Streuung kann optische Leistung auch verbessern

Streuung an neu entwickelten Nanomaterialien erhöht die Leistung eines Lasers

Von Lichtstreuung erwartet man, dass sie einen abschwächenden Einfluss auf die optische Leistung hat, doch dass beide Effekte auch Hand in Hand in die gleiche Richtung gehen können, wurde jetzt gezeigt: Die Resultate deuten auf neue, eindrückliche Möglichkeiten bei Feststofflasern hin. Die Arbeitsgruppe um Inmaculada Garcia-Moreno vom physikalisch-chemischen Institut der Uni Madrid zeigt in einer Veröffentlichung in Advanced Materials, dass Zugabe von Nanopartikeln zu einem Farbstoff einen positiven Effekt auf dessen Leistung hat und zudem das Material noch handhabbarer macht. Dies könnte zu kommerziell brauchbaren, neuen Farbstofflasern führen.

Abb.: Mit 13 wt-% 8MMAPOSS dotiertes Methacrylsäuremethylester-Copolymer gefolgt von schematischer Darstellung der Streuung (Bild: Advanced Materials)

Farbstoff-basierte Laser decken unterschiedliche Wellenlängen von Ultraviolett bis Infrarot ab. Gepulstes Laserlicht kann mit hohen Energien erzeugt werden und ermöglicht die Trennung von Isotopen, Überwachung von Umweltverschmutzung, Krebstherapien und Entfernung von Tattoos. Die dafür genutzten Farbstoffe sind meistens Flüssigkeiten, aber können als Dotierung in ein organisches Polymer eingebracht werden, womit ein handlicheres Material erhalten werden kann. Zugabe von inorganischen Additiven macht das Material haltbarer. Die Additive haben aber einen unerwünschten Effekt auf die optischen Eigenschaften des Materials, weil sie es trüben.

Die Spanischen Forscher konnten nun zeigen, dass ein zufällig verteiltes, nanoskaliges, inorganisches Material die Transparenz nicht beeinträchtigt - mehr noch: das emitierte Laserlicht ist sogar stärker.

Die dahinterliegende Chemie basiert auf der Verwendung von polyhedralen, oligomeren Silsesquioxanen (POSS) als inorganisches Bestandteil. Derivate des silicon- und sauerstoffhaltigen POSS wie 8MMAPOSS lassen sich problemlos in eine organische Matrix einfügen. Die Nanopartikel entstehen während der Polymerisation auf einer molekularen Ebene innerhalb des Polymers. Die Physik dahinter ist als inkoherenter Zufallslaser bekannt. Das koherente Licht wird hierbei schwach von den POSS-Nanopartikeln gestreut, was zu einem etwas längeren Weg innerhalb des Polymers führt, auf dem zusätzliche Farbstoffmoleküle angeregt werden.

Die Forscher waren sehr überrascht, dass ein homogenes Material mit darin enthaltenen Nanopartikeln in der Grössenordnung von 0.5-4 nm derartige Streueigenschaften aufweist, die sogar noch vom Typ des Farbstoffes und dessen Photophysik unabhängig war. "Lösungen auf POSS-Basis können als universelle Verstärkungsmedien gesehen werden, welche die bislang als sehr grosse Einschränkung empfundenen festgeschriebenen Kombinationen aus Farbstoff und spezifischer Gastumgebung aufheben", so Garcia-Morena.

Weitere Vorteile sind die einfache Synthese dieser Hybridmaterialen, ihre deutlich verbesserten physikalischen, thermischen und optischen Eigenschaften. ¿POSS-basierte Materialen haben das Potenzial, praktische, handhabbare und stabile, kommerzielle Farbstofflaser zum Leben zu erwecken".

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Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  A. Costela, et. al., Dye-Doped POSS Solutions: Random Nanomaterials for Laser Emission. Adv. Mater. 2.6.2009
  http://dx.doi.org/10.1002/adma.200900799

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