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Quellen künstlicher optischer Strahlung

Technologische Aspekte von bestimmten optischen Strahlungsquellen

Mit fortschreitender technologischer Entwicklung nimmt die Vielfalt der optischen Strahlungsquellen zu. Sie reicht von Glüh- und Gasentladungslampen über (organische) LEDs bis hin zu Laserstrahlung.

Die folgenden vier Beispiele vermitteln einen Eindruck über die prinzipiellen Funktionsmechanismen von optischen Strahlungsquellen. Sie stellen jedoch keinen kompletten Überblick dar.

Glühlampen

Wird durch eine metallische Wendel (z. B. aus Wolfram) ein genügend hoher elektrischer Strom geschickt, beginnt sie zu glühen. Die dabei emittierte sichtbare und infrarote Strahlung hat ihren Ursprung in der Relaxation thermisch angeregter Elektronen. Da sich die Glühwendel aber größtenteils nur erwärmt, ist der Wirkungsgrad einer Glühlampe relativ gering. Daher wird sie vermehrt von neuen Technologien verdrängt, zum Beispiel von der Licht emittierenden Diode.

Gasentladungslampen

In einer mit Gas oder einem Gasgemisch gefüllten Glasröhre befinden sich zwei Elektroden, an denen eine Spannung angelegt wird. Bewegen sich die Elektronen aufgrund der Potentialdifferenz von der Kathode zur Anode, wird durch Stoßionisation ein Teil der kinetischen Elektronenenergie an die Gasatome abgegeben.

UV-Gasentladungslampe © Fotoagentur FOX

Bei diesem Vorgang entsteht ein (Teil-) Plasma. Diese Anregung mit anschließender Rückkehr in den Grundzustand ist mit der Emission optischer Strahlung verbunden. Füllgas und Fülldruck sind von grundlegender Bedeutung für die Strahlungsemission und definieren z. B. Wellenlänge und Intensität. Glimmlampen, Xenon-Gasentladungslampen oder Leuchtstoffröhren basieren auf diesem Funktionsprinzip. Aber auch der Schweißlichtbogen gehört zur Klasse der Gasentladungsstrahlungsquellen.

Licht emittierende Dioden (LED)

Die Strahlungsemission einer LED basiert auf der elektrischen Rekombination in dotierten Halbleiterschichten. Durch gezieltes Einbringen (Dotieren) von Fremdatomen in Halbleitermaterialien kann ein positiver bzw. ein negativer Ladungsüberschuss (p- bzw. n-Halbleiter) erzeugt werden.

Schematischer Aufbau einer LED Schematischer Aufbau einer LED, © BAuA

Durch Anlegen einer Spannung kommt es in der pn-Übergangsschicht zu einer Rekombination von positiven und negativen Ladungsträgern. Dabei wird die freiwerdende Energie in Form von Strahlung abgegeben. Hierbei sind Wellenlängen vom ultravioletten und sichtbaren bis hin zum infraroten Spektralbereich möglich. Für weiterführende Information empfehlen wir den BAuA-Forschungsbericht "Photobiologische Sicherheit von Licht emittierenden Dioden (LED)".

Laser

Bei einem Laser (engl.: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) wird ein sogenanntes aktives Medium durch externe Energiezufuhr in einen angeregten Zustand versetzt. Als aktives Medium dienen sowohl Gase und Flüssigkeiten als auch Festkörper. Die Anregungsenergie (Pumpenergie) wird z. B. in Form von Elektrizität oder Strahlungsenergie bereitgestellt.

Funktionsprinzip eines Lasers Funktionsprinzip eines Lasers, © BAuA

Durch Rückkehr vom angeregten in den Grundzustand wird die zuvor von außen zugeführte Energie als Strahlung abgegeben, wobei diese Photonen ihrerseits weitere Strahlungsteilchen gleicher Frequenz und Phase "erzeugen" können . Dieser Prozess der stimulierten Emission findet bei einem Laser typischerweise in einem optischen Resonator statt, wodurch die Intensität der Strahlung verstärkt wird. Weitere Informationen sind z. B. in der TROS Laserstrahlung zu finden.