Technische Universität Wien
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2012-03-13 [

Florian Aigner

 | Büro für Öffentlichkeitsarbeit ]

Mit Terahertz und Verstand

Intensive Terahertz-Strahlung ist schwierig herzustellen. An der TU Wien konnte durch verbesserte Verfahren die Intensität von Terahertz-Laserpulsen nun deutlich gesteigert werden.

Juraj Darmo (l) und Daniel Dietze (r)

Ein Kristall im Strahlgang des Versuchsaufbaus

Vom Radioempfang bis zum Röntgengerät – ständig haben wir mit elektromagnetischer Strahlung zu tun. Je nach gewünschter Wellenlänge gibt es ganz unterschiedliche Methoden diese Strahlung zu erzeugen. Eine besondere Herausforderung ist die Produktion von starker Strahlung im Terahertz-Bereich – mit einer Wellenlänge von etwas weniger als einem Millimeter. Am Institut für Photonik (Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik) der TU Wien wird daran gearbeitet, diesen wichtigen Frequenzbereich technologisch zu erschließen. Mit speziellen Verfahren konnte die Intensität der Terahertz-Strahlung nun deutlich gesteigert werden.

Die Terahertz-Lücke
Ein weites Spektrum an Wellenlängen wird heute technologisch genutzt: Kilometerlange Wellen dienen zur Nachrichtenübermittlung, die Wellenlänge von Gammastrahlung, wie sie in Kernreaktoren erzeugt wird, misst nur einige Milliardstel Millimeter. Mitten in diesem Spektrum, mit einer Wellenlänge in der Größenordnung von knapp einem Millimeter, ist die Terahertz-Strahlung angesiedelt. In der Arbeitsgruppe von Professor Karl Unterrainer wird daran intensiv geforscht.

Strahlungsquellen und Strahlungsdetektoren für den Terahertz-Bereich zu bauen, ist besonders kompliziert: Diese Frequenzen sind zu hoch, um auf elektronischem Weg durch schwingende Elektronen erzeugt zu werden, wie das etwa in herkömmlichen Sendeantennen geschieht. Für photonische Strahlungsquellen hingegen (etwa Glühlampen oder Laser, in denen Licht durch atomare Übergänge erzeugt wird) sind die Terahertz-Frequenzen sehr niedrig. Egal von welcher Seite des Spektrums man kommt: Hohe Strahl-Intensitäten im Terahertz-Bereich sind schwer zu erzielen. Man spricht daher von der „Terahertz-Lücke“, in der man kaum starke Strahlungsquellen herstellen kann – und das ist schade: Gerade dieser Wellenlängenbereich bietet nämlich viele interessante Anwendungsgebiete, zum Beispiel in der Mikroelektronik. Computer arbeiten heute im Gigahertz-Bereich – steigert man die Geschwindigkeit weiter, gelangt man zwangsläufig in den Bereich der Terahetz-Forschung.

Fokussiertes Laserlicht

Um Terahertz-Strahlung zu erzeugen, geht man zunächst von Laserpulsen im sichtbaren Frequenzbereich aus. Durch einen speziellen Kristall wird rotes Laserlicht (mit einer Wellenlänge von 780 Nanometern) teilweise in violettes Licht mit der doppelten Frequenz (und der halben Wellenlänge) umgewandelt. Beide Lichtfarben werden so stark fokussiert, dass sie die Luft in ein Plasma verwandeln. Dieser Fokus beschränkt sich aber nicht auf einen eng definierten Punkt, wie man das von Sonnenlicht und Vergrößerungsgläsern kennt: „Das Licht ist so intensiv, dass es den Brechungsindex der Luft deutlich verändert – das führt zu einer Selbstfokussierung des Lichts“, erklärt Daniel Dietze vom Institut für Photonik. Die Lichtstrahlen streben hinter dem Brennpunkt nicht wieder linear auseinander, sondern bleiben ein Stück weit zusammen. In der Luft entsteht daher nicht bloß ein einzelner Plasma-Punkt, sondern ein linienförmiges, dünnes Plasma-Filament von mehreren Zentimetern Länge.

In diesem Plasma können Photonen des sichtbaren Bereichs wechselwirken und gemeinsam Terahertz-Photonen mit niedriger Wellenlänge hervorbringen. Aus Laserpulsen im sichtbaren Bereich entstehen entlang der Plasma-Linie Terahertz-Lichtpulse. „Dass dieser Prozess nicht bloß an einem einzelnen Punkt stattfindet, sondern sich durch den Selbstfokussierungs-Effekt über mehrere Zentimeter erstreckt, ist ein großer Vorteil: Dadurch werden mehr Terahertz-Photonen generiert“, erklärt Daniel Dietze. Allerdings ist damit auch eine technische Schwierigkeit verbunden: Wenn jeder Punkt entlang der Plasma-Linie Terahertz-Strahlung aussendet, ist diese Strahlung schwer zu fokussieren und für weitere Experimente zu nutzen. Daniel Dietze, Juraj Darmo und Karl Unterrainer entwarfen daher einen speziellen Wellenleiter aus Kupfer, der das Plasma-Filament umgibt. Dadurch tritt die Terahertz-Strahlung am Ende des Wellenleiters annähernd punktförmig aus und kann daher durch ein System von Spiegeln auch wieder auf einen Punkt abgebildet werden. „Für unsere Experimente mit den Terahertz-Pulsen kann nun viermal so viel Energie genutzt werden als bisher“, freut sich Daniel Dietze.

Verschiedene Lichtgeschwindigkeiten
Gleichzeitig arbeitete das Team auch noch an einer weiteren Methode der Terahertz-Strahlungs-Erzeugung: Anstatt in Luft wurde beim zweiten Experiment die Strahlung in einem Galliumphosphid-Kristall erzeugt, durch den ein starker Laserpuls geschickt wird. Dabei kommt es auf das perfekte Timing an: Der Laserpuls kann überall entlang der Strecke, die er im Kristall zurücklegt, Terahertz-Strahlung erzeugen. Die Intensität der resultierenden Strahlung hängt nun davon ab, ob sich die Terahertz-Anteile, die an den unterschiedlichen Punkten entlang dieser Strecke entstanden sind, gegenseitig verstärken oder gegenseitig auslöschen.

„Die Geschwindigkeit, mit der sich unser sichtbarer Laserpuls durch den Kristall bewegt muss genau zur Phasen-Geschwindikeit der Terahertz-Strahlung passen“, erklärt Daniel Dietze. Man könnte vielleicht erwarten, dass Licht ohnehin immer gleich schnell ist – aber das muss nicht sein: Der Brechungsindex, der die Lichtgeschwindigkeit im Inneren von Materialien bestimmt, hängt von der Wellenlänge des Lichts ab. Kurzwelliges sichtbares Laserlicht und langwellige Terahertz-Strahlung werden vom Material auf unterschiedliche Weise beeinflusst.

„Die neue Idee an unserem Experiment ist: Wir regen durch den sichtbaren Laser gezielt Gitterschwingungen im Kristall an. Durch diese optischen Phononen ändert sich der Brechungsindex für die Terahertz-Strahlung – und dann passen die Geschwindigkeiten der Lichtpulse optimal zueinander“, erklärt Dietze. Durch diesen Trick kann man deutlich dickere Kristalle verwenden als bisher, ohne dass sich unterschiedliche Strahlungs-Anteile gegenseitig auslöschen. Dadurch wird die Gesamtintensität der Strahlung deutlich gesteigert.

Die Terahertz-Laserpulse können nun für weitere Experimente verwendet werden – etwa um die Eigenschaften von Halbleitermaterialien oder elektronischen Bauteilen genauer zu untersuchen.


Originalpublikationen:
Terahertz emission from a two-color plasma filament in a slot waveguide: http://apl.aip.org/resource/1/applab/v100/i9/p091113_s1
Dynamically phase-matched terahertz generation: http://www.opticsinfobase.org/ol/abstract.cfm?uri=ol-37-6-1047

Nähere Information:
Daniel Dietze
Institut für Photonik
Gusshausstraße 25-29, 1040 Wien
T: +43-1-58801-38736
daniel.dietze@tuwien.ac.at