Terahertz-Strahlung hat eine Wellenlänge von etwas weniger als einem Millimeter. Sie ist viel zu langwellig um von unseren Augen wahrgenommen zu werden, ist für Anwendungen bei Umweltanalysen und in der medizinischen Diagnostik aber sehr wichtig: Die meisten Moleküle absorbieren Terahertz-Strahlung bei ganz bestimmten Wellenlängen. Dadurch kann man diese Moleküle mit Hilfe von Terahertz-Strahlen rasch und zuverlässig nachweisen. Allerdings ist es technisch schwierig, geeignete Terahertz-Strahlungsquellen herzustellen.

An der TU Wien startete Juraj Darmo vom Institut für Photonik an der Fakultät für Elektrotechnik daher ein großes neues Projekt: Durch die geschickte Kombination verschiedener etablierter Techniken wurde eine neuartige und extrem flexible Terahertz-Quelle entwickelt. Die erste wissenschaftliche Publikation dazu wurde nun im Fachjournal „Optics Letters“ veröffentlicht. Damit ist der erste Schritt getan, in den nächsten Jahren soll an der TU Wien intensiv daran gearbeitet werden, die neuartige Strahlungsquelle weiter zu verbessern und praxistauglich zu machen.

Infrarot-Techniken im Terahertz-Bereich anwenden

„Im Infrarotbereich, also bei etwas höheren Frequenzen, führt man ähnliche Experimente bereits seit Jahren durch“, sagt Dominik Theiner. „Am besten gelingt das mit Strahlungsquellen, die mehrere Frequenzen gleichzeitig erzeugen, und zwar Frequenzen, die sehr regelmäßig angeordnet sind, mit jeweils gleichen Abständen dazwischen – ähnlich wie ein Kamm zwischen den einzelnen Zähnen immer gleiche Abstände hat. Man spricht daher in diesem Fall von einem Frequenzkamm.“ Verschiedene Anwendungsbereiche haben unterschiedliche Anforderungen, dementsprechend möchte man möglichst einfach justieren können, welche Frequenzen erzeugt werden, aus wie vielen Frequenzen der Kamm besteht und wie groß der Abstand zwischen zwei benachbarten Frequenzen ist.

Das gelang nun durch die Kombination zweier Technologien: Die erste ist eine spezielle Methode zur Herstellung von Frequenzkämmen im Infrarotbereich, also bei deutlich höheren Frequenzen (bzw. kürzeren Wellenlängen) als man eigentlich haben möchte. „In diesem Frequenzbereich weiß man inzwischen sehr genau, wie man mit speziellen Modulatoren sehr präzise definierte Frequenzkämme herstellen kann“, sagt Juraj Darmo.

Wie akustische Schwebung – aber mit Laserstrahlen

Das kombiniert man dann mit einer zweiten Technologie, dem sogenannten „Frequency Mixing“. „Wenn man zwei ähnliche aber leicht unterschiedliche Frequenzen miteinander mischt, dann entstehen dabei zusätzliche Frequenzen – nämlich die Summe und die Differenz zwischen den beiden ursprünglichen Frequenzen“, erklärt Dominik Theiner. „Das Phänomen kennt man auch aus der Akustik: Wenn man zwei leicht unterschiedliche Pfeiftöne überlagert, dann entsteht eine Schwebung – ein Auf- und Abschwellen des Tons, mit einer Geschwindigkeit, die sich aus der Differenz der beiden ursprünglichen Frequenzen ergibt.“

Wenn man etwa einen Lichtstrahl mit einer Frequenz von 190 Terahertz und einen mit 191 Terahertz kombiniert (beide liegen im Bereich, in dem auch das Glasfasernetz arbeitet), dann ergibt sich zusätzlich auch Strahlung mit einer Frequenz von einem Terahertz – der Differenz der beiden ursprünglichen Strahlen. „Der entscheidende Kunstgriff ist nun: Wir kombinieren einen Infrarot-Laserstrahl nicht nur mit einem anderen Infrarot-Strahl, sondern mit einem ganzen Infrarot-Frequenzkamm“, sagt Juraj Darmo. Für jede Zacke im Kamm entsteht dann eine dazugehörige Frequenz im Terahertz-Bereich. Man kann also den gesamten Frequenz-Kamm aus dem Infrarot-Bereich mit Hilfe von Frequency-Mixing in den Terahertz-Bereich kopieren.

Damit ist es jetzt möglich charakteristische Kombinationen von Terahertz-Frequenzen zu erzeugen, um gezielt Moleküle ganz eindeutig detektieren zu können. „Oder, um in der Musik-Analogie zu bleiben, jedes Molekül hört auf einen ganz spezifischen Akkord, den wir jetzt problemlos auf unserem Instrument anstimmen können“, erläutert Dominik Theiner.

Wichtiger Durchbruch – Auftakt für weitere Forschung

„Damit ist uns ein Durchbruch gelungen, der für uns eine riesengroße Bedeutung hat“, sagt Juraj Darmo. „Wir haben intensiv daran gearbeitet, und diese neue Technologie wird in den nächsten Jahren zweifellos ein großer Schwerpunkt unserer Forschungsgruppe sein.“ Einiges gilt es noch zu optimieren – so wäre es wünschenswert, die Intensität der entstehenden Terahertz-Strahlung noch weiter zu erhöhen und noch größere Flexibilität bei der Maximalzahl der unterschiedlichen Frequenzen zu erlangen. Daran wird bereits gearbeitet. Der nun publizierte „Proof of principle“ beweist, dass die Technologie funktioniert und tatsächlich die erhofften Möglichkeiten bietet.

Originalpublikation:

D. Theiner et al., Flexible terahertz opto-electronic frequency comb light source tunable over 3.5 THz, Optics Letters Vol. 46, 22, 5715 (2021). https://www.osapublishing.org/ol/fulltext.cfm?uri=ol-46-22-5715&id=464824, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster

Kontakt

Dipl.,-Ing. Dominik Theiner
Institut für Photonik
Technische Universität Wien
+43 1 58801 387 26
dominik.theiner@tuwien.ac.at

Dr. Juraj Darmo
Institut für Photonik
Technische Unviersität Wien
+43 1 58801 38735
juraj.darmo@tuwien.ac.at