Voller Durchblick mit Terahertz-Strahlen

Forscher der ETH Zürich haben einen neuartigen organischen Kristall entwickelt. Mit diesem Kristall und neuen Lasern werden gepulste Terahertz-Strahlen erzeugt, die interessante Ein- und Durchblicke ermöglichen. Sie sind deshalb attraktiv für Scanner zum Durchleuchten an Flughäfen oder bei der Post. Überdies ionisieren sie nicht.

Durch unsere Augen nehmen wir unsere Umgebung wahr und können etwa zwischen durchsichtigen und undurchsichtigen Materialien unterscheiden. Was nun durchsichtig ist, hängt stark von der Wellenlänge Frequenz des Lichts ab. Dinge, die im sichtbaren Bereich undurchsichtig sind, können beispielsweise mit Röntgenstrahlen durchleuchtet werden. Das können gebrochene Gliedmassen beim Arzt oder Koffer am Sicherheitscheck in Flughäfen sein. Röntgenstrahlen haben aber den Nachteil, dass sie ionisierend und deshalb schädlich für Mensch und Umwelt sind.

So genannte Terahertz-Strahlen erlauben wie Röntgenstrahlen interessante Durchblicke durch Materialien. Sie sind aber nicht ionisierend und seien deshalb ungefährlich, so die Eidgenössische Technische Hochschule Zürich. Die meisten Verpackungsmaterialien wie Papier, Karton oder Plastik sind durchsichtig für diese Strahlen, Metalle und wasserhaltige Stoffe jedoch nicht. Der Hauptgrund, weshalb Terahertz-Kameras und -Scanner nicht schon flächendeckend eingesetzt werden, liegt in der schwierigen Detektion der Strahlen. Bislang muss sehr unspezifisch die schwache Wärmeleistung der Strahlung gemessen werden, was erst bei Temperaturen unter -200 °C möglich ist.

Forschende am Laboratorium für Nichtlineare Optik der ETH Zürich setzen auf Terahertz-Pulse. Bei diesen kann die Wellenform direkt beobachtet werden. Die Forschenden lassen einen kurzen Laserpuls durch einen so genannten elektro-optischen Kristall laufen. Der Polarisationszustand des Laserpulses wird durch die mitlaufende Terahertz-Welle modifiziert. Das lässt sich relativ einfach mit herkömmlichen Methoden bei Raumtemperatur messen.

Die ETH-Forschenden haben in den letzten Jahren an der Entwicklung eines neuartigen ionischen organischen Kristalls gearbeitet. Er habe nahezu idealen Eigenschaften für Anwendungen in der Photonik, so die ETH. Der Kristall trägt die für Unkundige kryptische Bezeichnung „4-N,N-dimethylamino-4'-N'-methylstilbazolium tosylate“, abgekürzt DAST. Aus dem Laserpuls von rund hundert Femtosekunden (10-13 Sekunden) Dauer entsteht der Terahertz-Puls in DAST durch die so genannte optische Gleichrichtung, einen nichtlinearen Prozess.

Ein weiterer Vorteil der Terahertz-Pulse folgt direkt aus der kurzen Pulsdauer. Besteht der Puls aus nur ein bis zwei Schwingungszyklen des elektrischen Lichtfelds, entspricht dies einem sehr breiten Frequenzspektrum. Es kann fünf oder mehr Oktaven umfassen. Somit lassen sich mit einzelnen Pulsen spektroskopische Messungen durchführen. Viele Materialien können also durch ihre charakteristischen Absorptionsmuster im Terahertz-Bereich wie mit einem Fingerabdruck identifiziert werden. Weil die meisten Verpackungsmaterialien für Terahertz-Strahlen durchsichtig sind, funktioniert diese Identifikation auch für Proben in Briefumschlägen oder verschweißten Plastiktüten.