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Lumineszierende Lichtstäbe – höhere Leuchtdichte für Projektoren

© Fraunhofer AWZ Soest / Dr. Bernd Ahrens

Leuchtstoff-konvertierte ultraviolette oder blaue Laserdioden stellen aufgrund ihrer hohen Leuchtdichte eine interessante grüne Lichtquelle dar.

Digitale Projektoren, wie sie beispielsweise in Kinos oder Besprechungsräumen eingesetzt werden, müssen sehr stark leuchten, damit auch großformatige Bilder noch gut zu sehen sind. Die dafür bislang eingesetzten Hochdruckentladungslampen werden immer häufiger durch laserdioden-basierte Lichtquellen ersetzt. Die Helligkeit eines derartigen Projektors hängt dabei stark von der Leistung der verwendeten Laserdioden ab. Leider ist die Effizienz grün-gelber Laserdioden wesentlich geringer als die der blau oder rot emittierenden Dioden. Dies wird als sogenanntes »Green Gap« bezeichnet, das nach wie vor eine Herausforderung für die Herstellung moderner Lichtquellen wie LEDs, Laserdioden und Laser darstellt [1, 2]. Mit Metallionen aus der Gruppe der Seltenen Erden versehene Leuchtstoffe aus Glas in Kombination mit einer ultravioletten / blauen Lichtquelle stellen hier eine interessante Alternative dar, um im grün-gelben Spektralbereich dennoch einen hellen Lichteindruck zu erzielen.

Die hier vorgestellten Boratgläser bieten nicht nur eine sehr gute chemische und thermische Stabilität, sondern auch eine hohe Transparenz und eine gute Löslichkeit für die Seltenerdionen. Letzteres ist besonders wichtig für die optische Aktivierung der Gläser mit Dysprosium (Dy3+) oder Terbium (Tb3+). Beide Ionen sorgen für eine intensive grün-gelbliche (Dy3+) bis grüne (Tb3+) Lumineszenz bei Anregung im ultravioletten bis blauen Spektralbereich. Ein wichtiger Faktor ist die Lumineszenz-Quanteneffizienz dieser beiden Ionen, also wieviel Prozent des absorbierten ultravioletten / blauen Lichts in grün-gelbliches Lumineszenz-Licht umgewandelt wird. In Boratgläsern beträgt die Quanteneffizienz von Dy3+ mehr als 40 % [3], die von Tb3+ sogar mehr als 80 % [4]. Trotz dieser hohen Werte ist die Lichtausbeute gering. Dies liegt im Wesentlichen an dem schwachen Absorptionsvermögen der Seltenerdionen. Hier können Lichtstäbe eine Lösung darstellen, da sie zum einen den Absorptionsweg verlängern und zum anderen das erzeugte Licht akkumulieren, sodass die Lichtausbeute deutlich erhöht wird.

Zur Bewertung des Potenzials von Dy3+ und Tb3+ dotierten Lichtstäben aus Boratglas werden »Raytracing«-Simulationen herangezogen. Der Lichtstab wird hierbei von einem parallelen Lichtstrahlbündel im ultravioletten / blauen Spektralbereich angeregt. Die Seitenflächen des Lichtstabs werden mit einem perfekten, 100 % reflektierenden Spiegel beschichtet, die Eintrittsfläche mit einem halbdurchlässigen Spiegel, der das Anregungslicht durchlässt, aber das im Lichtstab erzeugte Lumineszenzlicht reflektiert. Durch die Verspiegelung wird erreicht, dass möglichst viel Licht zur Austrittsfläche geführt wird. Zusätzlich wird für eine optimale Auskopplung die Austrittsfläche mit einer streuenden Oberfläche versehen.

Die Länge des Lichtstabs bestimmt den maximalen Lichtstrom und damit die maximale Leuchtdichte an der Austrittsfläche. Generell lässt sich sagen: Je länger der Lichtstab, desto mehr Anregungslicht wird absorbiert. Ab einer gewissen Länge spielen allerdings Selbstabsorptionseffekte (das erzeugte Lumineszenzlicht wird vom Glas selbst absorbiert) eine immer stärkere Rolle, sodass die Lichtausbeute am Ende des Stabes wieder sinkt. Es gilt also die jeweils optimale Länge des Lichtstabes zu ermitteln. Dies hängt von vielen Faktoren ab, beispielsweise Art und Höhe der Seltenerdionen-Dotierung sowie die Anregungswellenlänge. Die besten Simulationsergebnisse liefert bislang ein etwa 40 mm langer Tb3+-dotierter Lichtstab: Bei einer Anregung im ultravioletten Spektralbereich (378 nm) wird für eine optische Eingangsleistung von 1 Watt ein Lichtstrom von mehr als 300 lm und eine Leuchtdichte von etwa 100 cd/mm2 erreicht. Aktuell kommerziell erhältliche grüne LEDs bieten für eine elektrische Eingangsleistung von 1 Watt einen Lichtstrom von etwa 100 lm und eine Leuchtdichte von 10 cd/mm2.

Autoren: Prof. Dr. Stefan Schweizer (Prof. für Physik und Energietechnologien am Fachbereich Elektrische Energietechnik der Fachhochschule Südwestfalen und Leiter des Fraunhofer-Anwendungszentrums für Anorganische Leuchtstoffe Soest), Michelle Grüne, M.Sc. (Wissenschaftliche Mitarbeiterin am Fachbereich Elektrische Energietechnik der Fachhochschule Südwestfalen)

Referenzen
[1] Auf der Maur, M., Pecchia, A., Penazzi, G., Rodrigues, W., and Di Carlo, A., Efficiency Drop in Green InGaN/GaN Light Emitting Diodes: The Role of Random Alloy Fluctuations, Physical Review Letters 116, 027401 (2016).
[2] Hagemann, V., Seidl, A., and Weidmann, G., Static ceramic phosphor assemblies for high power, high luminance SSL-light sources for digital projection and specialty lighting, Proc. of SPIE 11302, 113021N (2020).
[3] Michelle Grüne, Stefan Schweizer, Comparison of Dy3+-doped barium borate and lithium aluminoborate glass, Optical Materials 128, 112339 (2022)
[4] Michelle Grüne, Bernd Ahrens, Peter W. Nolte, and Stefan Schweizer, Double-doped borate glass light guide with high luminance, Proc. SPIE 12142, Fiber Lasers and Glass Photonics: Materials through Applications III; 1214209 (25 May 2022)

Fraunhofer-Anwendungszentrum für Anorganische Leuchtstoffe Soest

Photonische Basistechnologie

  • Materialentwicklung (Glas)
  • Optische Spektroskopie
  • Optische Simulation (»Raytracing«)
  • Leuchtstoffe auf Glasbasis
  • Langzeitstabile Leuchtstoffe

Anwendungsfelder / Märkte

  • Lichttechnik

Impact

  • Entwicklung neuer Materialien
  • Nachhaltige Leuchtstoffe

www.awz-soest.fraunhofer.de

Abbildung 1: Dy3+-dotierte Lichtstäbe, die unter UV-Anregung das generierte Licht leiten. © Fraunhofer AWZ Soest / Dr. Bernd Ahrens
Abbildung 2: Intensiv-grüne Lumineszenz eines Tb3+-dotierten Lichtstabs unter UV-Anregung (links) und bei Tageslicht (rechts). © Fraunhofer AWZ Soest / Dr. Bernd Ahrens

Bildergalerie

Quelle: NMWP-Magazin

Fraunhofer-Anwendungszentrum für Anorganische Leuchtstoffe AWZ

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