150 Jahre Periodensystem: Terbium schützt den Laser

Die UNESCO hat 2019 zum Internationalen Jahr des Periodensystems ernannt – und wir nehmen das zum Anlass, einige Elemente näher vorzustellen. Eins davon ist Terbium. Wofür man das braucht, erklärt Dr. Florian Baur von unserem Fachbereich Chemieingenieurwesen.

Herr Dr. Baur, wo wird Terbium typischerweise eingesetzt?

Ein klassischer Anwendungsfall sind Leuchtstoffröhren. Sie kombinieren blaues, rotes und grünes Licht – und das nimmt unser menschliches Auge als weißes Licht wahr. Terbiumverbindungen leuchten grün und sind deshalb Teil der eingesetzten Leuchtstoffpulver. Im Periodensystem hat es die Ordnungszahl 65 und zählt zu den Seltenen Erden. Dabei handelt es sich um Elemente, die in der klassischen Chemie nur eine untergeordnete Rolle spielen. Aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften wächst ihre Bedeutung aber seit Jahren. So zeigt Terbium neben der grünen Lumineszenz auch besondere magnetische Eigenschaften. Deshalb arbeite ich damit hier im Labor.

 

Worum genau geht es dabei?

Im Prinzip um Lasertechnik. Ein Laser enthält optische Bauteile wie Linsen. Diese spiegeln unweigerlich einen Teil des Lichts in den Laser zurück, und das ist gerade bei Hochleistungslasern ein großes Problem. Denn das reflektierte Licht beschädigt ihn auf lange Sicht. Notwendig ist also eine Art Filter, der das Licht nur in eine Richtung durchlässt, nämlich aus dem Laser heraus. Mit einfachem Glas zum Beispiel geht das nicht, das ist in beide Richtungen durchlässig. Metall funktioniert auch nicht, da es gar kein Licht durchlässt. Die Lösung ist daher, einen sogenannten Faraday-Rotator zu verwenden. Dadurch kann das Licht aus dem Laser heraus, aber nicht wieder hinein.

 

Wie funktioniert das?

Licht ist eine elektromagnetische Welle, es gibt also Wellenberge und -täler – eben ganz genau wie bei einer herkömmlichen Welle. Diese verlaufen beim normalen Licht vereinfacht gesagt kreuz und quer verdreht. Bei einem Laser aber liegen die Wellenberge und -täler alle in einer Ebene mit einem bestimmten Winkel, sagen wir 0 Grad. Nun platziert man im Laser einen Polarisationsfilter, ein spezieller Filter, der nur Licht mit diesem Winkel durchlässt. Dahinter befindet sich der Faraday-Rotator. Er dreht die Lichtwelle um 45 Grad. Wird dieses Licht nun reflektiert, wandert es nochmals durch den Rotator und wird wieder um 45 Grad gedreht. Der Polarisationswinkel beträgt nun 90 Grad, und das Licht kommt nicht mehr durch den Polarisationsfilter. Dadurch kann der reflektierte Strahl nicht mehr den Laser treffen.

 

Was hat das mit Terbium zu tun?

Der Faraday-Rotator besteht aus einem Einkristall, das ist vereinfacht gesagt ein perfekter Kristall wie ein Edelstein. Allerdings werden diese Kristalle industriell hergestellt. Unter anderem enthält der Kristall Terbium. Das Terbium ist aufgrund seiner besonderen magnetischen Eigenschaften wichtig, denn der Faraday-Rotator dreht das Licht nur, wenn er sich in einem Magnetfeld befindet. Dank des Terbiums muss das Magnetfeld deutlich weniger stark sein, als wenn man andere Elemente verwenden würde. Und das ist beim Einsatz des Lasers von großem Vorteil. Mein Ziel ist es unter anderem, die für die Kristalle benötigten Ausgangsstoffe in möglichst hoher und gleichbleibender Qualität herzustellen. Es ist sehr zeitintensiv, solche Einkristalle zu züchten, daher ist es wichtig, dass man schon vor Beginn der Zucht sicher stellen kann, dass die Qualität der Ausgangsstoffe ausreichend hoch ist und man nicht nach Wochen einen unbrauchbaren Kristall erhält. Daher arbeiten wir daran, durch bestimmte neu entwickelte Analysemethoden die Qualität zuverlässig bestimmen zu können.

 

Worauf kommt es dabei an?

Vor allem auf Verunreinigungen, wie zum Beispiel Eisen. Also Elemente, die eigentlich nicht im Kristall vorhanden sein sollen. Die führen sonst dazu, dass der Faraday-Rotator nicht mehr so gut funktioniert. Er würde dann zum Beispiel das Licht nicht mehr in ausreichendem Maße aus dem Laser herauslassen.

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