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Mit Staeben aus dem seltenen Element Ytterbium
Jenaer Forscher geben der Lasertechnik neue Impulse
Jena (12.05.97). Eine richtungsweisende Forschungsarbeit fuer die Lasertechnologie hat das Otto-Schott-Institut der Uni Jena geleistet: Das Team um Dr. Wolfgang Seeber entwickelte neuartige Ytterbium-Lumineszenzglaeser, die als aktive Materialien in Laserbaugruppen anwendbar sind. Damit bestehen gute Aussichten, kleine, preiswerte Ultrakurzpuls-Laser zu bauen und Anwendungsgebiete in der Optoelektronik, Biochemie und Messtechnik breiter zu erschliessen. Das Jenaer Projekt wurde in den vergangenen vier Jahren von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) mit rund 530.000 Mark, der Alexander von Humboldt-Stiftung sowie dem Land Thueringen gefoerdert.
Bisher werden in Laserapparaturen teuer und aufwendig gezuechtete Kristalle verwendet, um das von Halbleiterdioden erzeugte Licht zu einem starken, homogenen Laserstrahl umzuformen. Seebers Ytterbium-Glas ist dagegen nicht nur wesentlich kostenguenstiger und einfacher herstellbar, sondern kann Lasern neuen Typs die entscheidende Eigenschaft verleihen, schnelle, ultrakurze Lichtimpulse auszusenden. So setzten Wissenschaftler des Berliner Max-Born-Instituts die neuartigen Glaeser als Lasermaterial ein und erzielten mit speziellen Komprimiertechniken Impulse von 160 Femtosekunden Dauer bei 170 Megahertz Folgefrequenz. Zur Anschaulichkeit: Die Lichtgeschwindigkeit betraegt etwa 300.000 Kilometer pro Sekunde, in einer Femtosekunde legt der Lichtstrahl 0,0003 Millimeter zurueck.
Somit stehen fuer die Lasertechnik dank der Ytterbium-Glaeser neue Anwendungsmoeglichkeiten in Forschung und Produktion in Aussicht. Vor allem gibt es realistische Chancen, schnell ablaufende Prozesse in mikroskopisch kleinen Bereichen objektiv zu erfassen und zu analysieren, etwa die Grundprozesse bei der Photosynthese in pflanzlichen Zellen oder die Ladungstraegerdynamik in elektronischen Schaltkreisen. Durch Verwandlung des infraroten Laserstrahls in sichtbares Licht, etwa mit Hilfe von Verdopplerkristallen, koennten weitere Einsatzgebiete, z. B. die optische Datenspeicherung, erschlossen werden, vermutet Seeber.
Fuer die Messtechnik ist die grosse sogenannte Durchstimmbarkeit des von Ytterbium-Glaesern generierten Laserstrahls bedeutsam; das heisst, dass die Wellenlaenge des Laserlichts sehr praezise innerhalb eines festgelegten Bereichs variiert werden kann. Dadurch lassen sich etwa Verunreinigungen in Festkoerpern genauestens bestimmen.
Das chemische Element Ytterbium (Yb) kommt in der Natur relativ selten vor; als Verunreinigungsspur findet sich der farblose Stoff praktisch in jedem Material, etwa in gewoehnlichem Fensterglas. Wirtschaftlich wird Ytterbium jedoch nur aus einigen Phosphatmineralien, z. B. dem Monazit, gewonnen. Bei der Phosphataufarbeitung faellt der Stoff quasi als Nebenprodukt ab. Fuer einen seiner etwa streichholzkopfgrossen Laserstaebe benoetigt Seeber wesentlich weniger als ein Gramm des seltenen Materials. Das Laserglas wird nach einem gewoehnlichen Schmelzverfahren hergestellt und in eine Form gegossen. Nach der Abkuehlung des heissen Glasblocks kann dieser in beliebige Stuecke zerschnitten und poliert werden.
Die Einsatzmoeglichkeit von Ytterbium in Glaesern ist schon laenger bekannt. Entscheidend fuer die neuartigen Laser-Eigenschaften ist die konkrete lokale Struktur des Glases: Der Glaschemiker Seeber verschafft dem laseraktiven Ytterbium-Ion eine Umgebung aus Phosphat- und Fluorid-Anionen, in der es sich quasi besonders ,wohlfuehlt" und sehr effizient ,arbeitet". Wissenschaftler des Instituts fuer Laserphysik der Universitaet Hamburg testeten das Verhalten dieses Glases, wenn es mit kommerziell verfuegbaren Halbleiterdioden angeregt wird. Ihr Laser arbeitete mit hohen Wirkungsgraden ueber 65% bei Raumtemperatur und ohne aufwendige Kuehlung. Damit wird auch ein bekannter Schwachpunkt von Glaesern umgangen: die geringe Waermeleitfaehigkeit im Vergleich zu Kristallen. Durch den hohen Laserwirkungsdgrad wird weniger Waerme erzeugt und die Gefahr einer Zerstoerung durch Hitze wird herabgesetzt.
Inzwischen hat das Team um Dr. Wolfgang Seeber seine Forschungsarbeit zum Patent angemeldet. Eine kommerzielle Nutzung der Ytterbium-Glaeser in Lasern erfordert eine enge Kooperation mit industriellen Partnern und soll forciert werden. Parallel dazu moechten die Jenaer Wissenschaftler ihre angewandte Grundlagenforschung weiterfuehren und weitere Foerdermittel bei der DFG beantragen.
Criteria of this press release:
Biology, Chemistry, Materials sciences, Mathematics, Physics / astronomy
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