Was ist Lumineszenz?
Die moderne Physik weist Licht zwei Wesensarten zu: Eine Wellen- und eine Teilchennatur. Die Teilchennatur besagt, das Licht aus best. Energiepaketen, sog. Lichtquanten oder Photonen besteht. Die in diesen Photonen enthaltene Energie spiegelt sich in ihrer Wellenlänge - der räumliche Abstand zwischen Wellental und Wellenkamm - wieder. Eine kurze Wellenlänge entspricht einem hohen Energiegehalt, eine große Wellenlänge einem geringen Energiegehalt.
- Das Photon durchläuft die Materie ungehindert und in der gleichen Richtung. (Transmission, Bsp.: Licht trifft auf Glas)
- Das Photon trifft auf ein Atom und wird von diesem mit gleicher Energie in eine andere Richtung zurückgeworfen. (Reflexion, Bsp.: Licht trifft auf einen Spiegel)
- Das Photon wird von der Materie verschluckt. Die Energie des Photons geht dabei an die Materie über und führt zu einer Erhöhung des Energiegehalts. Dies kann in Form von Erwärmung und/oder elektrischer Anregung der Materie auftreten.
- Elektrischen Strom (Elektrolumineszenz) z.B. bei LED’s: Übergang vom Valenzband ins Leitungsband
- Beschuss mit Elektronen (Kathodolumineszenz) z.B. Kathodenstrahlröhre
- Licht, also Beschuss durch Photonen (Photolumineszenz)
Von Fluoreszenz spricht man, wenn die Emission von Photonen durch das angeregte Material unmittelbar bzw. innerhalb einiger Nanosekunden nach Beendigung der Anregung erlischt. Von Phosphoreszenz hingegen, wenn die Emission von Licht über den Nanosekundenbereich hinaus anhält und bis in den Millisekundenbereich oder sogar in den Sekundenbereich hineinragen kann.
Wärmezufuhr (Thermolumineszenz)
Was ist ein „Stokes-Effekt“?
Trifft elektromagnetische Strahlung (Licht von Ultraviolett bis Infrarot) auf einen Gegenstand, so wird ein Teil des Lichtes absorbiert. Ein Großteil des Lichtes, das absorbiert wird, wird dabei in Wärme umgewandelt (eine schwarze Oberfläche absorbiert z.B. mehr Licht als vergleichsweise eine weiße Oberfläche und wird deswegen bei Bestrahlung mit Licht auch entsprechend wärmer).
Das Licht wird dabei im Wesentlichen von Molekülen aufgenommen. Durch diese zusätzliche Energie werden die Moleküle zu schnellerer Bewegung angeregt, sie schwingen also schneller, was mit einer Temperaturerhöhung einhergeht.
Was ist ein „Anti-Stokes-Effekt“?
Was ist „optisches Pumpen“?
Da beim „Anti-Stokes-Effekt“ zum Heben eines Elektrons auf eine äußere Elektronenbahn mehrere Photonen notwendig sind, spricht man auch vom sogenannten Pumpenprozess.
Während des „Pumpens“ werden die Elektronen mit Hilfe der Primärphotonen jeweils von einer Zwischenbahn auf die nächste Zwischenbahn gehoben, also quasi nach oben auf eine äußere Elektronenbahn gepumpt. Je weiter außen die Elektronenbahn liegt, desto mehr potentielle Energie besitzt das darauf befindliche Elektron. Sein Energieniveau ist höher. Je größer der Unterschied zwischen zwei Energieniveaus, desto höher ist die Energie des Photons, das bei der Rückkehr des Elektrons in sein stabiles Niveau erzeugt wird.
Was sind „Metalle der Seltenen Erden“?
Metalle der Seltenen Erden sind chemische Elemente der 3. Gruppe des Periodensystems; die Lanthanoide (17 Elemente) zählen ebenfalls zu den Seltenen Erden. Unter anderem (Seltene Erden werden z.B. auch für Dauermagneten benötigt) verfügen die Metalle der Seltenen Erden auch über spezielle spektroskopische Eigenschaften. Im Gegensatz zu den Halbleitern (die Bandlücke, d.h. der energetische Abstand zwischen Valenzband und Leitungsband eines Halbleiters ist abhängig von der Temperatur, somit auch die vom Halbleiterkristall emittierte Wellenlänge) weisen die Seltenen Erden im Festkörper (Kristall) ein diskretes Energiespektrum (also definierte Energieniveaus in der Elektronenhülle) auf. Somit ist zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung eine bestimmte, vom Abstand der Energieniveaus abhängige Wellenlänge erforderlich. Die optische Energieabgabe (nach außen) erfolgt ebenfalls in diskreten, vom Kristall vorgegebenen Wellenlängen.
Y 39 | Yttrium |
(genutzt u.a. für Leuchtstoffe und LED’s) |
sowie folgende Vertreter der sogenannten Lanthanoide:
Pm 61 |
Promethium |
(verwendet für Leuchtziffern) |
Eu 63 | Europium | (findet Verwendung in LED’s und Leuchtstoffen) |
Gd 64 | Gadolinium | (verwendet für grüne Leuchtstoffe) |
TB 65 | Terbium | (verwendet für Leuchtstoffe) |
Tm 69 | Thulium | (Leuchtstoffe für Fernsehgeräte) |
Yb 70 | Ytterbium | (Leuchtstoffe für Fernsehgeräte) |
Durch gezieltes Dotieren der Seltenen Erden Kristalle können die optischen Eigenschaften entsprechend beeinflusst und gezielt verändert werden. So wird z.B. Erbium als sogenannter Aktivator benutzt. Dieser Aktivator wirkt dabei quasi als „Katalysator“.
In der Praxis tritt dabei häufig bei der Emission von Photonen der „Stokes-Effekt“ sowie der „Anti-Stokes-Effekt“ auf.
Was ist ein „UP-Converter“?
Unter „UP-Converter“ versteht man im optischen Sinne das Wandeln von Licht (von UV- bis in den IR-Bereich) einer längeren Wellenlänge (also mit energetisch niedrigeren Photonen) hin zu einer kürzeren Wellenlänge (die Photonen besitzen dann mehr Energie). Dieser Zugewinn an Energie erfolgt durch „optisches Pumpen“, d.h. um ein Sekundärphoton zu emittieren, muss der sogenannte UP-Converter mehrere Primärphotonen absorbieren und zwar so viele, bis die Energiemenge des Sekundärphotons erreicht ist (bzw. das Elektron auf die äußere Elektronenschale gehoben worden ist). Man spricht hierbei auch von dem sogenannten Anti-Stokes-Effekt.
Was ist ein „DOWN-Converter“?
Der Vorgang im DOWN-Converter ist mit dem Stokes-Effekt zu erklären.
notwendig ist, damit ein Objekt vom angeregten Zustand wieder in den Grundzustand zurückkehren kann. Ein Maß für die dafür notwendige Zeit stellt die sogenannte Zeitkonstante t dar. Die Zeitkonstante beschreibt dabei, wie lange es dauert, bis ein Vorgang – ausgehend vom angeregten Zustand – braucht, bis dieser auf ca. den Faktor 1/2.71 bzw. auf 1/e (mit e als der sogenannten Eulerzahl) angeklungen ist. Das Maß Zeitkonstante wird üblicherweise für Vorgänge verwendet, die exponentiell abklingen. Nun hat sich in der Praxis gezeigt, dass sowohl dem Stokes- als auch dem Anti-Stokes-Effekt folgende Anregungsprozesse in erster Näherung exponentiell abklingen.
Bei den Sicherheitspigmenten handelt es sich um anorganische lumineszierende (phosphoreszierende, also nachleuchtende) Pigmente, oft Seltene Erden Kristalle aber auch Zinksulfide, die entsprechend individuell dotiert über ganz spezifische optische Eigenschaften verfügen. Dieser „optische Fingerabdruck“ kann als Sicherheitsmerkmal verwendet werden.
Unter einer Korngröße in Zusammenhang mit den Seltenen Erden Kristallen versteht man die nach dem Bearbeitungsvorgang (z.B. Mahlen oder Kondensierverfahren) vorhandene Größe des Kristalls. Diese bewegt sich üblicherweise zwischen 300 nm und 20 µm im Durchmesser. Dabei ist zu beachten, dass mit abnehmender Korngröße auch die Effizienz (Wirkungsgrad) in Bezug auf den Anti-Stokes- bzw. Stokes-Effekt leidet. Üblicherweise werden in der Praxis Korngrößen von 5 µm bis 10 µm verwendet. Die Herstellung von Korngrößen kleiner 1 µm gestaltet sich zudem sehr aufwendig und ist damit entsprechend kostenintensiv. Wegen der extrem kleinen Korngröße (teilweise unter einem Mikrometer) werden die auf diese Weise aufbereiteten Seltenen Erden Kristalle auch als LNP, also als Lumineszierende Nanopartikel bezeichnet.
Was versteht man unter „Produktauthentifizierung“?
(Nachweis von Sicherheitspigmenten)
Neben den klassischen Einsatzgebieten der Seltenen Erden Kristalle in Dauermagneten, in Röntgengeräten, in Fernsehbildschirmen, aber auch in LED’s, Plasma- und LCD-Bildschirmen sowie in Leuchtstoffröhren werden eine Reihe dieser Lantanoide sowie Ytrium auch zur Produktauthentifizierung eingesetzt. Die Seltenen Erden Kristalle werden dabei je nach Bedarf entsprechend dotiert (z.B. mit dem Erbium-Aktivator), wodurch sich die optischen Eigenschaften entsprechend ändern. Die optische Antwort wird dadurch produktspezifisch und stellt dadurch in gewisser Weise einen „optischen Fingerabdruck“ dar, der sich nur schwerlich reproduzieren lässt, wenn man das „Rezept“ dazu nicht zur Verfügung hat.
Mit dem Dotieren der Seltenen Erden Kristalle kann sowohl die Anregungswellenlänge als
auch das Emissionsspektrum sowie die Zeitkonstante, also die zeitverzögerte Antwort auf einen Primärhub (optischer Anregungsimpuls) beeinflusst werden.
Mittlerweile steht eine Reihe von Nachweisgeräten zur Verfügung, die einen Nachweis der Seltenen Erden Kristalle sowohl INLINE (LUMI-INLINE Serie), OFFLINE vor Ort (LUMI-MOBILE Serie) als auch im Labor (LUMI-LAB Serie) erlauben. Die Konzentration der Seltenen Erden Kristalle in Bezug auf den Trägerstoff (Wirt) kann dabei bis in den ppm-Bereich (je nach Art der Seltenen Erden Kristalle) sinken.
Da Seltene Erden Kristalle sowohl als UP-Converter als auch als DOWN-Converter fungieren, kann das Sekundärspektrum als Nachweis dienen. Des Weiteren kann aber das zeitliche Nachklingen (Relaxation) der Sekundärstrahlung als Nachweis verwendet werden. Beide Effekte (Sekundärspektrum und Abklingverhalten) liefern in Summe einen sicheren Nachweis auch bei sehr niedriger Konzentration.
Was für Geräte stehen zum Nachweis zur Verfügung?
Beide Nachweisgeräte liegen im Bereich der Laserklasse 1, was mit Hilfe eines speziell patentierten Verfahrens erreicht wird
Nachweisgeräte für den mobilen Einsatz
Bei den LUMI-MOBILE Geräten wird das zeitliche Abklingen einer optisch angeregten Probe ausgewertet. Dabei wird entweder ein IR-Puls oder aber ein UV-Puls auf das zu prüfende Objekt gerichtet. Nach Beendigung des Anregungspulses wird die Abklingkurve aufgezeichnet und ausgewertet. Des Weiteren wird die Anfangsintensität des Abklingpulses ermittelt.
LUMI-MOBILE-LAB-UV/VIS
Parametrisieren der Zeitkonstante sowie der Intensität von bis zu 31 Produkten, diese werden in einem File im PC abgelegt und dienen den LUMI-MOBILE-QC Geräten (Quick Check) als Parameter zur Vorgabe sowie den LUMI-MOBILE-PT Geräten (Pocket Tester) zur Vorgabe eines Produktes.
Benutzeroberfläche Windows® Software LUMI-MOBILE-LAB-Scope:
LUMI-MOBILE-QC-UV/VIS
Mit diesem Gerät können bis zu 31 Produkte abgespeichert werden, die über ein File eingelesen werden können (die Produkte wurden vorher mittels des LUMI-MOBILE-LAB Gerätes ermittelt und anschließend in einem File abgespeichert).
Nach dem Erkennen eines Produktes erfolgt sowohl eine akustische Antwort als auch eine optische Darstellung auf dem Graphikdisplay. Auch hierbei wird das Abklingverhalten des Seltenen Erden Kristalls kontrolliert.
LUMI-MOBILE-PT-UV/VIS
Im Gegensatz zum LUMI-MOBILE-QC Gerät steht hier ein Parametersatz zur Verfügung.
Benutzeroberfläche Windows® Software LUMI-MOBILE-PT-Scope:
LUMI-MOBILE-DA-UV/VIS
Im Gegensatz zu den LUMI-MOBILE-QC und LUMI-MOBILE-PT Geräten wird hierbei nicht nach bestimmten, vom LUMI-MOBILE-LAB Gerät zuvor ermittelten Produkten gesucht. Vielmehr wird generell nach einer Zeitkonstante sowie nach einer Konzentration eines Seltenen Erden Kristalls gesucht und dies über den gesamten Dynamikbereich, d.h. von sehr niedriger Konzentration im ppm-Bereich bis hin zu sehr hoher Konzentration.
Windows® Software LUMI-MOBILE-DA-Scope
LUMI-MOBILE-JR-UV/VIS
Windows® Software LUMI-MOBILE-JR-Scope
LUMI-MOBILE-FIO-QC-UV/VIS
Die Lichtleiterversion LUMI-MOBILE-FIO-QC verfügt über die gleiche Software wie der LUMI-MOBILE-QC, die Hardware ist hier allerdings mit einem Lichtleiteranschluss ausgestattet.
LUMI-MOBILE-FIO-PT-UV/VIS
Auch bei der LUMI-MOBILE-PT Version gibt es eine Lichtleiterausführung LUMI-MOBILE-FIO-PT. Die Software ist identisch mit der zur LUMI-MOBILE-PT Standardversion.
LUMI-MOBILE-FIO-DA-UV/VIS
Die LUMI-MOBILE-DA Version verfügt ebenfalls über eine Lichtleitervariante LUMI-MOBILE-FIO-DA. Auch hier ist die Software identisch mit der zur Standardversion.
LUMI-MOBILE-FIO-JR-UV/VIS
Bei der LUMI-MOBILE-JR Version steht ebenfalls eine Lichtleitervariante LUMI-MOBILE-FIO-JR zur Verfügung. Auch hier gilt: Die Lichtleiterversion ist mit der gleichen Software ausgestattet wie die LUMI-MOBILE-JR Standard-version.
Nachweisgeräte INLINE in den Produktionsanlagen
LUMI-INLINE-IR/IR
LUMI-INLINE-UV/VIS
DIE LUMI-INLINE Version verfügt über zwei Analogausgänge, die über die Konzentration des Seltenen Erden Kristalls informiert. Des Weiteren über 4 Digital-ausgänge mit deren Hilfe bis zu 15 Produkte abgespeichert werden können.
LUMI-INLINE-FIO-IR/IR
LUMI-INLINE-FIO-UV/VIS
Bei der LUMI-INLINE Version steht auch ein Lichtleitertyp LUMI-INLINE-FIO zur Verfügung. Drei Lichtquellen stehen dabei zur Auswahl: Zwei Versionen im IR-Bereich, dabei eine IR-LED-Type sowie eine IR-LD-Type und eine UV-Version.
Zugehörige Software:
Windows® Software LUMI-INLINE-Scope
Nachweisgeräte für das Labor
Mit diesen LUMI-LAB Laborgeräten wird eine Darstellung des Sekundärspektrums im sichtbaren Bereich ermöglicht. Des Weiteren erfolgt beim LUMI-LAB-IRL/VISIR eine Aufzeichnung der Abklingzeiten im IR-Bereich und beim LUMI-LAB-UV/VIS eine Darstellung der Abklingkurven im sichtbaren Spektrenbereich.
LUMI-LAB-IRL/VISIR-CL1
LUMI-LAB-UV/VIS-CL1
Zugehörige Software:
Windows® Software LUMI-LAB-Scope
LUMI-LAB-8-IRL/IR-CL1
LUMI-LAB-8-IR/IR
Bei dieser Version wird sowohl das Sekundärspektrum als auch das zeitliche Abklingverhalten im IR-Bereich untersucht. Der IR-Bereich wird hierbei in 8 Teilbereiche unterteilt. Sowohl die Zeitkonstante als auch die Intensität der Sekundärstrahlung wird dabei je Teilbereich ermittelt (zum Patent angemeldetes Verfahren).
Zugehörige Software:
Windows® Software LUMI-LAB-Scope
Gemessen wird hierbei im Wellenlängenbereich von 700 nm bis 1100 nm mit 8 Detektoren. Jeder Detektor kontrolliert dabei ein Messfenster von 50 nm. Ermittelt wird die Anfangsintensität C1 sowie die Zeitkonstante t des jeweiligen Abklingpulses.
LUMI-LAB-16-IRL/VISIR-CL1
LUMI-LAB-16-IR/VISIR
LUMI-LAB-16-UV/VISIR
Bei diesen LUMI-LAB Typen wird neben dem IR-Spektrum auch das sichtbare Spektrum ausgewertet. Insgesamt stehen dazu unter anderem14 Detektoren zur Verfügung, mit denen ein Wellenlängenbereich von 400 nm bis ca. 1100 nm abgedeckt werden kann.
Zugehörige Software:
Windows® Software LUMI-LAB-Scope
Ausgewertet werden dabei sowohl die Intensität als auch die Zeitkonstante im jeweiligen
Wellenlängenbereich.