Das Studium der Optomechanik

Durch die vielen neuen Anwendungen der Optischen Technologien, oft auch als Photonics oder Photonik bezeichnet, eröffnet sich ein ungeahntes Spektrum.
In der Fahrzeugtechnik beispielsweise gibt es neu entwickelte Systeme, die das Gesicht des Fahrers analysieren, um bei beginnendem Sekundenschlaf sofort Alarm zu schlagen. Ebenso sorgen aufmerksam piepende Sensoren an den Außenseiten eines Automobils dafür, dass Kollisionen mit Fahrzeugen im toten Winkel verhindert werden. Neuen Generationen von Solarzellen hilft die Photonik mit sogenannten Lichtfallen auf die Sprünge und steigert den Wirkungsgrad von Fotovoltaik-Anlagen damit ganz entscheidend. Straßenlaternen werden auf LED-Technik umgestellt, so dass sich der Stromverbrauch von innerstädtischer Beleuchtung auf die Hälfte reduziert. Computerchips der Zukunft sind durch Belichtung mit äußerst kurzwelliger Strahlung und dadurch erzeugten Nanostrukturen noch leistungsfähiger und ihre Geschwindigkeit wird sich innerhalb der nächsten 15 Jahre voraussichtlich verhundertfachen. Und Endoskope, die den Medizinern präzise Live-Bilder aus dem Inneren des menschlichen Körpers liefern, schrumpfen derart, dass eine Kamera in einer etwa drei Millimeter großen „Nadelspitze“ integriert werden kann.

Die richtige Optik für den Fortschritt
Diese Beispiele ließen sich noch endlos weiterführen. Aber man merkt schon, die Entwicklungen aus dem breit gefächerten Bereich der Optischen Technologien sorgen in ganz verschiedenen Ingenieurdisziplinen für entscheidende Fortschritte. Etwas Überblick in dieser inzwischen allgegenwärtigen Schlüssel- und Zukunftstechnologie schafft die Kategorisierung in zwei bedeutende Fachbereiche der Photonik: die der Optoelektronik und die der Optomechanik. Letztere verbindet nicht nur die Worte Optik und Mechanik zum Kunstwort Optomechanik, sondern bezeichnet Produkte und Verfahren, bei denen optische und feinmechanische Komponenten gemeinsam verwendet und durch elektronische Bauteile ergänzt werden. Gute Beispiele für optomechanische Anwendungen sind Linsen, Spiegel, Bildsensoren, Objektive, Mikroskope und sogar Computermäuse. Mechanische Stellglieder justieren oder drehen optische Komponenten, wie zum Beispiel die Mikrospiegel, innerhalb eines Hochleistungs-Beamers, Bildstabilisatoren in den Objektiven digitaler Video- oder Fotokameras sorgen dafür, dass die Aufnahmen nicht verwackeln, auch wenn sich das gesamte System bewegt, und Lichtschrankensensoren in den Mäusen moderner Computer erkennen jede noch so kleine Drehbewegung oder Lageveränderung.

Licht als Präzisionswerkzeug
Selbst bei riesigen Bauteilen wie Schiffskurbelwellen oder Turbinenwellen für Windkraftanlagen, die in Großschmieden hergestellt werden, hilft die Optomechanik mit berührungslosen 3D-Messsystemen. Noch im glühenden Zustand werden auf die gigantischen Schmiedeteile mit frei steuerbaren Laserprojektoren Linien aufgebracht und mit Kameras erfasst, um so ein absolut genaues Endmaß der tonnenschweren Stahlkolosse zu erreichen.
Aber auch die Nutzung von Licht und Laser als Werkzeug ist ein brandheißes Thema der Optomechanik. Lasermaterialbearbeitung heißt das Zauberwort. Mit UV- und Ultrakurzpulslasern bestückte Roboter beherrschen nicht nur klassische Verfahren wie Schweißen, Schneiden, Bohren, Beschriften und Strukturieren, sie können auch direkte photonische und photochemische Prozesse auslösen, die völlig neue Fertigungsprozesse und Produkteigenschaften ermöglichen. So können beispielsweise im Automobil- und Flugzeugbau verstärkt Leichtbaukonstruktionen eingesetzt, Schweißverbindungen verbessert und Bearbeitungsgeschwindigkeiten erhöht werden. Das steigert nicht nur die Qualität, sondern senkt auch die Kosten.

Damit alle diese neuen optomechanischen Lichtblicke möglich werden, sind ganz unterschiedliche Know-how-Kombinationen und Kompetenzen aus Fachbereichen wie Maschinenbau, Mikrosystemtechnik, Mechanik, Mechatronik, Lasertechnik, Halbleitertechnik und Optik nötig.

Die deutsche Domäne
In Deutschland gibt es eine lange Tradition im Bereich der Optischen Technologien, speziell im Bereich Optomechanik. Akteure wie Schott, Carl Zeiss, Jenoptik, Berliner Glas, Trumpf und Osram sind international bekannte Weltmarktführer. Dabei sind 85 Prozent der Unternehmen hierzulande kleine und mittelständische Betriebe. Deren Auftragsbücher sind gut gefüllt und die Produkte richten sich auf die Leitmärkte Automatisierungstechnik, Medizintechnik, Kommunikation, Beleuchtung und Energie. Insgesamt beschäftigt die Branche hier in der Bundesrepublik zurzeit fast 130.000 Menschen, der Wert der hergestellten Güter lag im Jahr 2008 bei 23,1 Milliarden Euro und die Exportquote liegt aktuell bei über 65 Prozent. Aber die Anforderungen in Bezug auf Innovationskraft, Ingenieur-Know-how und Hightech-Wissen sind extrem hoch und die Industrie muss auf neue Forschungsergebnisse und Entwicklungen blitzschnell reagieren. Daher sind top ausgebildete Nachwuchsingenieurinnen und -ingenieure immer noch der absolut wichtigste Standortfaktor.

Ein Studium bringt es ans Licht
Wer sein Studium mit dem ganz besonderen Licht der Optomechanik durchfluten möchte, der findet dazu bisher kaum eigenständigen Angebote, sondern muss seine Erleuchtung für diesen speziellen Themenbereich in den weiterführenden Semestern eines allgemeinen Studiengangs der Optischen Technologien finden. Aber jene sind brandneu an den deutschen Hochschulen und deshalb extrem innovativ.
Ursprünglich war die Technische Optik ja eine Disziplin der Physik, der sie aber aufgrund ihrer interdisziplinären Anwendungen inzwischen entwachsen ist. Heute findet man den Bereich der Optischen Technologien vor allem in den Ingenieurwissenschaften sowie in deren Fachrichtungen Elektro-, Medizin-, Kommunikations- und Biotechnik. Eine echte Querschnittstechnologie eben.
Aber ganz egal, ob man sein Maschinenbaustudium mit optischer Technik garniert, ein eigenständiges Bachelor-Studium der Photonics aufnimmt oder nach einem Bachelor in E-Technik seinen Master of Science der Advanced Optical Technologies erwirbt, das Basiswissen, das man als Experte der Optomechanik benötigt, ist genau dasselbe wie im Bereich Optoelektronik. Die Spezialisierung auf ein bestimmtes Teilgebiet der Optischen Technologien erfolgt erst später in den weiterführenden Studiensemestern.

Ganz am Anfang startet man mit Mathematik, Physik und Informatik, Technischem Zeichnen, Digitaltechnik, Grundlagen der Elektronik und Elektrotechnik sowie optoelektronischen Bauelementen und Schaltungstechnik. Ebenso stehen Seminare und Vorlesungen zu Festkörperphysik, optischen Werkstoffen und Fertigungsverfahren, Laseranwendungen, optischer Kommunikationstechnik, Systemtheorie und Simulation oder Projektmanagement auf dem Stundenplan. Auch ein Praxissemester oder mehrwöchige Praktika bei Firmen, die sich mit optischen Technologien beschäftigen, werden von vielen Hochschulen in die Ausbildung der Studierenden integriert.
Je weiter man sich in Richtung Bachelorarbeit und Abschlussprüfungen bewegt, desto mehr kann man auch spezielle Schwerpunkte und Wahlpflichtfächer des Teilgebiets Optomechanik in seinen Stundenplan einbauen. Dabei kann es sich um Technische Mechanik, Fertigung optischer Komponenten, Mess- und Regelungstechnik, Materialwissenschaften, Infrarottechnik oder um Laserschweißen und Laseranwendungen handeln.

Ganz zum Ende des Studiums weiß man dann mit Sicherheit, wie man das Licht richtig nutzt. Und nach bestandenem Ingenieur-Abschluss kann man seine Kompetenzen in einem innovativen Unternehmen in bestem Licht erstrahlen lassen. Mehr als einleuchtend, so eine Karriere mit Optomechanik ...