Erster Zufallslaser aus papierbasierten Keramiken

Forschung

10.11.2016

Den ersten steuerbaren Zufallslaser auf der Basis von Zellstoffpapier hat ein Team um Professor Cordt Zollfrank von der Technischen Universität München (TUM) zusammen mit Physikern der Universität Rom hergestellt. Das Team belegt, wie aus natürlich vorkommenden Strukturen eine technische Anwendung entstehen kann. Somit müssen künftig keine Materialien mehr künstlich mit ungeordneten Strukturen versehen werden, sondern es kann auf natürlich vorkommende zurückgegriffen werden.

Für ihren Zufallslaser verwendeten die Wissenschaftler gewöhnliches Labor-Filterpapier wegen seiner langen Fasern und stabilen Struktur. (Foto: Institute for Complex Systems /Rom)

Die von der Biologie inspirierte Materialsynthese ist ein Forschungsbereich am Lehrstuhl für Biogene Polymere der TUM am Wissenschaftszentrum Straubing: Dabei werden Modelle aus der Natur übertragen und biogene Materialien zur Entwicklung neuer Werkstoffe oder Technologien verwendet. In der aktuellen Ausgabe der Publikation ‚Advanced Optical Materials’ wird eine Grundlagenstudie vorgestellt, bei der es einem Team aus Straubing und Rom gelungen ist, „eine biologische Struktur als Vorlage für einen technischen Zufallslaser zu verwenden", sagt Wissenschaftler Dr. Daniel Van Opdenbosch.

Bei einem Laser sind zwei Komponenten notwendig: Einmal ein Medium, welches Licht verstärkt. Zum anderen eine Struktur, welche das Licht im Medium hält. Während ein klassischer Laser über Spiegel geordnet zielgerichtet in eine Richtung leuchtet und zwar einheitlich, passiert dies bei der winzigen Struktur eines Zufallslasers zwar auch einheitlich, jedoch in die verschiedensten Richtungen. Die Entwicklung der Zufallslaser steckt zwar noch in den Anfängen, aber sie könnten einmal für kostengünstigere Produktionen sorgen, zudem haben Zufallslaser den Vorteil, dass sie richtungsunabhängig und mehrfarbig funktionieren, um nur einige Vorteile zu nennen.

Unordnung der Struktur sorgt für Ablenkung des Lichts in alle Richtungen

„Die Voraussetzung für einen Zufallslaser ist ein definiertes Maß an struktureller Unordnung im Inneren“, erklärt Van Opdenbosch. Das Licht im Zufallslaser wird folglich entlang zufälliger Pfade kreuz und quer gestreut, die bedingt sind durch eine unregelmäßige Strukturierung im Inneren des Mediums. Das Team um Professor Zollfrank vom Lehrstuhl für Biogene Polymere in Straubing setzte als Strukturvorlage gewöhnliches Labor-Filterpapier ein. „Wegen seiner langen Fasern und der daraus resultierenden stabilen Struktur erschien es uns als geeignet“, sagt Van Opdenbosch.

Im Labor wurde das Papier mit Tetraethylorthotitanat, einer metallorganischen Verbindung, imprägniert. Diese bildet beim Trocknen und anschließenden Ausbrennen des Zellstoffs bei 500 Grad Celsius als Rückstand die Keramik Titandioxid – ein Material, das üblicherweise in Sonnencremes für den Lichtschutz sorgt. „Der Effekt in Sonnencremes basiert auf der starken Streuung von Licht an Titandioxid“, sagt Van Opdenbosch – „was wir auch für unseren Zufallslaser brauchten.“ Und „unser Laser ist insofern 'zufällig', weil das – über die biogene Struktur des Labor-Filterpapiers – in verschiedene Richtungen abgelenkte Licht auch in die Gegenrichtung gestreut werden kann“, beschreibt Daniel Van Opdenbosch das Prinzip.

Zufallslaser doch nicht so zufällig

Dass die Lichtwellen bei aller Zufälligkeit dennoch steuerbar sind, haben wiederum Kolleginnen und Kollegen um Professor Claudio Conti vom Institut für Komplexe Systeme des Italienischen Nationalen Forschungsrates in Rom herausgefunden, mit denen Daniel Van Opdenbosch und Cordt Zollfrank kooperierten. Mit Hilfe eines Spektrometers konnten sie verschiedene im Material entstehende Laserwellenlängen unterscheiden und getrennt voneinander lokalisieren.

„Der Versuchsaufbau, mit dem die Proben kartiert wurden, bestand aus einem grünen Laser, dessen Energie verändert werden konnte, aus Mikroskopielinsen und einem mobilen Tisch, mit dem die Probe abgefahren werden konnte“, beschreibt Van Opdenbosch das Vorgehen. „Damit konnten die Kollegen herausfinden, dass bei verschiedenen Energielevels unterschiedliche Bereiche des Materials verschiedene Laserwellen ausstrahlen.“ So analysiert, ist es möglich, den Laser nach Belieben einzustellen und zu bestimmen, in welche Richtung und mit welcher Helligkeit er strahlt.

Damit rücken Möglichkeiten praktischer Anwendung in greifbare Nähe. "Solche Materialien können beispielsweise als Mikro-Schalter oder Detektoren für strukturelle Änderungen nützlich sein", sagt Van Opdenbosch.

Publikation:

Ghofraniha, Neda, Luca La Volpe, Daniel Van Opdenbosch, Cordt Zollfrank, and Claudio Conti: Biomimetic Random Lasers with Tunable Spatial and Temporal Coherence, Advanced Optical Materials, September 2016. doi:10.1002/adom.201600649.