Die drei Marburger Forscher vor dem experimentellen Aufbau, von links, Martin Koch, Maik Scheller, Stephan Koch. (Foto T.v.d. Bovenkamp)

Marburg 13.1.2011 (wm/red) Der Einsatz sogenannter Körperscanner etwa an Flughäfen ist in der öffentlichen Meinung umstritten. Hinter den Gerätschaften verbergen sich Techniken. Diese müssen zuvor erforscht und entwickelt werden. Das geschieht auch an der Marburger Uni. So liegt jetzt ein neues Verfahren zur Durchleuchtungstechnik vor – erforscht von Marburger Physikern. Ob und wie es es zur Anwendung kommen wird, entscheiden freilich nicht die Erfinder. Drei Physiker der Philipps-Universität haben gezeigt, wie sich Terahertz-Wellen mit bisher unerreichter Leistung bei Raumtemperatur erzeugen lassen. Sie verwendeten dafür einen nichtlinearen Kristall, der Terahertz-Wellen abstrahlt, wenn er mit verschiedenfarbigem Laserlicht großer Intensität angeregt wird. Die Ergebnisse sind im Online-Fachmagazin „Optics Express“ nachzulesen.

Problemstellung hohe Leistung mit kompaktem Gerät

Terahertz (THz)-Wellen stehen in jüngster Zeit häufig im öffentlichen Interesse, etwa im Kontext von Körperscannern und dem Aufspüren von Sprengstoffen. THz-Strahlen durchdringen Kunststoffe, Verbundmaterialien und viele Lebensmittel, so dass sie Strukturen aufdecken können, die für sichtbares Licht verborgen bleiben. daher eignen sie sich hervorragend zur Überwachung industrieller Prozesse und zur Qualitätskontrolle. Der praktischen Anwendbarkeit stehen technische Probleme entgegen. Es war bisher nicht möglich, mit kompakten Geräten bei Raumtemperatur hohe Leistungen besonders im Frequenzbereich von ein bis fünf THz zu erzeugen. „Leistungsstarke THz-Quellen müssen auf Temperaturen von wenigen Kelvin abgekühlt werden“, erläutert Professor Stephan Koch von der Philipps-Universität, der die Idee für das jetzt mitgeteilte Experiment hatte.

Kristall eröffnet geeignete Frequenzführung

Schema der neuartigen THz-Quelle: Der nichtlineare Kristall befindet sich innerhalb der Laserkavität, die durch zwei Spiegel und einen VECSEL-Chip gebildet wird. Über einen Frequenz-Mischungsprozess werden aus den zwei Laserfarben THz-Wellen (grün) erzeugt und abgestrahlt. (Grafik AG Koch)

Zusammen mit seinen Marburger Kollegen Professor Martin Koch und Maik Scheller sowie mit der Arbeitsgruppe des Humboldt-Preisträgers Professor Jerome V. Moloney von der University of Arizona ist jetzt ein technischer Durchbruch gelungen. Die Forscher nutzen sogenannte Halbleiter-Scheibenlaser (englisch „vertical external cavity surface emitting laser“, kurz VECSEL), um zwei scharfe Laserlinien zu erzeugen. Innerhalb der Laserkavität, in der Intensitäten vorherrschen wie sonst nur innerhalb eines Laserstrahles mit Kilowatt-Durchschnittsleitung, platzierten sie einen nichtlinearen Kristall, der über einen Differenz-Frequenz-Erzeugungsprozess THz-Wellen emittiert.

Physiker erzeugen starke Terahertz-Wellen bei Raumtemperatur

„Die hohen Lichtintensitäten ermöglichen hierbei THz-Leistungen im Bereich mehrerer Milliwatt“, berichtet Ko-Autor Martin Koch – „bisher unerreichbare Werte für Terahertz-Emitter, die bei Raumtemperatur arbeiten!“ Durch die freie Wahl des Abstandes der beiden Laserlinien ist eine beliebige Abstimmbarkeit der THz-Frequenz möglich.

„Unsere THz-Quelle basiert auf einem ähnlichen Prinzip wie ein grüner Laserpointer“, erklärt der wissenschaftliche Mitarbeiter Maik Scheller, der die Forschungsarbeiten maßgeblich durchführte. „Indem die Frequenzmischung innerhalb der Laserkavität vonstatten geht, resultiert eine enorme Effizienz.“ Somit können auf einfache Weise THz-Wellen mit hohen Leistungen generiert werden. „Unser Ansatz arbeitet bei Raumtemperatur und bedarf keiner aufwändigen Kühlungstechnik“, ergänzt Stephan Koch.

Publiziert in einem Online-Fachmagazin

In dem publizierten Fachartikel wird gezeigt, dass die neuartige Quelle nicht nur hohe Leistungswerte aufweist, sondern auch ein ausgezeichnetes räumliches Abstrahlungsprofil. Somit eignet sich diese ideal für Anwendungen, bei denen hohe Leistungen in THz-Wellenleiter eingekoppelt  werden müssen. Auch das Feld der Radioastronomie könne von diesem Ansatz profitieren, meinen die Autoren.
Originalveröffentlichung Maik Scheller & al.: „Room temperature continuous wave milliwatt terahertz source“, Optics Express 18, 27112-27117 (2010)