Bilder wie im wahren Leben

Für viele Anwendungen sind sie jedoch noch zu groß. Wissenschaftlern des Ferdinand-Braun-Instituts, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) ist es jetzt gelungen, besonders kleine, brillante Laserlichtquellen zu entwickeln, die deutlich kompaktere Systeme für Displays ermöglichen.

„Bei dieser Achterbahnfahrt ist mir richtig schlecht geworden“, erinnert sich Dr. Katrin Paschke, Leiterin einer Nachwuchsgruppe am FBH. Dabei saß sie nicht einmal selbst im Wagon, sondern hat die Fahrt nur im Film gesehen. Die besonders realitätsnahen Bilder sind durch eine besondere Projektionstechnik entstanden. „Mit der Laserprojektion decken wir den Farbraum des menschlichen Auges zu neunzig Prozent ab. Die Bildqualität ist dadurch faszinierend. Aktuelle Flachbildschirme im Handel schaffen nur etwa fünfzig Prozent“, erklärt Paschke.

Der Nachteil an den Laserprojektoren ist bisher vor allem, dass sie gewaltige Abmessungen erreichen. In Flugsimulatoren werden schrankgroße Lasersysteme eingesetzt. Das schränkt die Einsatzmöglichkeiten erheblich ein, für den Fernseher zu Hause kommt die Technologie damit noch nicht infrage. Wissenschaftler entwickeln daher immer kleinere Bauteile. Diese Laserlichtquellen sollen zugleich hohe optische Ausgangleistungen im Wattbereich erreichen und eine exzellente Strahlqualität aufweisen.

Katrin Paschke hat mit ihrer Gruppe im Rahmen der BMBF-geförderten Initiative „InnoProfile“ und einem Entwicklungsprojekt mit der Firma LDT Laser Display Technology GmbH aus Jena streichholzschachtelgroße rote Laserlichtquellen entwickelt, die LDT in ihre neue Generation von Laserprojektoren integriert möchte.

In ihrem rot leuchtenden Mikromodul haben die Wissenschaftler am FBH mehrere Elemente wie Laserchip und Mikrooptiken kombiniert. Das rote Licht wird dabei von nur reiskorngroßen Halbleiterlasern direkt erzeugt. Eine der Herausforderungen bei den für Displaysystemen benötigten hohen Leistungen bestand darin, die erheblichen Leistungsdichten so zu reduzieren, dass das Lasermaterial nicht schmilzt. Diese Leistung darf sich daher nicht auf eine zu kleine Austrittsfläche für den Laserstrahl konzentrieren.

Am FBH wurde deshalb ein Laserchip entwickelt, der sich zum Austritt hin trapezförmig öffnet. So kann der Laserstrahl mit guter Strahlqualität kompakt erzeugt und im Trapezteil verbreitert werden, dass die hohen Ausgangsleistungen auf eine vergleichsweise breite Austrittsfläche von einigen hundert Mikrometern verteilt werden. Damit die Strahlung der Lasermodule für Laserprojektoren genutzt werden kann, muss der Strahl anschließend kollimiert, d.h. parallel ausgerichtet werden. Der Strahl, den Halbleiterlaser üblicherweise emittieren, wird nämlich mit zunehmender Entfernung schnell breiter und verliert dadurch an Bestrahlungsstärke.

Das gesamte Modul sollte dabei die Größe einer Streichholzschachtel nicht überschreiten. Deshalb wurden für die Kollimierung speziell angefertigte Mikrooptiken (ca. 1 x 1 x 1 mm³) verwendet, die mit höchster Präzision von unter einem Mikrometer positioniert und fixiert werden müssen. Ein ausgeklügeltes Wärmemanagement sorgt zudem dafür, dass die Diodenlaser im optimalen Temperaturbereich von unter 15°C betrieben werden können. Um die überschüssige Wärme abzuleiten, nutzen die Forscher speziell gefertigte Industriediamanten.

Mit diesen winzig kleinen brillanten Laserlichtquellen will das Team um Katrin Paschke nicht nur dafür sorgen, dass in Planetarien oder Flugsimulatoren gestochen scharfe Bilder erzeugt werden. Künftig sollen auch ins heimische Wohnzimmer lebensechte Bilder mit Laserfernsehern geliefert werden. Katrin Paschke erwartet im Entertainmentbereich sogar noch mehr: „Irgendwann werden Hologramme durch unsere Wohnung springen.“

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Hintergrundinformationen – das FBH
Das Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) ist eines der welt­weit führenden Institute für anwendungsorientierte und industrienahe Forschung in der Mikro­wellen­technik und Opto­elektronik. Es erforscht elektronische und optische Komponenten, Module und Systeme auf der Basis von Verbindungshalbleitern. Diese sind Schlüsselbausteine für Inno­vationen in den gesell­schaftlichen Bedarfsfeldern Kommunikation, Energie, Gesundheit und Mobilität. Leistungsstarke und hochbrillante Diodenlaser, UV-Leuchtdioden und hybride Laser­systeme entwickelt das Institut vom sichtbaren bis zum ultravioletten Spektralbereich. Die Anwen­dungsfelder reichen von der Medizin­technik, Präzisionsmesstechnik und Sensorik bis hin zur optischen Satelliten­kommu­nikation. In der Mikrowellentechnik realisiert das FBH hocheffiziente, multifunktionale Verstärker und Schaltungen, unter anderem für energieeffiziente Mobilfunk­systeme und Komponenten zur Erhöhung der Kfz-Fahrsicherheit. Kompakte atmosphärische Mikro­­wellen­plasmaquellen mit Nieder­spannungsversorgung entwickelt es für medizinische Anwendungen, etwa zur Behandlung von Hauterkrankungen. Die enge Zusammen­arbeit des FBH mit Industriepartnern und Forschungs­einrichtungen garantiert die schnelle Umsetzung der Ergeb­nisse in praktische Anwendungen. Das Institut beschäftigt 220 Mitarbeiter und hat einen Etat von 21 Millionen Euro. Es gehört zum Forschungsverbund Berlin e.V. und ist Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft.