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Optik: Infrarot zu strahlend weiß

Halbleiter-Molekülcluster wandeln infrarote Laserstrahlung in gerichtetes weißes Licht des gesamten sichtbaren Spektrums um. Der günstige Lichttransformator könnte breite Anwendung in der Mikroskopie oder bei Projektoren finden.
Lichttransformation durch Halbleiter-MolekülclusterLaden...

Ein Schlaglicht auf die Erzeugung äußerst nützlichen Weißlichts werfen Forscher der Philipps-Universität in Marburg und der Justus-Liebig-Universität in Gießen um Nils W. Rosemann mit einem neuen optisch wirksamen Material. Es besteht aus Molekülclustern auf Halbleiterbasis – die Forscher verwendeten Zinn und Sulfid –, auf deren Oberfläche sie organische Moleküle aufgebrachten.

Unter einem Cluster versteht man in Physik und Chemie eine Ansammlung von mindestens drei und höchstens ein paar Millionen Atomen oder Molekülen. Ein Beispiel sind die C60-Kohlenstoff-Fußballmoleküle, die man auch als Fullerene oder Buckyballs kennt. In diesen Verbünden können unter anderem wegen des spezifischen Verhältnisses von Oberflächenbausteinen zu inneren Atomen interessante Eigenschaften auftreten. Insbesondere, wenn die Cluster wie in diesem Fall zusätzlich mit funktionalen Molekülen bestückt werden. Diese organisch beschichteten Zinnsulfidcluster trockneten die Forscher zu einem weißen Pulver. Anschließend bestrahlten sie das Material mit Laserlicht im Infrarotbereich.

Lichttransformator-MolekülLaden...
Lichttransformator-Molekül | Infrarotes Laserlicht trifft auf ein Molekülcluster und wandelt sich unter dessen Einfluss in ein breites Spektrum weißen Lichts.

Das Spektrum des transformierten Lichts, das dabei entstand, erinnerte an das weiße Licht einer gewöhnlichen Wolfram-Halogenglühlampe. Im Gegensatz zu einer Glühlampe aber, blieb nach der Umwandlung des infraroten Laserstrahls in Weißlicht die für Laserstrahlen typische stark gerichtete Charakteristik erhalten. Das weiße Licht, das durch das Medium erzeugt wurde, blieb beinahe so stark gebündelt wie der Laserstrahl, der es erzeugt hatte. "Es sollte deshalb möglich sein, die gegenwärtig gebräuchlichen Methoden für gerichtete Strahlung zu übertrumpfen", so die Autoren. Weiter schreiben sie: "Unser Ansatz sollte die Herstellung hochbrillianter Quellen für gezielte, gerichtete Beleuchtungs- und Projektionsanwendungen ermöglichen."

Eine günstige, effiziente und leistungsstarke Quelle für gebündeltes weißes Licht ist ein Wunschtraum im Bereich der Optik, sei es bei Abbildungsverfahren mit möglichst hoher Auflösung wie etwa der Mikroskopie oder wenn es darum geht, Bilder hoher Qualität mit Projektoren zu erzeugen. Thermische Strahlungsquellen wie etwa Glühbirnen sind prinzipiell nicht gerichtet, sondern strahlen in alle Richtungen. LEDs erzeugen typischerweise zwar eine gerichtete Strahlung. Diese verteilt sich aber über einen relativ weiten Raumbereich.

Stabiles Spektrum

Die spektrale Zusammensetzung des weißen Lichts, also welche Wellenlängen und damit welche Farben wie stark vertreten sind, war laut der neuen Studie in einem Bereich von 725 bis 1050 Nanometern des anregenden Infrarotlasers stabil. Das ist besonders wichtig, wenn man an kompakte Bauteile denkt, in denen Laserdioden als Ursprungsquelle des weißen Lichts dienen. Denn diese können herstellungs- oder temperaturbedingt eine gewisse Unschärfe bei der erzeugten Wellenlänge aufweisen.

Die Forscher untersuchten auch den Mechanismus der Weißlichterzeugung genauer. Demnach vermuten sie, dass das elektrische Feld des Lasers die Elektronen der organischen Moleküle hin- und herbeschleunigt. Dabei geben die Elektronen Strahlung ab, ähnlich wie man das von geladenen Partikeln kennt, die zum Beispiel in einem Teilchenbeschleuniger um die Kurve gelenkt werden – die so genannte Bremsstrahlung. Die Forscher überprüften ihre These mit am Computer berechneten Spektren und Experimenten, in denen sie das Zinn durch Germanium ersetzten. Die Ergebnisse stützten die Vermutung.

Das lichttransformierende Pulvermedium sollte nach Einschätzung der Forscher auch für den Dauerbetrieb in einem Bauteil geeignet sein. Das Material hat mehrere Monate unter Betriebsbedingungen im Labor durchgehalten. Zusammen mit der einfachen und günstigen Herstellung, sind damit die wichtigsten Voraussetzungen erfüllt, um auch bei der Industrie Interesse zu wecken.

24/2016

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 24/2016

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