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Ist er dotiert, kann er rot werden - und erhält
neue Eigenschaften: ein Doppel-Wolframat-Kristall.
Foto: MBI
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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.
Höherer Wirkungsgrad
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."
Attraktive Bedingungen
Das MBI ist Konsortialführer des Projekts DTCRYS. Zugleich
ist das MBI federführend in einem der drei Arbeitsbereiche des Projekts, dem
Bereich Anwendung. Die beiden anderen "Workpackages" betreffen zum einen die
Herstellung und Charakterisierung der Kristalle, zum anderen die Strukturierung
der Materialien, etwa die Erzeugung hauchdünner Schichten durch spezielle
Verfahren wie Epitaxie. Die Züchtung und Charakterisierung wird koordiniert von
der Universität in Tarragona (Universitat Rovira I Virgili; Spanien), die
Strukturierung liegt in der Federführung der École Polytechnique Fédérale de
Lausanne (Schweiz). Hinzu kommen sechs weitere Partner, drei davon kleine oder
mittelständische Unternehmen.
Petrov: "Besonders attraktiv an dem Projekt ist die
Flexibilität der eingesetzten Mittel." Anders als bei bisherigen EU-Förderungen
sei es möglich, Gelder kurzfristig umzuschichten, wenn sich Sackgassen ergeben
sollten oder besonders interessante neue Wege auftun. Über die Ziele sagt Petrov:
"Auch wenn wir mit Firmen kooperieren, geht es bei DT-CRYS nicht in erster Linie
um Produktentwicklung." Das Projekt sei vielmehr auf grundlegende Erkenntnisse
ausgerichtet. Letzten Endes verspreche sich die EU davon aber doch einen Vorteil
für europäische Unternehmen. |
