Forschung

Terahertz-Quelle mit Rekordwerten

22.01.2020 - Luftplasma gibt Terahertzstrahlung mit außerordentlicher Effizienz ab.

Terahertz-Strahlen verwendet man bei den Sicherheits­checks am Flughafen, für medizinische Untersuchungen oder auch für Qualitäts­kontrollen in der Industrie. Allerdings ist Strahlung im Terahertz-Bereich extrem schwer zu erzeugen. An der TU Wien ist es nun gelungen, eine Terahertz-Strahlungs­quelle zu entwickeln, die gleich mehrere Rekorde bricht: Sie ist extrem effizient und ihr Spektrum ist sehr breit – sie erzeugt unterschiedliche Wellenlängen aus dem gesamten Terahertz-Bereich. Dadurch ermöglicht sie auch die Herstellung kurzer Strahlungs­pulse mit sehr hoher Strahlungs­intensität. 

„Terahertz-Strahlung hat sehr nützliche Eigenschaften“, sagt Claudia Gollner vom Institut für Photonik an der TU Wien). „Sie kann viele Materialien problemlos durchdringen, ist aber im Gegensatz zur Röntgen­strahlung unbedenklich, weil es sich nicht um ionisierende Strahlung handelt.“ 

Technisch gesehen befindet sich die Terahertz-Strahlung allerdings gerade im schwer zugänglichen Niemandsland zwischen zwei wohlbekannten Gebieten: Strahlung mit höherer Frequenz kann man mit Hilfe von gewöhnlichen Festkörper-Lasern erzeugen. Strahlung mit niedriger Frequenz, wie wir sie etwa für den Mobilfunk verwenden, wird von Antennen abgestrahlt. Genau dazwischen, im Terahertz-Bereich, liegen die größten Heraus­forderungen.

In den Laserlabors muss daher einiges an Aufwand betrieben werden, um die gewünschten hochintensiven Terahertz-Strahlungspulse zu erzeugen. „Unser Ausgangspunkt ist die Strahlung eines Infrarot-Lasersystems. Es wurde bei uns am Institut für Photonik entwickelt und ist in seiner Form einzigartig auf der Welt“, sagt Claudia Gollner. Zunächst wird das Laserlicht durch ein nichtlineares Medium geschickt. In diesem Material wird die Infrarot-Strahlung verändert, ein Teil davon wird in Strahlung mit doppelt so hoher Frequenz umgewandelt. 

„Nun haben wir also zwei verschiedene Arten von Infrarot-Strahlung. Diese beiden Strahlungsanteile werden dann miteinander überlagert. So entsteht eine Welle, deren elektrisches Feld eine ganz bestimmte asymmetrische Form aufweist“, erklärt Gollner.

Diese elektromagnetische Welle ist intensiv genug, um Elektronen aus den Molekülen der Luft herauszureißen. Die Luft verwandelt sich in ein glühendes Plasma. Durch die spezielle Form der Infrarot-Welle werden die Elektronen dann so beschleunigt, dass dabei die gewünschte Terahertz-Strahlung entsteht.

„Unsere Methode ist extrem effizient: 2,3 Prozent der zugeführten Energie wird in Terahertz-Strahlung umgewandelt – das ist um Größenordnungen mehr, als man mit anderen Methoden erreicht. Das führt zu außergewöhnlich hohen Terahertz-Energien von beinahe 200 Mikrojoule“, sagt Claudia Gollner. Ein weiterer wichtiger Vorteil der neuen Methode ist, dass ein sehr breites Spektrum an Terahertz-Strahlung erzeugt wird. Ganz unterschiedliche Wellenlängen aus dem Terahertz-Bereich werden gleichzeitig emittiert. Dadurch entstehen extrem intensive kurze Strahlungspulse. Je größer das Spektrum unterschiedlicher Terahertz-Wellenlängen, umso kürzere und intensivere Pulse lassen sich generieren.

„Damit steht nun erstmals eine Terahertz-Quelle für extrem hohe Strahlungs­intensitäten zur Verfügung“, sagt Andrius Baltuska, der Leiter der Forschungsgruppe an der TU Wien. „Erste Experimente mit Zink-Tellurid-Kristallen zeigen bereits, dass sich die Terahertz-Strahlung ausgezeichnet eignet, um material­wissenschaftliche Fragen auf ganz neue Weise zu untersuchen. Wir sind überzeugt davon, dass diese Methode eine große Zukunft hat.“ 

TU Wien / DE
 

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