Lumineszierende Lichtstäbe – höhere Leuchtdichte für Projektoren

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

Digitale Projektoren, wie sie in Kinos oder Besprechungsräumen eingesetzt werden, müssen sehr stark leuchten, damit auch großformatige Bilder noch gut zu sehen sind. Die dafür bisher eingesetzten Hochdruckentladungslampen werden immer häufiger durch laserdioden-basierte Lichtquellen ersetzt. Die Helligkeit des Projektors hängt dabei stark von der Leistung der verwendeten Laserdioden ab. Die Effizienz grün-gelber Laserdioden ist dabei 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 und Laserdioden darstellt. Mit Metallionen aus der Gruppe der Seltenen Erden versehene Leuchtstoffe aus Glas in Kombination mit einer ultravioletten (UV) oder blauen Lichtquelle stellen hier eine Alternative dar, um im grün-gelben Spektralbereich dennoch einen hellen Lichteindruck zu erzielen. Boratgläser bieten eine sehr gute chemische und thermische Stabilität, eine hohe Transparenz sowie 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 grüngelbliche bis grüne Lumineszenz bei Anregung im ultravioletten bis blauen Spektralbereich. Sie unterscheiden sich jedoch darin, wie viel Prozent des absorbierten ultravioletten, blauen Lichts in grün-gelbliches Lumineszenz Licht umgewandelt wird. Trotz der hohen Umwandlungswerte in Boratgläsern von etwa 40 Prozent bei Dy3+ und 80 Prozent bei Tb3+ ist die Lichtausbeute gering. Dies liegt im Wesentlichen an dem schwachen Absorptionsvermögen der Seltenerdionen. Hier können Lichtstäbe eine Lösung darstellen. Sie verlängern den Absorptionsweg und akkumulieren gleichzeitig das erzeugte Licht, sodass die Lichtausbeute deutlich höher ist. Die Länge des Lichtstabs bestimmt dabei den Lichtstrom und damit die Leuchtdichte an der Austrittsfläche. Generell gilt: je länger der Lichtstab, desto mehr Anregungslicht wird absorbiert. Ab einer gewissen Länge sinkt jedoch wegen Selbstabsorption die Lichtausbeute am Ende des Stabes, sodass die optimale Länge jeweils ermittelt werden muss. Die besten Simulationsergebnisse liefert bislang ein etwa 40 mm langer Tb3+-dotierter Lichtstab: Bei Anregung im UV Spektralbereich (378 nm) mit einer optischen Eingangsleistung von 1 Watt wird ein Lichtstrom von mehr als 300 Lumen erreicht. Vergleichbare grüne LEDs bieten bei einer elektrischen Leistung von 1 Watt einen Lichtstrom von 100 Lumen.