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Nachrichten und Pressemeldungen aus Labor und Analytik

20.09.2004

Doppel-Wolframate machen Laser effizienter


Das Stückchen Kristall ist durchsichtig, etwa so groß wie ein Daumennagel. Man könnte es für Glas halten. Oder für einen großen Diamanten. Wertvoll und selten ist es ja, doch seinen Wert machen vor allem seine Anwendungsmöglichkeiten in der Lasertechnik und der Optoelektronik aus. Es handelt sich um einen Doppel-Wolframat-Kristall mit einer ganz speziellen Gitterstruktur; er ist monoklinisch.

Doppel-Wolframat-Kristalle werden im Labor hergestellt ("gezüchtet"). Die Kristalle können auch gezielt verunreinigt werden, man spricht von Dotieren. Dann ändert sich nicht nur die Farbe, sondern es ergeben sich auch neue Eigenschaften. Fügt man etwa Ytterbium hinzu, eignen sich die Kristalle als aktives Medium in Festkörperlasern. Sie können aber auch zur Frequenzverschiebung genutzt werden, um beispielsweise aus einem grünen Laserstrahl einen roten zu erzeugen. Das von der EU geförderte Projekt DT-CRYS untersucht in den kommenden drei Jahren systematisch die Herstellung, die Eigenschaften und die Anwendungsmöglichkeiten der monoklinischen Doppel-Wolframate. Koordinator ist Dr. Valentin Petrov vom Max-Born-Institut.

"Was uns reizt, ist die Multifunktionalität des Materials", erläutert Petrov. Allein die nichtlinearen optischen Eigenschaften sowie die Eignung als Lasermedium seien zwei grundverschiedene Dinge, deren Untersuchung sich jeweils lohne. Das Problem dabei ist nur, dass Doppel-Wolframat-Kristalle weltweit sehr schwer verfügbar sind. In Novosibirsk wurden die Doppel-Wolframate vor rund 35 Jahren erstmals aus einer Lösung gezüchtet. Schon damals ging es um Anwendungen in der Lasertechnik, doch die Kristalle setzten sich nicht für kommerzielle Laser durch. Stattdessen befinden sich in den meisten Festkörperlasern von heute Elemente aus Yttrium- Aluminium-Granat, dotiert mit Neodymium. Im Fachjargon heißen diese Lichtquellen Neodym- YAG-Laser (oft auch geschrieben als Nd:YAG). Die 1064-Nanometer-Wellenlänge des Nd:YAG-Lasers ist so etwas wie Standard für die Charakterisierung optischer Materialien geworden. "Einfach weil die Lichtquellen sehr verlässlich mit dieser Wellenlänge strahlen", wie Petrov sagt. Damit vergleicht man normalerweise alle anderen Festkörperlaser.

In den neunziger Jahren des vergangenen Jahrhunderts hat man dann die Doppel-Wolframate wiederentdeckt. "Sie sind besser als die YAG-Elemente", sagt Petrov, "sie haben eine niedrigere Pumpschwelle". Das heißt, man muss weniger Energie hineinstecken, um Laserlicht zu erzeugen. Überdies ist der Wirkungsgrad höher. Ein Ziel der Forschungen sei es, Neodym-YAG durch Ytterbium und Doppel-Wolframate zu ersetzen.

Ebenfalls interessant sind die nichtlinearen optischen Eigenschaften. So sind Doppel- Wolframate "Raman-aktiv". Der Begriff geht auf den indischen Physiker Chandrasekhara Raman (1888 - 1970) zurück. Er erkannte, dass einfarbiges ("monochromatisches") Licht, das an Materie gestreut wird, unterschiedliche Spektrallinien aufweist. Neben der Linie des eingestrahlten Lichts sind auch schwächere Linien zu erkennen, die auf die bestrahlte Materie hinweisen. Laserlicht stimuliert diesen Effekt und verstärkt ihn. Strahlt nun ein Laser auf Doppel-Wolframate, so wird die Wellenlänge des Strahls verändert, und zwar in Richtung langwelliges Spektrum. Doppel-Wolframate eignen sich auch zur optischen Kühlung. "Hitze ist ein limitierender Faktor in der Lasertechnologie", sagt Petrov. "Über Fluoreszenz kann Wärme abgeführt werden." Wenn ein Laserelement also fluoresziert - wie es Doppel-Wolframate tun -, kann dies seine Erhitzung bis zu einem gewissen Grad kompensieren. Petrov: "Wir experimentieren am MBI auch mit optischer Kühlung."

Quelle: Forschungsverbund Berlin




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