Ressourcenschonender Laser | Forscher haben einen Laser auf der Basis von Zellstoffpapier hergestellt und zeigen damit, wie aus natürlich vorkommenden Strukturen eine technische Anwendung entstehen kann.
Die von der Biologie inspirierte Materialsynthese ist ein Forschungsbereich am Lehrstuhl für Biogene Polymere der Technischen Universität München (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 der Universität Rom gelungen ist, „eine biologische Struktur als Vorlage für einen technischen Zufallslaser zu verwenden“, sagt 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 und einheitlich in eine Richtung leuchtet, 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.
„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 unregelmäßige Strukturierung im Inneren des Mediums bedingt die Pfade. Das Team um Prof. Cordt 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 °C 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.
Dass die Lichtwellen bei aller Zufälligkeit dennoch steuerbar sind, haben wiederum Kollegen um Prof. 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.
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.
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adom.201600649/full
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