In Folie gebettet mit hohen Pulsenergien

17.06.2010: Wissenschaftlern des KIT und der Technical University of Denmark ist es in einem gemeinsamen Projekt erstmals gelungen, in eine nur 1/3 Millimeter dicke Folie eingebettete Flüssigkeits-Farbstofflaser zu realisieren und gleichzeitig die Ausgangsleistung derartiger Laser deutlich zu erhöhen.

Unter Optofluidik versteht man flüssigkeitsbasierte optische und photonische Elemente oder Bauteile. Optofluidische Laser sind miniaturisierte Flüssigkeits-Farbstofflaser, die sichtbares Licht emittieren. Sie können als Lichtquelle für die integrierte Optik oder für integrierte photonische Sensorsysteme dienen. Durch die Zusammenarbeit der KIT-Nachwuchsgruppe von Dr.-Ing. Timo Mappes mit der Forschergruppe von Prof. Anders Kristensen der Technical University of Denmark konnte der KIT-Doktorand Christoph Vannahme nun erstmalig einen Laser realisieren, der in einer nur 1/3 Millimeter dicken Folie eingebettet ist und eine deutlich erhöhte Ausgangsleistung gegenüber herkömmlichen Lasern aufweist.

In einem leicht auf industrielle Fabrikation übertragbaren Prozess wird zur Herstellung der Laser zunächst eine Folie mit einer Kombination aus Nano- und Mikrostrukturen versehen. Diese geschieht durch Prägen mit einem Stempel bei erhöhter Temperatur. „Durch das Deckeln dieser Struktur mit einer weiteren Folie entsteht so ein Mikrokanal mit nur 1,6 Mikrometer Höhe, das entspricht dem 40sten Teil eines Haardurchmessers“, erläutert Christoph Vannahme, Doktorand am Institut für Mikrostrukturtechnik und am Lichttechnischen Institut des KIT. „Die Breite des Mikrokanals misst 0,5 Millimeter und der Kanalboden ist mit einer Nanostruktur versehen. Leitet man eine Farbstoffflüssigkeit durch diesen Kanal und regt den Farbstoff zum Leuchten an, so entsteht aufgrund der Strukturierung Laserlicht“, beschreibt Vannahme den Prozess.

Die Periode der Nanostruktur bestimmt die Farbe - die Wellenlänge - des Laserlichts. Mit zwei verschiedenen Perioden können mit derselben Flüssigkeit unterschiedliche Laserwellenlängen erzeugt werden. Das Kanaldesign ermöglicht hohe Pulsenergien von mehr als 1 Mikrojoule und schmale Bandbreiten des Laserlichts. Da die Flüssigkeit durch den Mikrokanal gepumpt wird, werden die Farbstoffmoleküle ständig ausgetauscht und dadurch sehr lange Betriebsdauern erreicht.

Im Rahmen eines durch das Karlsruhe House of Young Scientists (KHYS) geförderten Auslandsaufenthaltes arbeitete Christoph Vannahme für sechs Monate an der Technical University of Denmark und entwickelte dort den neuen Laser. Der Laser kann in mikrooptische Analysesysteme integriert werden, die Vannahme im Rahmen seiner Doktorarbeit entwickelt.

Originalveröffentlichung: Christoph Vannahme, Mads Brøkner Christiansen, Timo Mappes, Anders Kristensen; „Optofluidic dye laser in a foil“; Optics Express 2010, 18 (9): 9280-9285