Ausbeute von "Wunderwellen" gesteigert

Sie werden in Körperscannern zur Sicherheitskontrolle eingesetzt, können biologisches Gewebe durchleuchten und für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung eingesetzt werden: Terahertz-Strahlen gelten als wahre Wunderwellen. Doch bisher scheitert der breite Einsatz an einem Problem: hohe Strahl-Intensitäten sind nur schwer zu erzeugen, man spricht von einer „Terahertz-Lücke“. Wissenschaftern der Technischen Universität (TU) Wien ist es nun gelungen, gleich in zwei Verfahren die Intensität der Terahertz-Strahlung deutlich zu steigern.

Mit einer Wellenlänge von weniger als einem Millimeter ist die Terahertz-Strahlung zwischen der Infrarot- und der Mikrowellenstrahlung angesiedelt. Wie ihr Name schon sagt, schwingen Terahertz-Wellen einige Billionen (Tera) Mal pro Sekunde. Das ist zu schnell für die von Radiosendern und Mikrowellenherden verwendete Antennentechnik und zu langsam für optische Strahlungsquellen wie Laser - egal von welcher Seite des Spektrums man kommt, kompakte, kostengünstige, starke Sender für Terahertz-Wellen lassen sich nur schwer herstellen.

Eigentlich arbeiten die Wissenschafter am Institut für Photonik der TU an sogenannten Quantenkaskadenlasern. Das sind Halbleiterlaser, die Terahertz-Strahlung aussenden. „Solche Geräte gibt es schon, aber sie funktionieren nicht bei Raumtemperatur und sind entsprechend aufwendig“, erklärte Daniel Dietze. Warum die Laser erst bei tiefen Temperaturen funktionieren und welche Prozesse dabei ablaufen, untersuchen die Wissenschafter wiederum mit Terahertz-Strahlung. Sie erlaubt es ihnen, die Vorgänge im Inneren der Laser-Diode zu beobachten.

Zwei Methoden
Dafür werden Terahertz-Pulse mit zwei verschiedenen Methoden erzeugt. Bei einer davon werden zwei Laserlicht-Farben (rot und violett) so stark fokussiert, dass die Luft in ein Plasma verwandelt wird. Durch ein spezielles Verfahren kommt es dabei zu einer Selbstfokussierung des Lichts, es gibt nicht einen Brennpunkt mit einem Plasma-Punkt, sondern quasi eine Brennlinie mit einem linienförmigen dünnen Plasma-Faden.

In diesem Plasma kommt es zu Wechselwirkungen mit Photonen des sichtbaren Lichts, dadurch entstehen Terahertz-Photonen. Und zwar an jedem Punkt entlang des Plasmas, weshalb die Intensität der Terahertz-Strahlung bisher nicht sehr hoch war. Die TU-Forscher haben nun einen speziellen Wellenleiter aus Kupfer konstruiert, der den Plasma-Faden umgibt und die Terahertz-Strahlung sammelt und bündelt. Am Ende des Wellenleiters tritt die Strahlung annähernd punktförmig aus und kann so für Experimente genutzt werden. Die Puls-Energie ist dabei vier Mal so hoch wie bisher, so Dietze. Diese Arbeit wurde nun im Fachmagazin „Applied Physics Letters“ publiziert.

Bei der zweiten Methode wird die Terahertz-Strahlung in einem Galliumphosphid-Kristall erzeugt, durch den ein starker Laserpuls mit sichtbaren Licht geschickt wird. Überall entlang der Strecke, die der Laserstrahl in dem Kristall zurücklegt, entsteht Terahertz-Strahlung. Das Problem dabei ist, dass sich die Strahlen gegenseitig verstärken oder auslöschen - und zwar abhängig von der Geschwindigkeit, mit der sich der Laserpuls durch den Kristall bewegt - und diese ist wiederum vom Brechungsindex des Kristalls abhängig.

Dieser Brechungsindex kann aber verändert werden, indem der sichtbare Laser das Kristallgitter gezielt zum Schwingen anregt. So kann die Geschwindigkeit der Laserpulse optimal an jene der Terahertz-Strahlen angepasst werden. Dies erlaubt die Verwendung dickerer Kristalle, wodurch die Gesamtintensität der Strahlung deutlich gesteigert wird. Diese Arbeit haben die Wissenschafter in den „Optics Letters“ veröffentlicht. Dietze betont, dass die Verfahren primär intern für weitere Experimente verwendet werden. Gerade die Methode mit dem Galliumphosphid-Kristall könnte aber auch zur Verbesserung von kommerziellen Terahertz-Spektrometern interessant sein.