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Freitag, 21.07.2017
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Lichtbesen fegt Elektronen aus dem Kristall

Neue Methode macht Farblaser billiger

Mit einem Besen aus Licht können bestimmte Materialien, die in grünen Lasern zum Einsatz kommen, effektiver und vor allem billiger als bisher gereinigt werden. Ausgedacht haben sich die neue Methode Bonner Physiker. Mit ihr lassen sich beispielsweise bestimmte Farblaser weit preiswerter als bislang herstellen, schreiben die Forscher in der Fachzeitschrift „Nature Photonics“.
Lichtstrahl kehrt Elektronen aus dem Kristall

Lichtstrahl kehrt Elektronen aus dem Kristall

Was Silizium für die Entwickler von Computerchips, ist für Laserphysiker eine Substanz namens Lithiumniobat. Diese Stellung verdanken die durchsichtigen Kristalle vor allem einer schönen Eigenschaft: Sie können die Farbe von Laserlicht verändern. Dazu müssen sie allerdings ausreichend sauber sein. Und diese Reinigung war bislang ein schwieriges und teures Unterfangen.

Elektronen behindern Farbumwandlung


Es sind vor allem durch Licht umverteilbare Elektronen im Lithiumniobat, die die Farbumwandlung behindern. Sie zerstreuen das eingestrahlte Laserlicht und verringern so die Ausbeute. Die Physiker um Professor Karsten Buse von der Universität Bonn konnten diese freien Elektronen nun mit einem Besen aus Licht aus dem Kristall kehren.

Dazu bewegten die Forscher das Lithiumniobat durch einen schmalen, sehr intensiven Lichtstrahl. „Dieser Lichtstrahl regt die störenden Elektronen im Material an und erzeugt einen gerichteten Strom“, erläutert Michael Kösters, der auf diesem Gebiet an seiner Doktorarbeit arbeitet. „Die Elektronen werden vom Lichtstrahl auf eine Seite des Kristalls gebürstet und häufen sich dort an.“


Forscher mit Lithiumniobath-Kristall

Forscher mit Lithiumniobath-Kristall

Patentiertes Verfahren


Bei Raumtemperatur käme der Prozess bald zum Erliegen, da sich die Elektronen gegenseitig abstoßen. Irgendwann könnte der Lichtbesen gegen diesen elektrostatischen Effekt nichts mehr ausrichten. „Wir haben den Kristall daher auf 180 Grad erhitzt“, sagt Kösters Kollege Daniel Haertle. „Bei diesen Temperaturen werden positiv geladene Teilchen - meist Wasserstoff- und Lithium-Ionen - im Lithiumniobat beweglich. Sie wandern mit den Elektronen mit und kompensieren deren negative Ladung.“

Die Forscher konnten die Zahl der störenden Elektronen so unter die Nachweisgrenze senken. „Wir können das Material auf diese Weise theoretisch komplett sauber bekommen“, erklärt Buse. Der Forscher hat das Verfahren inzwischen zum Patent angemeldet und an einen der weltgrößten Hersteller von Lithiumniobat lizensiert.

Aus Infrarot wird Grün


Und wozu der Aufwand? „Anders als für Rot und Blau, gibt es bislang keinen vernünftigen grünen Halbleiterlaser“, sagt Buse. Was es aber gibt, sind kostengünstige Infrarotlaser. Und hier kommt das Lithiumniobat ins Spiel: Wenn ein derartiger Kristall mit intensivem infrarotem Laserlicht bestrahlt wird, beginnen die Elektronen in ihm zu schwingen. Dabei entstehen wie bei einer zu stark gezupften Gitarrenseite Obertöne. Diese haben eine höhere Frequenz und damit eine andere Farbe: Aus Infrarot wird Grün. Das Lithiumniobat muss aber robust genug für die hohen Lichtintensitäten sein.

Und warum hält man nicht einfach einen Grünfilter vor den Laser? Bei Sonnenlicht funktioniert das, weil die Sonne streng genommen nicht weiß ist, sondern bunt: Sie sendet Licht der unterschiedlichsten Frequenzen aus. Ein Grünfilter lässt nur den grünen Anteil des Sonnenlichts durch; für alle anderen Farben ist er undurchlässig: Wir sehen grün. Licht umfärben kann ein Filter nach Anagaben der Forscher dagegen nicht: Wenn wir das grüne Licht anschließend durch einen Rotfilter laufen lassen, sehen wir nicht etwa rot, sondern schwarz. Da Grünlicht keine roten Anteile enthält, blockiert der Rotfilter es komplett. Laserlicht ist ebenfalls einfarbig oder monochromatisch; ein Infrarotlaser hat daher keinen grünen Anteil, der sich einfach herausfiltern ließe.

Laserbeamer - so klein wie ein Stück Würfelzucker


Grüne Laser sind beispielsweise für medizinische und biologische Anwendungen wichtig. Die Hauptinteressenten sitzen jedoch in der Unterhaltungsindustrie. Denn mit farbigen Lasern lassen sich beispielsweise winzig kleine kostengünstige Mini-Beamer herstellen, die sich etwa in Handys oder Digitalkameras einbauen ließen. Erste Prototypen derartiger Laser-Projektoren gibt es bereits.

Konkurrenz erwächst ihnen durch die so genannten LED-Beamer, die bereits am Markt erhältlich sind. Doch Laser bieten verschiedene Vorteile. So erlauben sie einerseits eine weitere Miniaturisierung. „Die gesamten optischen Komponenten eines Mini-Laserprojektors sind kleiner als ein Stück Würfelzucker“, erklärt Buse. „Außerdem muss man Laserprojektoren nicht fokussieren. Ihr Bild ist immer gestochen scharf - selbst wenn man es auf gewölbte Oberflächen wirft.“
(idw - Universität Bonn, 01.09.2009 - DLO)
 
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