Forschung & Entwicklung

Terahertzquelle für extrem hohe Strahlungsintensitäten

Laser machen die Luft zum Plasma, dabei entsteht Strahlung mit vielen Einsatzmöglichkeiten. Dies ist der Weg zu einer neuen, effizienten Quelle von Terahertzstrahlung.

Terahertzstrahlung, die viele Materialien problemlos durchdringen kann, verwendet man bei den Sicherheitschecks am Flughafen, für medizinische Untersuchungen oder auch für Qualitätskontrollen in der Industrie. Allerdings ist Strahlung im Terahertzbereich extrem schwer zu erzeugen. An der TU Wien ist es nun gelungen, eine Terahertzstrahlungsquelle zu entwickeln, die gleich mehrere Rekorde bricht: Sie ist extrem effizient, ihr Spektrum ist sehr breit – sie erzeugt unterschiedliche Wellenlängen aus dem gesamten Terahertzbereich. Dadurch ermöglicht sie auch die Herstellung kurzer Strahlungspulse mit sehr hoher Strahlungsintensität.

Technisch gesehen befindet sich die Terahertzstrahlung allerdings gerade im schwer zugänglichen Niemandsland zwischen zwei wohlbekannten Gebieten: Strahlung mit höherer Frequenz kann man mithilfe von gewöhnlichen Festkörperlasern erzeugen. Strahlung mit niedriger Frequenz, wie wir sie etwa für den Mobilfunk verwenden, wird von Antennen abgestrahlt. Genau dazwischen, im Terahertzbereich, liegen die größten Herausforderungen.

In den Laserlabors der TU Wien muss daher einiges an Aufwand betrieben werden, um die gewünschten hochintensiven Terahertzstrahlungspulse zu erzeugen. Der Ausgangspunkt ist die Strahlung eines Infrarotlasersystems. Zunächst wird das Laserlicht durch ein sogenanntes nicht lineares Medium geschickt. In diesem Material wird die Infrarotstrahlung verändert, ein Teil davon wird in Strahlung mit doppelt so hoher Frequenz umgewandelt.

„Nun haben wir also zwei verschiedene Arten von Infrarotstrahlung. Diese beiden Strahlungsanteile werden dann miteinander überlagert. So entsteht eine Welle, deren elektrisches Feld eine ganz bestimmte asymmetrische Form aufweist“, erklärt Claudia Gollner vom Institut für Photonik an der TU Wien.

Diese elektromagnetische Welle ist intensiv genug, um Elektronen aus den Molekülen der Luft herauszureißen. Die Luft verwandelt sich in ein glühendes Plasma. Durch die spezielle Form der Infrarotwelle werden die Elektronen dann so beschleunigt, dass dabei die gewünschte Terahertzstrahlung entsteht. 2,3 % der zugeführten Energie wird in Terahertzstrahlung umgewandelt. Das führt zu hohen Terahertzenergien von beinahe 200 µJ. Ein weiterer wichtiger Vorteil der neuen Methode ist, dass ein sehr breites Spektrum an Terahertzstrahlung erzeugt wird. Ganz unterschiedliche Wellenlängen aus dem Terahertzbereich werden gleichzeitig emittiert. Dadurch entstehen intensive kurze Strahlungspulse. Je größer das Spektrum unterschiedlicher Terahertzwellenlängen, umso kürzere und intensivere Pulse lassen sich generieren.

„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.“

von mn

Originalveröffentlichung:

[Koulouklidis et al., Observation of extremely efficient terahertz generation from mid-infrared two-color laser filaments, Nat. Commun. 11 (2020), DOI: 10.1038/s41467-019-14206-x]

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