Rekordverdächtige Terahertzquelle

Eine neue, extrem effiziente Quelle von Terahertzstrahlung haben Wissenschaftler jetzt an der TU Wien entwickelt: Dabei machen Laser die Luft zum Plasma, wodurch Strahlung mit vielen Einsatzmöglichkeiten entsteht.

Jeder Fluggast kennt sie heutzutage vom Sicherheits­check am Flughafen: die Terahertzstrahlen. Auch für die Qualitätskontrolle in der Industrie oder bei medizinischen Untersuchungen wird die ungefährliche Strahlung gerne eingesetzt. Ein Problem allerdings bleibt: Die Strahlung im Terahertzbereich ist extrem schwer zu erzeugen. Nun ist es an der TU Wien gelungen, eine neue Strahlungsquelle zu entwickeln, die gleich mehrere Rekorde bricht: Sie ist extrem effizient und ihr Spektrum ist sehr breit – mit den unterschiedlichen Wellenlängen deckt sie den gesamten Terahertzbereich ab. Auf diese Weise ist zudem die Herstellung kurzer Strahlungspulse mit sehr hoher Strahlungsintensität möglich. Die Wissenschaftler haben ihre neue Technologie nun im Fachjournal Nature Communications vorgestellt.

Schwierige Erzeugung der Strahlungspulse

Terahertzstrahlung habe sehr viele 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.“

Es ist ein schwer zugängliches Niemandsland zwischen zwei wohlbekannten Gebieten, in dem sich die Terahertzstrahlung technisch gesehen befindet: Strahlung mit höherer Frequenz wird üblicherweise mit gewöhnlichen Festkörperlasern erzeugt, solche mit niedriger Frequenz, wie man sie für den Mobilfunk braucht, wird von Antennen abgestrahlt. Im Terahertzbereich aber, der genau zwischen diesen beiden liegt, bestehen die größten Herausforderungen.

Einzigartiges Infrarotlasersystem

Die Forscher um Claudia Gollner müssen daher einigen Aufwand betreiben, um die gewünschten hochintensiven Terahertzstrahlungspulse zu erzeugen. „Unser Ausgangspunkt ist die Strahlung eines Infrarotlasersystems. Es wurde bei uns am Institut für Photonik entwickelt und ist in seiner Form einzigartig auf der Welt“, sagt Gollner. Die Forscher schicken das Laserlicht zunächst durch ein sogenanntes „nichtlineares Medium“. Darin wird die Infrarotstrahlung so verändert, dass ein Teil in Strahlung mit doppelt hoher Frequenz umgewandelt wird.

„Nun haben wir also zwei verschiedene Arten von Infrarotstrahlung. Diese beiden Strahlungsanteile werden dann miteinander überlagert“, erklärt Gollner.

Ein Plasma aus heißer Luft

Auf diese Weise entsteht eine völlig neue Welle, deren elektrisches Feld eine ganz bestimmte asymmetrische Form aufweist. Diese ist intensiv genug, um Elektronen aus den Molekülen der Luft herauszureißen. Dadurch verwandelt sich die Luft in ein glühendes Plasma. Die Elektronen werden dann so beschleunigt, dass dabei die gewünschte Terahertzstrahlung entsteht.

Die Methode der Wiener Forscher sei extrem effizient: 2,3 % der zugeführten Energie würde in Terahertzstrahlung umgewandelt – das sei um Größenordnungen mehr als man mit anderen Methoden erreicht. „Das führt zu außergewöhnlich hohen Terahertzenergien von beinahe 200 µJ“, sagt Claudia Gollner. Und noch einen wichtigen Vorteil hat die Methode: Es wird ein sehr breites Strahlungsspektrum mit ganz unterschiedliche Wellenlängen gleichzeitig erzeugt. Das liefert extrem intensive kurze Strahlungspulse. Je größer das Spektrum unterschiedlicher Terahertzwellenlängen, umso kürzere und intensivere Pulse lassen sich generieren.

Anwendungen vor allem bei Materialwissenschaften

„Damit steht nun erstmals eine Terahertzquelle 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 Terahertzstrahlung ausgezeichnet eignet, um materialwissenschaftliche Fragen auf ganz neue Weise zu untersuchen. Wir sind überzeugt davon, dass diese Methode eine große Zukunft hat.“