Zufallslaser aus papierbasierten Keramiken

Einen ersten steuerbaren Zufallslaser auf der Basis von Zell­stoff­papier hat ein Team der TU München zu­sammen mit Forschern der Uni Rom herge­stellt. Die Arbeit des Teams zeigt, 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.

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 das bei der winzigen Struktur eines Zufalls­lasers zwar auch ein­heit­lich, jedoch in ver­schiedene Richtungen. Die Ent­wick­lung der Zufalls­laser steckt 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 von der TU München. Das Licht im Zufalls­laser wird daher entlang zufäl­liger Pfade kreuz und quer gestreut, die bedingt sind durch eine unregel­mäßige Struktu­rierung im Inneren des Mediums. Das Team setzte als Struktur­vorlage gewöhn­liches Labor-Filter­papier ein. „Wegen seiner langen Fasern und der daraus resul­tie­renden stabilen Struktur erschien es uns als geeignet“, so Van Opdenbosch.

Im Labor wurde das Papier mit Tetraethylorthotitanat, einer metall­orga­nischen Ver­bindung, impräg­niert. Diese bildet beim Trocknen und anschlie­ßenden Aus­brennen des Zell­stoffs bei fünf­hundert 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.“ Der von den Forschern ent­wickelte Laser ist „zufällig“, weil das – über die biogene Struktur des Labor-Filter­papiers – in ver­schie­dene Rich­tungen abge­lenkte Licht auch in die Gegen­richtung gestreut werden kann.

Dass die Lichtwellen bei aller Zufälligkeit dennoch steuerbar sind, haben Forscher-Kollegen der Uni Rom heraus­gefunden. 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.

TUM / RK