Gepulste Terahertz-Erzeugung in Gasen: eine langwellige Strahlung für vielversprechende Anwendungen

Erst seit kurzem ist der Terahertz Frequenzbereich elektromagnetischer Strahlung für unterschiedliche Anwendungen nutzbar, da keine effizienten Sender und Empfänger zur Verfügung standen. Eine sehr leistungsstarke Quelle nutzt ultrakurze Laserimpulse, die in ein Gas fokussiert werden, wodurch intensive gepulste Teraherzstrahlung entsteht. Wie das aber genau funktioniert, haben Physiker des Max-Born-Instituts für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI) in Kooperation mit auswärtigen Partnern erst jetzt herausgefunden. Mit diesem neuen Verständnis können die Forscher nun auch gezielt das Terahertz-Spektrum formen und Strahlen bestimmter Wellenlängen herstellen.

Strahlung tritt in sehr unterschiedlichen Wellenlängen auf - von den langwelligen Radiowellen mit Längen von mehreren Metern bis hin zu extrem kurzwelligen Gammastrahlen. Im Laufe der Geschichte haben sich die Menschen Wellen fast des gesamten Spektrums zunutze gemacht: Röntgenstrahlen, Mikrowellen oder Infrarotstrahlen sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken.

Doch mitten im Spektrum gab es eine Lücke zwischen Infrarotstrahlen und Mikrowellen, nämlich den Terahertz-Bereich mit relativ großen Wellenlängen im Bereich zwischen einem und 0,03 Millimetern. Erst seit kurzem können Forscher diese Wellen erzeugen und wegen ihrer einzigartigen Eigenschaften neue und vielfältige Anwendungsgebiete erschließen. Terahertzstrahlen durchdringen viele Materialien, weshalb sie etwa bei der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung zur Qualitätskontrolle industrieller Produkte, Pharmazeutika oder von Lebensmitteln oder bei der medizinischen Diagnostik, z. B. bei der Früherkennung von Krebs, verwendet werden können. Sie werden in der Sicherheitstechnik eingesetzt, z.B. benutzt der "Nacktscanner" an Flughäfen Terahertz-Strahlung zum Durchleuchten von Gegenständen. In der Forschung werden extrem kurze Terahertz-Impulse verwendet, um grundlegende physikalische und chemische Eigenschaften von Festkörpern und Flüssigkeiten zu untersuchen, zum Beispiel zur Untersuchung der Dynamik des Ladungstransports und des elektrischen Widerstands.

Um Terahertz-Strahlen zu erzeugen, fokussieren Wissenschaftler am Max-Born-Institut ultrakurze Impulse aus einem Festkörperlaser der Wellenlängen 400 Nanometer und 800 Nanometer in ein Gas wie z.B. Luft, das dann Terahertz-Blitze emittiert. Doch wie das genau funktioniert war lange Zeit nicht klar, und in der Literatur wurden zwei verschiedene Mechanismen kontrovers diskutiert. Dr. Joachim Herrmann vom MBI sagt: "Es gab schon vorher einige Hinweise, dass die Terahertz-Ausstrahlung mit der Ionisation des Gases zusammenhängt. Aber in welcher Weise dies genau passiert, haben wir erst jetzt verstanden." Die Physiker fanden heraus, dass bei der Ionisation an jedem Wellenberg neue Elektronen durch Ionisation freigesetzt werden. Die Dichte der freien Elektronen wächst dabei stufenförmig an, und die Ausstrahlung der Terahertz-Strahlung hängt direkt mit diesem spezifischen Verhalten zusammen. Da sich die Strahlungsbeiträge mehrerer solcher Ionisationsereignisse überlagern, ergibt sich ein Muster analog zu einem Gitter. Das Spektrum der ausgesendeten Strahlen wird daher durch die Interferenz verschiedener Beiträge einer Folge von diskreten Ionisationsereignissen bestimmt.

Diese Erklärung lieferte den Wissenschaftlern auch eine Methode, die Wellenlänge der Terahertz-Strahlen gezielt zu beeinflussen: Indem sie die Frequenzen der Laserstrahlen leicht verschieben, so dass der eine nicht mehr genau die doppelte Wellenlänge des anderen hat, können sie die Strahlen über ein breites Spektrum kontrolliert verschieben. "Das ist ein wichtiger Schritt, um neue Möglichkeiten für interessante Anwendungen zu erschließen", erläutert Joachim Herrmann.

Quelle: Forschungsverbund Berlin