Mikrostrukturen in Glas

Ein Verfahren, mit dem beliebige farbige, polarisationsabhängige (Mikro-) Strukturen mit ultrakurzen Laserimpulsen in Glas eingeschrieben werden können, haben Prof. Dr. Heinrich Graener und seine Mitarbeiter Monika Kaempfe und Dr. Gerhard Seifert vom Fachbereich Physik der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg entdeckt.

Der Effekt beruht auf der Verformung von nur einigen Nanometer großen, im Glas eingelagerten Metallteilchen.

Dass man Glas einfärben kann, indem man der Schmelze Metalle hinzufügt, war schon im Mittelalter bekannt. Bunte Kirchenfenster geben ein beredtes Zeugnis dieses Wissens. Wenn auch einige Rezepte aus der damaligen Zeit verloren gegangen sind, so weiß man dafür heute, was dieser Farbwirkung mikroskopisch zugrunde liegt: im Glas bilden sich winzige Metallkügelchen, die meistens kleiner als 50 nm sind.

Die leicht beweglichen Elektronen dieser Teilchen können Licht absorbieren. Dabei hängen die Lage dieser Absorptionsbande und damit die Farbwirkung des Glases sowohl von der Art des Metalls als auch von der Teilchengröße und dem Brechungsindex des Glases ab. Zum Beispiel führen Kupfer und Gold zu rotem, Silber dagegen zu gelbem Glas.

Vor einigen Jahren nun entdeckten die Halleschen Physiker, dass sich diese metallischen Nanopartikel verformen lassen, wenn man das Glas mit passenden ultrakurzen Laserimpulsen bestrahlt. Dabei bleibt die Glasoberfläche völlig unversehrt. Man kann die mikroskopischen Verformungen dem Glas aber äußerlich leicht ansehen, da sich die Farbe im bestrahlten Bereich ändert.

Besonders interessant ist dies, wenn man mit linear polarisiertem Laserlicht arbeitet und das verfärbte Glas anschließend ebenfalls mit polarisiertem Licht betrachtet: je nachdem, ob die Polarisationsrichtung bei der Beobachtung der des Lasers entspricht oder senkrecht dazu steht, ergeben sich zum Teil sehr verschiedene Farbwirkungen, das Glas wird in diesem Bereich also dichroitisch.

Sehr deutlich zu sehen ist dieser Unterschied im obigen Bild, wo der gleiche Ausschnitt einer Probe einmal mit horizontal (obere Hälfte) und einmal mit vertikal polarisiertem Licht (untere Hälfte) aufgenommen wurde. Die verfärbten Quadrate wurden dabei zeilenweise mit einem fokussierten Laserbündel (frequenzverdoppelter Nd:YLF-Laser, Wellenlänge Lambda = 523,5 nm, Impulsdauer = 4 ps) in das Glas eingeschrieben. Der gelbe Hintergrund ist die Farbe des unbestrahlten Glases, die durch runde Silberpartikel bedingt ist.

Nur geringe Veränderungen der Bestrahlungsparameter

Für die so unterschiedlichen Farben, z.B. blau - rot - grün (obere Reihe, von links nach rechts), sind dabei nur vergleichsweise geringe Veränderungen der Bestrahlungsparameter notwendig. Lässt man den Laser längere Zeit auf die gleiche Stelle einwirken, so können Verfärbung und Dichroismus auch weitgehend wieder zum Verschwinden gebracht werden. Dies ist, wiederum in der oberen Reihe, durch einige, statistisch in die Quadrate eingestreute Punkte, demonstriert; zugleich »beweisen« diese Muster noch einmal, dass die beiden Bilder wirklich von ein und derselben Probe stammen.

Die erzeugten Farben lassen sich mit dieser Technologie im Prinzip beliebig variieren, indem man Wellenlänge, Intensität, Impulsdauer und Zahl der auf eine Stelle eingestrahlten Laserimpulse verändert. Im Bereich des sichtbaren Lichtes haben dabei Silberpartikel einen wichtigen Vorteil gegenüber den meisten anderen Metallteilchen: die Absorptionsbande liegt am kurzwelligen Ende des sichtbaren Spektralbereiches bei etwa 400 nm Wellenlänge, und kann durch sukzessive Bestrahlung (ggf. mit verschiedenen Wellenlängen) über den ganzen Bereich des sichtbaren Spektrums »geschoben« werden. Nur so ist die Farbvielfalt zu realisieren.

Für technologische Anwendungen ist es sehr vorteilhaft, dass Silber nachträglich in das Glas eingebracht werden kann, am einfachsten durch Kontakt zu einer Schmelze, die Silbernitrat enthält, und anschließendes Tempern. Danach sind Silberpartikel nur in einer dünnen Schicht von einigen Mikrometern unter der Oberfläche vorhanden, und auch alle Farbeffekte beruhen auf Änderungen in dieser dünnen Schicht. Damit ergibt sich die Möglichkeit z.B. Glasfasern nachträglich zu strukturieren. Auch Mikrostrukturierung von Wellenleitern sollte mit dieser Technik möglich sein.