Eigenschaften und Anwendungsmöglichkeiten

Wirt-Gast-Systeme 46 Aluminiumphosphate und Faujasite mit hohen Beladungsgraden (0.01 – 0.1 Moleküle pro Einheitszelle) funktioniert.^147/148

Die Einführung von Mikrowellenenergie für die Darstellung von Molekularsieben (s. Kap. 4) reduziert die Kristallisationszeiten um 1-2 Größenordnungen im Vergleich zu der konventionellen Hydrothermalsynthese und mildert somit die Reaktionsbedingungen, denen die Farbstoffgäste ausgesetzt sind. Dadurch erweitert sich die Palette der einsetzbaren Chromophore auch auf empfindliche Vertreter, wie beispielsweise instabile Azo- oder Coumarinfarbstoffe.^109/149

Wirt-Gast-Systeme 47 Man spricht von chemischem Lochbrennen, wenn ein Molekül nach der photochemischen Anregung durch monochromatisches Laserlicht durch den Relaxationsprozess nicht in den Grundzustand zurückfällt und bei der eingestrahlten Wellenlänge ein „spektrales Loch“

existiert. Ein Beispiel für eine derartige Informationsspeicherung sind mit Thionin und Methylkenblau beladene Faujasite NaX und NaY.¹³³

Durch die Inkorporation von Laserfarbstoffen in die anorganische Wirtsmatrix sollen den Farbstoffen sehr gute Laser-Eigenschaften verliehen werden. Bei der Einlagerung von Laserfarbstoffen in die hexagonalen Kristalle des AlPO₄-5 könnten Mikrolaser gebildet werden, deren Abmessungen sich aufgrund der Größe der AlPO₄-5-Kristalle den Größenordnungen der Wellenlänge des Lichtes nähern. Dadurch kann man ein Laserlicht mit einer großen spektralen Dichte erzeugen (s. Kap. 2.3.5). Diese Motivation ist die Basis für einen Teil der vorliegende Arbeit (s. Kap. 6). Das restliche Kapitel beschäftigt sich zuerst mit einer kurzen Einführung in die prinzipiellen Grundlagen eines Lasers (Kap. 3.3.1) und geht danach auf die Funktionsweise von Solid-State-Farbstofflasern und Mikrolasern ein (Kap.

3.3.2).

3.3.1 Prinzip eines Laser

Die Bezeichnung LASER ist eine Abkürzung für Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, d. h. Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung. Der Laser fungiert als Oszillator und Verstärker für monochromatisches Licht, Infrarot und Ultraviolett und beherrscht in diesen Funktionen den Wellenlängenbereich zwischen etwa 0.1 µm und 3 mm, in dem der Bereich des sichtbaren Lichtes zwischen 0.37 µm und 0.75 µm angesiedelt ist.¹⁵⁴ Ein Laser ist im Wesentlichen aus einem laseraktiven Medium, einer Strahlungsrückkopplung und einer Anregungsquelle aufgebaut. Das laseraktive Medium wird durch das Strahlungsspektrum beschrieben, das wiederum durch charakteristische Spektrallinien gekennzeichnet ist. Als Materialien eignen sich Festkörper, Flüssigkeiten, Gase oder Plasma. Für die Strahlungsrückkopplung werden optische Resonatoren oder verwandte Vorrichtungen eingesetzt.

Bei der Fluoreszenz und der Phosphoreszenz wird von den Molekülen Energie in Form eines Photons der Frequenz ν durch spontane Emission abgegeben, d. h. sie kehren ohne jede äußere Beeinflussung vom angeregten Zustand E₂ spontan in den Grundzustand E₁ zurück

154 F.K. Kneubühl, M. W. Sigrist, Laser, Teubner-Studienbücher: Physik, Stuttgart, 1989.

Wirt-Gast-Systeme 48 (Abb. 3.3.1-1a). Die Phase der ausgesandten elektromagnetischen Welle und die Emissions- und Polarisationsrichtung dieses Photons ist rein statistisch und die resultierende Strahlung ist inkohärent. Bei einem Laser unterliegt die Emission einem stimulierten Prozess. Der Übergang eines Moleküls aus dem oberen Energieniveau E₂ in das untere Energieniveau E₁ erfolgt unter Einwirkung des Strahlungsfeldes, welches die Emission eines Photons der Energie hν = E₂ –E₁stimuliert (Abb. 3.3.1-1b). Die Frequenz ν der emittierten Photonen ist aufgrund der „erzwungenen“ Schwingungen identisch mit der Frequenz der Photonen, die den Prozess stimuliert haben, so dass bei der stimulierten Emission durch eine Verstärkung der Photonen die Intensität der Strahlung zunimmt. Die stimulierten Photonen besitzen darüber hinaus auch die gleiche Polarisation und Phase wie die einfallenden Photonen. Diese Art von Emission ist eine Funktion des Strahlungsfeldes und folglich ein kohärenter Prozess.

Abb. 3.3.1-1: spontane Emission (links) und stimulierte Emission (rechts).

Die Grundvoraussetzung für den Laserprozess bzw. eine Verstärkung des Strahlungsfeldes ist die Besetzungsinversion, d.h. die Besetzung des angeregten Zustandes E₂ muss höher sein als die des Grundzustandes E₁. Im thermischen Gleichgewicht erfolgt die Besetzung der Energiezustände entsprechend der Boltzmann-Verteilung (E₁ > E₂). Um eine Besetzungsinversion zu erzeugen ist außer der Gleichgewichtsstrahlung noch die Einwirkung einer zusätzlichen Energiequelle notwendig, welche die Besetzung des angeregten Zustandes erhöht. Dieser Vorgang wird als Pumpen und die erforderliche Energie als Pumpenergie bezeichnet. Die so genannte Laserschwelle ist dabei durch die Energie definiert, die für das Erreichen der Besetzungsinversion aufgewendet werden muss.

Der Laserprozess wird in Abbildung 3.3.1-2 schematisch am Beispiel eines Vier-Niveau-Lasers verdeutlicht. In einem Vier-Niveau-Laser existieren zwei kurzlebige angeregte Zustände E₄ und E₂ und ein langlebigerer Zustand E₃. Bei der Einwirkung einer externen Energiequelle erhöht sich die Besetzungsdichte von E₄, aus welcher sich durch strahlungslose Übergänge in das langlebigere obere Laserniveau E₃ eine Besetzungsinversion ergibt. Der Übergang E₃ → E₂ in das untere Laserniveau E₂ resultiert in einer vom Strahlungsfeld

Wirt-Gast-Systeme 49 abhängigen Emission von monochromatischer kohärenter Laserstrahlung. Bei dem strahlungslosen Übergang von E₂ in den Grundzustand wird das untere Laserniveau schnell entvölkert, so dass eine Besetzungsinversion leicht zu erreichen ist.

Abb. 3.3.1-2: Übergänge im einem Vier-Niveau-Laser.

3.3.2 Solid-State-Farbstofflaser und Mikrolaser

Als Strahlungsquelle sind Laser durch monochromatische, kohärente und scharf gebündelte Strahlung mit hoher Leistungsdichte charakterisiert. Bei Farbstofflasern werden schon seit längerem fluoreszierende Farbstoffe als optisches Medium verwendet.¹⁵⁵ Der Farbstofflaser kann aufgrund der breiten Emissionsbanden der Farbstoffe über einen großen Wellenlängenbereich abgestimmt werden. Die Farbstoffe befinden sich entweder gelöst in einer Flüssigkeit oder eingeschlossen in einer festen Wirtsmatrix, z.B. organische Polymere,¹⁵⁶ Silikagele¹⁵⁷ oder Ormosile (organic modified silicates).¹⁵⁸ Im Allgemeinen ist die Photostabilität der Farbstoffe in „solid-state“-Lasern größer als in

155 F. J. Duarte, L. W. Hillman, Dye Laser Principles, Academic Press, New York, 1990.

156 A. V. Deshpande, E. B. Nambas, Appl. Phys. B 1997, 64, 419.

157 Y. Takahashi, R. Shimida, A. Maeda, K. Kojima, K. Uchida, J. Lumin. 1996, 68, 187.

158 D. Larrue, J. Zarzycki, M. Canva, P. Georges, F. Bentivegna, A. Brun, Optics. Comm. 1994, 110, 125.

Wirt-Gast-Systeme 50 Lasern. Durch die Einlagerung der Farbstoffe in eine feste Matrix ergeben sich zusätzlich noch die technischen Vorteile der leichteren Handhabung und der Wegfall der Toxizität und der Entflammbarkeit der Farbstofflösung. Gegenüber den organischen Polymeren zeichnen sich die anorganischen Wirtsmaterialien durch eine höhere mechanische, thermische, chemische und photochemische Stabilität und eine höhere optische Reinheit, aus der die besseren „lasing“-Eigenschaften der Farbstoffe resultieren, aus.¹⁵⁹ Für die Eignung als Lasermaterial ist eine hohe Fluoreszenzquantenausbeute notwendig, die nur durch einen monomolekularen Einbau der Farbstoffe gewährleistet ist, was die Einlagerung der Farbstoffe in die feste Matrix teilweise schwierig gestaltet. Eine derartige stabile, monomolekulare Inkorporation von Laserfarbstoffen gelang erstmals durch den mikrowellenunterstützten Kristallisationseinschluss.¹⁴⁵

Eine neue Klasse von Mikrolasern entsteht durch die Einbettung von Laserfarbstoffen in immer kleinere Resonatorsysteme, wie z.B. der Einbau von Rhodamin BE50³ oder Pyridin 2¹⁶⁰ in AlPO₄-5 Kristalle, die nur wenige Mikrometer groß sind. Das Pumpen der farbstoffbeladenen Mikrokristalle mit einem frequenzverdoppelten Nd:YAG Laser (532 nm) lässt den hexagonalen Kristall zu einem Ringresonator werden, in dem das Licht durch innere Totalreflexion zirkuliert (whispering gallery mode) (s. Kap. 2.3.5).

159 D. Lo, J. E. Parris, J. L. Lawless, Appl. Phys. B 1993, 56, 385.

160 U. Vietze, O. Krauß, F. Laeri, G. Ihlein, F. Schüth, B. Limburg, M. Abraham, Phys. Rev. Lett. 1998, 81, 4628.

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