Forschung & Entwicklung

Material mit Nebeleffekt schafft angenehmes Laserlicht

Ein poröses Material aus Bornitrid mit einer stark streuenden Nanostruktur eignet sich für neue Laserlichtanwendungen. Das Licht zeigt kein störendes Flackern und kann neben Weiß auch andere Farben umfassen.

Mit einer Porosität von 99,99 % besteht es praktisch nur aus Luft und gehört damit zu den leichtesten Stoffen der Welt: Aerobornitrid heißt das Material, das ein internationales Forschungsteam unter Leitung der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) entwickelt hat. Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass sie damit eine zentrale Grundlage geschaffen haben, um Laserlicht als Leuchtelement zu verwenden. Basierend auf einer Bor-Stickstoff-Verbindung entwickelten sie eine dreidimensionale Nanostruktur, die Licht sehr stark streut und kaum absorbiert. Bestrahlt mit einem Laser gibt das Material eine gleichmäßige Beleuchtung ab, die je nach Lasertyp sehr viel effizienter und leistungsstärker als LED-Licht ist. Mit Laserlicht könnten Lampen für Autoscheinwerfer, Beamer oder Raumbeleuchtungen zukünftig kleiner und heller werden. Das Projekt ist Teil der europaweiten Forschungsinitiative ‚Graphene Flagship‘, an der insgesamt rund 150 Forschungsgruppen aus Wissenschaft und Industrie in 23 Ländern beteiligt sind.

In Forschung und Industrie wird Laserlicht schon länger als nächste Generation von Lichtquellen gesehen, die Leuchtdioden (LEDs) in ihrer Effizienz noch übertreffen könnten. „Für sehr helles oder viel Licht braucht man eine große Anzahl von LEDs und damit Platz. Die gleiche Menge an Licht könnte man aber auch mit einer um ein Tausendstel kleineren Laserstruktur erhalten“, unterstreicht Dr. Fabian Schütt das Potenzial.

Leistungsstarke kleine Lichtquellen erlauben zahlreiche Einsatzmöglichkeiten. Erste Testanwendungen wie in Autoscheinwerfern gibt es bereits, doch flächendeckend konnten sich Laserlampen noch nicht durchsetzen. Das liegt zum einem an dem intensiven, gerichteten Licht des Laserstrahls. Zum anderen ist Laserlicht monochromatisch, es besteht also aus nur einer Wellenlänge. Das führt zu einem unangenehmen Flackern, wenn ein Laserstrahl von einer Oberfläche reflektiert wird.

„Bisherige Entwicklungen zum Laserlicht arbeiten normalerweise mit Leuchtstoffen, sogenannten Phosphoren. Sie erzeugen allerdings ein relativ kaltes Licht, sind nicht langzeitstabil und wenig effizient“, sagt Professor Rainer Adelung, Leiter der Arbeitsgruppe Funktionale Nanomaterialien an der CAU. Das Kieler Forschungsteam entwickelte eine stark streuende Nanostruktur aus Bornitrid, das auch als weißes Graphen bezeichnet wird und extrem wenig Licht absorbiert. Diese Struktur besteht aus einem Netz unzähliger feiner Hohlröhren von wenigen Mikrometern. Trifft ein Laserstrahl darauf, wird er im Inneren der Struktur stark gestreut und ein homogenes Licht wird abgegeben. Die starke Streuung trägt außerdem dazu bei, dass störendes Flackern für das menschliche Auge nicht mehr sichtbar ist.

Die Nanostruktur sorgt nicht nur dafür, dass das Material dem intensiven Laserlicht standhält, sondern kann auch verschiedene Wellenlängen streuen. Rotes, grünes und blaues Laserlicht lässt sich so mischen, um neben normalem Weiß gezielte Farbeffekte zu kreieren – zum Beispiel für den Einsatz bei innovativen Raumbeleuchtungen. Hier könnten extrem leichtgewichtige Laserdioden in Zukunft zu ganz neuen Designkonzepten führen. „Um künftig mit LEDs konkurrieren zu können, muss allerdings auch die Effizienz von Laserdioden noch verbessert werden“, sagt Schütt. Für den Schritt vom Labor in die Anwendung sucht das Forschungsteam jetzt Industriepartner.

von mn

Originalveröffentlichung:

[F. Schütt et al., Conversionless efficient and broadband laser light diffusers for high brightness illumination applications, Nat. Commun. 11 (2020), DOI: 10.1038/s41467-020-14875-z]

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