Laser statt Bohrer

Ein Schlaganfall kommt plötzlich und reißt viele Betroffene unvorhergesehen aus ihrem gewohnten Leben. Ist der Infarkt sehr groß, kann das Hirn anschwellen: Der Druck in der Schädelhöhle steigt, das Gehirn wird weniger durchblutet und weiter geschädigt. Um es vor Quetschungen zu schützen, öffnen Ärzte oftmals die Schädeldecke des Patienten – sie sprechen von einer Entlastungs-Kraniotomie.

Bisher schneiden die Chirurgen den Schädelknochen mechanisch, also mit einem Bohrer. Das birgt jedoch ein recht hohes Risiko für den Patienten: Mit dem Bohrer kann der Chirurg auch die Hirnhaut verletzen, was zu einer Hirnhautentzündung und schlimmstenfalls zum Tod führen kann.

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Photonische Mikrosysteme IPMS in Dresden wollen dieses Risiko nun gemeinsam mit ihren Kollegen der Fraunhofer-Institute für Lasertechnik ILT und für Integrierte Schaltungen IIS senken, indem sie den Bohrer durch einen hochenergetischen Femto-Sekundenlaser ersetzen. »Unsere Kollegen am ILT haben eine Vorrichtung entwickelt, mit dem der Chirurg den Laserstrahl führen und den Schädelknochen schneiden kann«, sagt Dr. Thilo Sandner, Gruppenleiter am IPMS.

Neue leistungsstarke Mikrospiegel

Der Laserstrahl wird dabei über einen Spiegel-Gelenkarm in das Handstück eingekoppelt. Dessen Herzstück sind zwei neuartige Mikrospiegel, die die Forscher am IPMS entwickelt haben: Der erste schneidet die Schädeldecke, er lenkt den Laserstrahl dynamisch über den Schädelknochen. Der zweite korrigiert Fehlpositionierungen. Das Besondere: Die Bauelemente sind miniaturisiert, vertragen aber dennoch Laserleistungen von bis zu 20 Watt – also etwa zweihundert Mal mehr als herkömmliche Mikrospiegel. Diese können – abhängig vom konkreten Design – bereits bei 100 Milliwatt an ihre Grenze gelangen. Mit 5 x 7 oder 6 x 8 Millimetern sind die neuen Modelle zudem sehr groß und können somit auch Laserstrahlen mit großem Durchmesser führen. Zum Vergleich: Herkömmliche Mikrospiegel haben eine Größe von 1 bis 3 Millimetern.

Wie haben die Forscher dies erreicht? »Während die Siliziumplatte bei herkömmlichen Mikrospiegeln durch eine hundert Nanometer dicke Aluminiumschicht verspiegelt wird, haben wir hochreflektierende elektrische Schichten auf das Siliziumsubstrat aufgebracht«, erläutert Sandner. Der Spiegel reflektiert daher im sichtbaren Spektralbereich nicht nur 90 Prozent der Laserstrahlung wie übliche Bauelemente, sondern 99,9 Prozent. Es dringt viel weniger der hochenergetischen Strahlung in das Substrat ein.

Das heißt, der Spiegel »merkt« weniger von der Laserstrahlung und verträgt deutlich höhere Leistungen. Die Herausforderung für die Forscher lag vor allem darin, diese Hochleistungsbeschichtung auf das, lediglich wenige zehn Mikrometer dünne, Silizium-Substrat aufzubringen, das in der Mikrosystemtechnik gang und gäbe ist. Denn um die gewünschten Reflektions-Eigenschaften zu erreichen, müssen die Forscher viele verschiedene Schichten aufbringen – insgesamt einige Mikrometer dick.

In jeder dieser Schichten herrscht jedoch eine gewisse mechanische Spannung, zudem dehnen sich alle Schichten bei hoher Temperatur unterschiedlich stark aus. Das führt dazu, dass sich das Substrat durch die Beschichtung verformt, es wölbt sich. »Diese Wölbung verschlechtert die optische Qualität des Spiegels. Wir gleichen sie aus, indem wir auf der Rückseite des Substrates nochmal dieselben Schichten aufbringen«, verrät Sandner.

Demonstratoren des Handstücks sowie des Mikrospiegels gibt es bereits. Auf der Messe Laser – World of Photonics vom 13. bis 16. Mai in München stellen die Forscher diese vor (Halle B2, Stand 421). In weiteren Entwicklungsschritten wollen die Forscher nun die Schneidleistung optimieren.