Kein „Laserstrahl“: Laser-Phosphor-Engines für die Bühne

Scheinwerfer mit einem extrem kleinen Abstrahlwinkel und von gleichzeitig hoher Leuchtdichte können per Laserphosphor-Leuchtmittel erzeugt werden. Warum aber ist dies kein „Laserstrahl“, und welche Eigenschaften bieten diese Engines?

(Bild: STUFISH)

Lichtstrahlen, wie mit dem Lineal gezogen. Auch bei nur wenigen Partikeln in der Luft – deutlich zu sehen: Dafür benötigt man eine Lichtquelle mit kleinster Ausdehnung und höchster Leuchtdichte. Eigenschaften, die auch bei Videoprojektoren sehr gefragt sind. So verwundert es nicht, dass die Bauart eines Leuchtmittels aus Laser-Projektoren ihren Weg in einige kopfbewegte Scheinwerfer gefunden hat.

Zwar spricht man dort von „Laser-Projektoren“, jedoch strahlen diese in der Regel keine Laserstrahlung aus: Die Lichtquelle selbst ist zwar ein Laser. Dessen Licht mit seinen „Lasereigenschaften“ wird jedoch in „Licht ohne Lasereigenschaft“ umgewandelt. Es tritt also „normales“ Licht aus.

Kohärent und inkohärent

Was ist also Laserstrahlung – und was nicht? Ein Laserschutzbeauftragter, der eine Lasershow projiziert, kennt seine Show-Laser und deren Lichtstrahl-Eigenschaft: Der Laserstrahl weitet sich auch über große Entfernungen kaum auf und der Lichtstrahl ist einfarbig.

Der Laser strahlt also kohärent, „zusammenhängend“. Beim Licht unterscheiden wir zwischen räumlicher und zeitlicher Kohärenz. Zeitlich liegt sie vor, wenn die Lichtwellen alle die gleiche Wellenlänge haben. Wenn wir damit nur eine Wellenlänge haben, erzeugen sie auch nur eine Lichtfarbe. Solche monochromatischen Lichtquelle senden nur eine einzige Lichtfarbe aus. Das leistet z. B. auch eine Natrium-Niederdruckleuchte mit ihrem gelben Licht – die ist bekanntlich aber allein deshalb noch kein Laser.

Räumliche Kohärenz bedeutet, dass sich die emittierten Wellen parallel zueinander in eine Richtung bewegen. Sie ist das Gegenteil zu dem Licht einer Glühlampe oder LED, das in alle Richtungen den Raum durchdringt. Eine räumlich kohärente Strahlung liegt vor, wenn sich alle Lichtwellen parallel zueinander in nur einer Richtung ausbreiten. Und das macht ein Laser. Ein Lichtpunkt, der den Laser verlässt, ist theoretisch auch in kilometerweiter Entfernung immer noch ein Lichtpunkt von gleichem Durchmesser!

In der Praxis weitetet sich auch der Laserstrahl etwas auf (Divergenz), aber so tief wollen wir hier gar nicht einsteigen. Wichtig ist nur zu wissen: dass Laserstrahlung räumlich und zeitlich kohärent ist.

„Normale“ LED vs. Laser-LED

Warum emittiert eine LED nun inkohärentes Licht, aber eine Laser-LED kohärentes Licht? Es werden von den LEDs ja Lichtphotonen emittiert (siehe wiki.production-partner.de/licht/led-light-emitting-diode). Der Unterschied zur einfachen LED ist ein spezieller Aufbau.

In einer Laser-LED befinden sich zwei exakt gegenüberliegende Spiegel. Einer von ihnen ist halbdurchlässig. Werden von der LED (bzw. aus dem PN-Übergang der Diode) Photonen emittiert, fallen einige auch genau senkrecht auf den Spiegel und werden daher auf den gegenüberliegenden Spiegel reflektiert. Dieser reflektiert bei exakter Ausrichtung gleich wieder zurück auf den anderen Spiegel … so geht es ständig hin und her. Dabei regen diese Lichtwellen weitere Photonen an, in gleicher Richtung mitzuschwingen. Immer mehr Licht-Photonen werden so angeregt, ein sich aufschaukelndes Spiel. Damit bildet sich ein einfarbiger und in gleicher Richtung bewegender Lichtstrahl, der durch den halbdurchlässigen Spiegel als Laserstrahl austritt. So entstand auch der Begriff „Laser“: light amplification by stimulated emission of radiation, also Licht-Verstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung.

Das Laser-Phosphor-Leuchtmittel

In einer Laser-Phosphor-Lichtquelle sendet ein Laserarray blaues Licht in Richtung einer rotierenden Phosphorscheibe. Bevor das Licht die Scheibe erreicht, wird es durch ein halbdurchlässiges Glas gelenkt, das in einem Winkel von 45° angeordnet ist. Ein Teil des blauen Lichts wird dabei auf eine spezielle Reflexionsschicht umgelenkt. Das blaue Laserlicht regt die Phosphorschicht an, wodurch inkohärente Lichtfarben wie Grün, Gelb und Rot erzeugt und zurückreflektiert werden.

Das Glas lenkt dieses zurückgeworfene Licht in Richtung des Lichtausgangs des Moduls. Das verbleibende blaue Licht wird auf eine Reflexionsschicht aus Bariumsulfat gelenkt, die es zurückwirft. Das reflektierte blaue Licht wird mit dem inkohärenten Licht aus der Phosphorscheibe kombiniert und zum Lichtausgang geleitet. Aufgrund der speziellen Anordnung verlässt nur inkohärentes Licht das Modul, da das kohärente Laserlicht durch diffuse Reflexion vollständig zerstreut wird.

Wenn die Laserstrahlung das Gehäuse nicht verlässt, weiß der Laserschutzbeauftragte, dass hier eine Laserklasse 1 anzunehmen ist. Der Scheinwerfer mit dieser Engine wird jedoch wahrscheinlich eine Risikoklasse 3 aufweisen, da hier die Strahldichte sehr hoch sein wird und ein Liedschlussreflex nicht mehr ausreicht, um eine Verletzung der Netzhaut zu vermeiden. (Mehr dazu bei uns online unter www.production-partner.de, „Licht tut ja nicht weh 2.0“.)

Anwendung Laser-Phosphor: zwischen Entladungslampe und LED

Mit einer Laser-Phosphor-Lichtquelle erreicht man eine sehr kleine und intensive Punktlichtquelle. Das ist ideal für abbildende Projektionen und kleine Abstrahlwinkel der Scheinwerfer. Der Vorteil gegenüber einer Entladungslampe, die mit dem Lichtbogen ebenfalls eine sehr kleine Lichtquelle darstellt: man kann das Laserarray genauso dimmen wie eine LED.

Das Licht der Laser-Phosphor-Quelle weist einen starken, extrem schmalrandigen Peak auf und wird als sehr hell empfunden. Anhand des Spektrums ist ersichtlich, dass der Farbraum eingeschränkt ist. Auch die Farbwiedergabequalität kann nicht hoch sein. Kühlung, Lebensdauer und Ein-/Ausschaltverhalten entsprechen in etwas denen der LED.

So hat man die Vorteile einer kleinen, punktförmigen Lichtquelle mit den Vorteilen einer LED vereint und ermöglicht den Bau von Scheinwerfern, die einen Abstrahlwinkel unter 1° leisten.