Forschung & Entwicklung

Formen von Terahertzstrahlen

Um Terahertzstrahlen nach Belieben zu formen, braucht man lediglich eine Kunststoffblende aus dem 3-D-Drucker.

Terahertzstrahlung (THz) ist sehr vielseitig einsetzbar: für Sicherheitskontrollen am Flughafen genauso wie für Materialanalysen im Labor. Ihre Wellenlänge liegt im Millimeterbereich und ist damit deutlich größer als die Wellenlänge von sichtbarem Licht. Daher braucht man auch spezielle Methoden, um die Strahlen zu manipulieren und in die richtige Form zu bringen. Ein Erfolg beim Formen von THz-Strahlen gelang nun an der Technischen Universität Wien: Mithilfe einer genau berechneten und am 3-D-Drucker hergestellten Kunststoffblende kann man THz-strahlen praktisch beliebig formen.

„Gewöhnliches Plastik ist für Terahertzstrahlen durchsichtig, ähnlich wie Glas für sichtbares Licht“, erklärt Professor Andrei Pimenov vom Institut für Festkörperphysik der TU Wien. „Allerdings werden die Terahertzwellen, wenn sie sich durch Kunststoff bewegen, ein bisschen abgebremst. Das bedeutet, dass die Wellenberge und Wellentäler des Strahls ein wenig verschoben werden – man nennt das eine Phasenverschiebung.“

Diese Phasenverschiebung kann man nutzen, um einen Strahl zu formen. Genau das passiert bei einer optischen Linse aus Glas, die in der Mitte dicker ist als am Rand. Die Lichtwelle wird in der Mitte stärker phasenverschoben als die Lichtwelle am Rand. Genau das führt dazu, dass sich die Form des Strahls ändert – ein breiter Lichtstrahl lässt sich auf einen einzelnen Punkt fokussieren.

Doch damit sind die Möglichkeiten noch lange nicht ausgeschöpft. Die Wissenschaftler wollten nicht bloß einen breiten Strahl auf einen Punkt abbilden. Ihr Ziel war es, einen beliebigen Strahl in eine beliebige Form bringen zu können. Das gelingt, indem man eine genau angepasste Kunststoffblende in den Strahl einbringt. Die Blende hat einen Durchmesser von wenigen Zentimetern, ihre Dicke variiert von 0 bis 4 mm. Die Dicke der Blende muss Punkt für Punkt so angepasst werden, dass unterschiedliche Bereiche des Strahls genau richtig abgelenkt werden und am Ende das gewünschte Bild ergeben. Eine spezielle Methode wurde entwickelt um das richtige Blendenmuster zu berechnen. Daraus wird dann in einem gewöhnlichen 3-D-Drucker die passende Blende hergestellt.

Das Verfahren sei erstaunlich einfach, sagt Andrei Pimenov. Man brauche nicht einmal einen 3-D-Drucker mit besonders hoher Auflösung. Es genüge, wenn die Präzision der Struktur deutlich besser sei als die Wellenlänge der verwendeten Strahlung – das sei bei Terahertzstrahlung mit 2 mm Wellenlänge kein Problem. Um die Möglichkeiten der Methode zu demonstrieren erstellte das Team unterschiedliche Blenden – unter anderem eine, die einen breiten Strahl in die Form des Logos der TU Wien bringt. „Das zeigt, dass der Technik kaum geometrische Grenzen gesetzt sind“, sagt Pimenov. Die Forscher glauben, dass sich die Technik rasch in vielen Bereichen einsetzen lässt und die derzeit aufstrebende Terahertztechnik ein Stück präziser und vielseitiger macht.

Originalveröffentlichung:

[J. Gospodaric, A. Kuzmenko, Anna Pimenov, C. Huber, D. Suess, S. Rotter, Andrei Pimenov, 3D-printed phase waveplates for THz beam shaping, Appl. Phys. Lett. 112 (2018), DOI: 10.1063/1.5027179]

von mn

www.tuwien.ac.at

© photonik.de 2019 - Alle Rechte vorbehalten