweimaliges „Ziehen“ verdünnt sich die group. In 2005 he became one of the founding directors of the Geometrie zu einer photonischen Mikrostruktur. Max Planck Institute for the Science of Light. 2) Durch die Hohlräume lassen sich parallel Researchers and engineers in almost every field of laser zum Licht auch Flüssigkeiten und Gase durchleiten. applications are interested in Philip Russell’s new fibres, from information and sensing technologies to laser power transmission Pictures: 1) The fibres start as stacked capillary tubes and rods of ultrashort pulses in materials processing. One of the estab- of different diameters. Drawing the preform twice lished applications is the generation of white light 10,000 times reduces the geometry to the photonic microstructure. brighter than the sun from ultrashort infrared pulses guided 2) The hollow structures allow for conducting fluids through a photonic crystal fibre with a solid glass core. The or gases parallel to the light. micron-sized core structure precisely controls the chromatic dispersion of the fibre. But the nano- and microstructured glass fibres find their broadest application in laboratories all around the world. The limits of this technology are as yet unknown and many more effects are waiting to be discovered. Russell is still working at the forefront of the scientific field he founded, assisted by a team of some 40 scientists from all over the world. 24 BISHERIGE PREISTRÄGER PREVIOUS PRIZEWINNERS

Innovationspreis 2000 2002 2004

1. Preis / First Prize 1. Preis / First Prize 1. Preis / First Prize Dr. Josef Schneider Arbeitsgruppe Scheibenlaser / Prof. Dr. Ursula Keller Laser und digital umrüst- Work Group Disk Laser SESAM – Semiconductor bare Drucksysteme Prof. Dr. Helmut Hügel, Saturable Absorber Mirror Laser and Digitally Dr. Adolf Giesen et al. für Ultrakurzpulslaser Changed Printing Systems Scheibenlaser SESAM – Semiconductor Disk Laser Saturable Absorber Mirror 2. Preis / Second Prize for Ultrafast Lasers Dr. Martin Grabherr 2. Preis / Second Prize Oberflächenemittierende Dr. Tibor Juhasz, 2. Preis / Second Prize Hochleistungsdiodenlaser Dr. Ronald Kurtz Prof. Dr. Andreas mit Vertikalresonator Femtosekunden- Tünnermann, Dr. Stefan Vertical Cavity Surface Laserskalpell Nolte, Dr. Holger Zellmer Emitting High-Power für Kornea-Operationen Hochleistungs-Faserlaser Laser Diode Femtosecond Laser Scalpel und deren Anwendungen for Corneal Surgery High-Power-Fiber Lasers 3. Preis / Third Prize and their Applications Prof. Dr. Yong Feng Lu 3. Preis / Third Prize Lasermikrobearbeitung Prof. Dr. Stefan Hell, 3. Preis / Third Prize in der Industrie Marcus Dyba, Prof. Dr. Axel Rolle Laser Microprocessing Dr. Alexander Egner Lungenparenchym- in Industry Optische Nanoskopie mit Laserchirurgie Ultrakurzpulslaser und Lung Parenchymal stimulierter Emission Laser Surgery Optical Nanoscopy with Ultra-Short-Pulse Laser and Stimulated Emission

Zukunftspreis 225 5

2006 2008 2010 2012

1. Preis / First Prize 1. Preis / First Prize 1. Preis / First Prize 1. Preis / First Prize Dr. Karin Schütze, Dr. Thorsten Bauer, Prof. Dr. Thorsten Trupke, Dr. Tso Yee Fan, Dr. Antonio Raimund Schütze Ulrich Graf, Dr. Jens König, Dr. Robert Bardos Sanchez-Rubio, Dr. Bien Laserbasiertes Chann Lasermikrostrahl und Dr. Markus Willert Lumineszenz-Imaging von Dichtes Wellenlängen- Laserkatapult Hochpräzise Mikrobear- Silizium-Blöcken, -Wafern Multiplexing für Laser Microbeam and beitung in der Großserie und Solarzellen Hochleistungs- Laser Catapult High-Precision Micro- Laser Based Luminescence Diodenlaser machining in Imaging of Silicon Bricks, Dense Wavelength 2. Preis / Second Prize Mass Production Wafers and Solar Cells Multiplexing of High Prof. Dr. Ian A. Walmsley Power Diode Laser Methoden zur vollständigen 2. Preis / Second Prize 2. Preis / Second Prize Messung ultra-kurzer Pulse Dr. Richard L. Sandstrom, Prof. Dr. Karsten König 2. Preis / Second Prize Methods for Complete Dr. William Partlo Klinische Multiphotonen- Projektgruppe / Project Measurement of Ultra-Short VUV Laser für die Tomographie Group InnoSlab Laser Pulses Moderne Lithografie Clinical Multi-Photon InnoSlab Laser VUV Lasers for Advanced Tomography 3. Preis / Third Prize 3. Preis / Third Prize Lithography 2. Preis / Second Prize Andreas Blug, Felix Abt, Dr. Ronald Holzwarth, Dr. Ralph Delmdahl, Rainer Leonardo Nicolosi Dr. Michael Mei 3. Preis / Third Prize Pätzel, Dr. Kai Schmidt, Dr. Alexander Usoskin Echtzeit-Regelungssystem Optische Frequenzkamm- Dr. Cary Gunn UV-Excimer-Lasertechno- für das Laserschweißen technologie Entwicklung von CMOS- logie: Schlüssel zur Real-Time Control System Optical Frequency Comb Photonik: Siliziumbasierte Großserienfertigung von for Laser Welding Technique Transceiver keramischen Hochtempe- Development of CMOS ratur-Supra-Bandleitern Photonics: Silicon Based UV Excimer Laser Transceivers Technology: Key to Mass Production of Ceramic 3. Preis / Third Prize High Temperature Prof. Dr. Jürgen Czarske, Superconducting Tapes Dr. Lars Büttner, Dr. Thorsten Pfister 3. Preis / Third Prize Laser-Doppler Prof. Dr. Majid Distanzsensor und seine Ebrahim-Zadeh Femtosekunden-Strahl- Anwendungen quellen mit Wellen- Laser Doppler Distance längenbereich von Sensor and its Applications Ultraviolett bis Infrarot Femtosecond Light Source Spanning from the Ultraviolet to Infrared

Prof. Dr. H. Jeffrey Kimble Prof. Dr. Xiaoliang Sunney Xie Prof. Dr. Federico Capasso Dr. Osamu Kumagai Resonator- Einzelmolekül-Biophysik Quantenkaskadenlaser Multiwellenlängen-Dioden- Quantenelektrodynamik und nicht-lineare optische Quantum Cascade Lasers laser für drei Generationen Cavity Quantum Mikroskopie von optischen Laufwerken Electrodynamics Single-Molecule Biophysics Multi-Wavelength Laser and Non-Linear Optical Diode for Three Generations Microscopy of Optical Disc Systems BERTHOLD LEIBINGER THE FOUNDATION STIFTUNG

Am 18. Dezember 1992 gründete Berthold Leibinger Berthold Leibinger founded the Berthold Leibinger Stiftung die gleichnamige Stiftung, die sich auf vier Fördergebiete GmbH in 1992 as a non-profit organization to fund cultu - konzentriert: Wissenschaft, Kultur, Kirche und Soziales. ral, scientific, religious and charitable organizations draw- Insgesamt mehr als zehn Millionen Euro flossen während ing on the earnings of the foundation’s capital reserve. dieser Zeit in verschiedene Projekte. Der Löwenanteil der Since the establishment of the foundation, more Fördermittel ging in die Bereiche Wissenschaft und Kultur. than ten million euros have been given to several projects. Einen Schwerpunkt bilden hier der Berthold The majority of the funding went to scientific and Leibinger Innovations- und der Zukunftspreis. Ein weiterer cultural activities. Meilenstein der Förderaktivitäten ist die Stiftungsprofessur Our activities in the field of science are focused „Wirkungsgeschichte der Technik“, die im November 2010 on applied laser technology. We want to stimulate scientif- an der Universität Stuttgart ins Leben gerufen wurde. ic effort by awarding international research and innova- Im Bereich Kultur förderte die Stiftung mit einem tion prizes. Furthermore, since 2011 the Berthold Leibinger beträchtlichen Anteil unter anderem den Erwerb des Stiftung has endowed a chair at the Stuttgart University, Kästner-Nachlasses sowie des Unseld-Archivs für das researching the interaction between science, technology, Deutsche Literaturarchiv in Marbach. Seit 2014 vergibt die society and culture. Stiftung einen Comicbuchpreis. In the field of culture the foundation fosters – Auf kirchlichem Gebiet unterstützte die Stiftung among other projects – acquisitions for the German die Renovierung von Kirchen- sowie Gemeindehäusern und literature archives in Marbach e.g. the “Unseld Archiv” engagiert sich in der Förderung der Kirchenmusik. with a significant share. Since 2014 the foundation has Im sozialen Sektor werden zahlreiche been awarding a Comicbuchpreis for German language Einrichtungen wie zum Beispiel das Hospiz Stuttgart, die graphic novels. Straffälligenhilfe Rottenburg und das Seehaus in Leonberg The Berthold Leibinger Stiftung helps to maintain gefördert. and furnish churches and buildings of religious communi - ties as well as church music. In this area we promote charitable projects and institutions for children, young adults and elderly people in need or critical situations. DVD fehlt? Kostenlos anfordern unter www.leibinger-stiftung.d e/ kontakt

DVD missing? Request your free copy at www.leibinger-stiftung.d e/contact

Impressum Herausgeber / Publisher: Berthold Leibinger Stiftung GmbH, Johann-Maus-Straße 2, 71254 Ditzingen, Germany www.leibinger-stiftung.de Text: Sven Ederer Gestaltung / Design: Atelier Lohrer, Stuttgart Fotos: Udo Loster und Umschlag: University of Bath, Seite 3: TRUMPF GmbH + Co. KG, Seiten 4-9: Pressefoto Kraufmann & Kraufmann, Seite 16 mitte: BMW AG, Seite 19 links unteres: Hong Kong Polytechnic University, Seite 21: oben links: Philip Russell, mitte: Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts, unten: University of Bath, Seiten 24/25 von links nach rechts: MAN Roland Druckmaschinen AG, IntraLase Corp., Fraunhofer Institut für Angewandte Optik, P.A.L.M Microlaser Technologies GmbH, Udo Loster (3x), Harvard University, Udo Loster (3x), Seite 26: Pressefoto Kraufmann & Kraufmann Reproduktionen / Reproductions: Reprotechnik Herzog GmbH, Stuttgart Druck / Printing: frechdruck GmbH, Stuttgart