Terahertz-Strahlung

8. April 2017, 21:58

Terahertz bezeichnet eine Frequenz von einer Billion Schwingungen pro Sekunde - ein Bereich, in dem viele Materialien völlig andere Eigenschaften haben. Für Terahertz-Strahlen sind Papier, Kleidung, Mauerwerk oder Kunststoffe durchsichtig, schädigen im Gegensatz zu Röntgenstrahlen aber nicht den Menschen.

Bisher wurden Terahertz-Wellen aber kaum eingesetzt, weil der Bau von Sendern und Empfängern schwierig, aufwendig und teuer ist. Das soll sich rasch ändern. Zahlreiche Forscher widmen sich verstärkt der Nutzung dieser Strahlung, die als eine der zehn neuen Technologien gilt, die unser Leben verändern werden.

Faserlaser - so dünn wie ein Haar

Lange Zeit gab es keine Möglichkeit, diese Strahlung gezielt zu erzeugen und einzusetzen. Das hat sich in den vergangenen Jahren geändert, durch die Einführung von Kurzpuls-Titan-Saphir-Lasern ist es möglich geworden, auf Umwegen Terahertzpulse zu erzeugen. Das Fraunhofer Institut für physikalische Messtechnik möchte deshalb für die industrielle Fertigung kleinere und kostengünstigere Geräte entwickeln.

Die Forscher in Kaiserslautern wollen dafür Laser verwenden, die extrem kurze Lichtblitze im Femtosekundenbereich aussenden. Am Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik in Jena wurden dafür so genannte Faserlaser entwickelt, die bis zu 30 Meter lang sind und so dünn sind wie ein menschliches Haar.

Durch die große Oberfläche bei geringem Volumen braucht der Laser kein eigenes Kühlsystem, außerdem kann die Faser auf eine Spule aufgewickelt werden, ohne die Wirkung des Lasers zu beeinträchtigen. Damit konnten die Forscher das Lasersystem von der Größe eines Tisches auf die Größe eines DIN A4-Blattes verkleinern.

Winziger Chip als Terahertz-Quelle

An den Instituten für Photonik und für Festkörperelektronik der Technischen Universität Wien haben die Forscher die Terahertztechnologie noch weiter geschrumpft.

Sie arbeiten ebenfalls mit verschiedenen Lasersystemen und untersuchen unter anderem Halbleiter-Nanostrukturen mit Terahertz-Spektroskopie. In jüngster Zeit werden gleichzeitig aber auch Quanten-Kaskaden-Laser entwickelt und eingesetzt.

Beim Quanten-Kaskaden-Laser fließt elektrischer Strom durch eine geschichtete Halbleiter-Struktur. Die Schichten sind so dünn, dass sich die Elektronen nicht mehr kontinuierlich von einer Schicht zur nächsten bewegen können. Sie können sich nur von einem Quantenniveau ins nächste hinunterstürzen.

Beim Hinunterfallen durch diese Kasakaden wird Terahertzstrahlung erzeugt. Die Struktur wird mit modernster Halbleiter-Technologie - der so genannten Molekularstrahlepitaxie erzeugt. Damit werden Kristallstrukturen, die in der Natur nicht vorkommen, durch Wachsen einzelner Atomlagen hergestellt.

Die Terahertz-Chips sind nur wenige Mikrometer groß und könnten damit problemlos in Kameras oder Messgeräte eingebaut werden.

Vielfältige Anwendungsmöglichkeiten

Das Auffinden oder der Nachweis unterschiedlichster Materialien ist eines der Haupteinsatzgebiete der Terahertzstrahlung. Da Kleidung, Papier, Kunststoffe oder Mauern für Terahertzstrahlung sozusagen durchsichtig sind, könnten damit zum Beispiel Koffer, Briefe oder Pakete durchleuchtet werden, um festzustellen, ob sich darin Sprengstoff oder biologische Waffen befinden.

Möglich wäre auch der Nachweis von Produktpiraterie bei Medikamenten. Die Strahlung macht chemische Fingerabdrücke sichtbar, die bei den komplexen chemischen Prozessen in der Medikamentenherstellung entstehen. Eine Pharmafirma könnte damit beweisen, dass ein Medikament gefälscht ist, und wäre so vor möglicher Haftung für etwaige Schäden geschützt.

Mit Terahertzstrahlung könnten auch Schadstoffe in Abgasen analysiert werden, ohne dass Russpartikel das Messergebnis verfälschen. Ein weiterer Einsatzbereich ist die Überprüfung der Verklebung von Bauteilen, was bereits beim Spaceshuttle angewendet wird, um die Haftung der Kunststoff-Fliesen an der Außenseite zu kontrollieren.

Datenübertragung mit Terahertzstrahlung

Terahertzstrahlung wäre auch für die Breitbandkommunikation attraktiv, weil damit Datenübertragungsraten von einem Terabit pro Sekunde möglich wären. Das entspricht in etwa der Datenmenge von tausend Fernsehkanälen.

Der Nachteil ist, dass Terahertzstrahlung von Wasserdampf in der Atmosphäre stark absorbiert wird und die Übertragung über weitere Strecken damit nicht möglich ist.

Überlegt wird jedoch, Terahertz für die Kommunikation zwischen Satelliten einzusetzen. Eine andere Möglichkeit ist die Datenübertragung auf im Computer, so Karl Unterrainer von der TU Wien, der sich auch mit den Möglichkeiten des Quantencomputing mit Terahertzstrahlung beschäftigt.