Tera. Das kleine Wörtchen bedeutet ziemlich viel: Tera heißt eine Million mal eine Million. So oft schwingen die Lichtwellen der "Terahertzstrahlung" in einer Sekunde hin und her. Der Terahertz-Takt liegt damit genau zwischen dem von Infrarotlicht, das aus jeder Fernbedienung kommt, und der Frequenz von Mikrowellen, die jedes Handy ausstrahlt. Das Tolle an den Terawellen: Sie vereinen die Vorteile beider Strahlungsarten. So können sie – wie die Mikrowellen – Material durchdringen, sagt Stefan Hoffmann von der AG optoelektronische Bauelemente und Werkstoffe der Ruhr-Universität Bochum:
"Terahertzstrahlung kommt besonders gut durch einzelne Kunststoffe oder durch Papier oder eben auch durch Kleidung. "
Trotz dieser Mikrowelleneigenschaften kann man Terawellen optisch beeinflussen, wie sichtbares Licht, mit Linsen und Spiegeln. Insgesamt traumhafte Eigenschaften für neuartige Bildgebungsverfahren: zum Beispiel in Kameras, die Passagiere am Flughafen durchleuchten nach Waffen oder Sprengstoffen. Mediziner hingegen hoffen, mit dem Terahertzlicht Hautkrebs früher zu erkennen. Lange waren das nur Träume der Forscher. Denn bei allen Vorzügen der Terahertzstrahlung – man wusste nicht so recht, wie man sie eigentlich herstellen sollte.
"Das Problem ist, dass man gerade so einen Zwischenbereich zwischen optischen und elektrischen Frequenzen hat. Für elektrische Frequenzen ist Terahertz häufig zu schnell und für optische sozusagen zu langsam. Man muss in diesem Zwischenbereich irgendwie eine Mischform finden, wie man da jetzt vernünftig Strahlung erzeugen kann. "
Tatsächlich ist es eine "Mischform", die das Problem löst. Um Terahertzstrahlung zu erzeugen, "mischen" die Forscher nämlich etwas zusammen: Lichtfarben. Die Idee ist einfach: Man nehme zwei Laserstrahlen mit zwei verschiedenen Farben. Die Frequenz dieser Farben ist zwar viel größer als ein Terahertz. Aber: Die Frequenz der einen Farbe minus der Frequenz der anderen ergibt ziemlich genau ein Terahertz. Theoretisch kein Problem. Nur: Wie löst man diese Rechenaufgabe technisch? Bisher nur mit einem umständlichen elektronisch-optischen Bauteil: einer "Fotoantenne", die beide Lichtfarben zur Terawelle mischt. Leider sind solche Antennen mechanisch sehr empfindlich, nur für bestimmte Frequenzen zu gebrauchen und außerdem teuer. Aber die Lichtmischung geht auch viel einfacher, stellten die Bochumer Forscher jetzt fest: mit einer simplen Laserdiode, wie sie in jedem CD-Spieler steckt.
"Das ist im Prinzip eine Laserdiode, die wir von der Stange gekauft haben, und das Besondere entsteht in dem Aufbau drumherum, den wir hier aufgestellt haben. "
Dieser "Aufbau drumherum", auf den Martin Hofmann, Professor und Leiter des Bochumer Optoelektronik-Labors deutet, besteht nur aus wenigen optischen Standardbauteilen. Sie filtern aus dem Licht des reiskorngroßen Minilasers die zwei benötigten Farben, also Wellenlängen, als einzelne Strahlen heraus.
"Das Besondere an diesem Aufbau ist nun hier, dass die Differenz zwischen diesen beiden Wellenlängen – die im Terahertzbereich liegt – genau in dieser Laserdiode, in diesem kleinen Stück erzeugt wird, "
...indem die Bochumer die beiden farbigen Lichtstrahlen einfach wieder dahin zurück leiten, wo sie herkommen: in die Laserdiode. Dort mischen die Elektronen im Halbleitermaterial die Lichtfarben von selbst zur Terawelle. Das Lasermaterial arbeitet also als kleiner Frequenzrechner. Was hinten zur anderen Seite des Lasers herauskommt ist dann reines Terahertzlicht. Dessen Frequenz lässt sich sogar nach Wunsch einstellen. Die Methode hat bisher nur einen Nachteil. Das Licht ist noch viel zu schwach.
"Man muss sicher einen Faktor 1000 mehr Signal auskoppeln, um tatsächlich dann Anwendungen, wie solche Terahertzbildgebung, realisieren zu können. "
Wie sie ihren Laser stark genug machen, wissen die Forscher schon. Sie müssen nur noch ein bisschen daran tüfteln. Die Bochumer stehen dabei im Wettstreit mit vielen anderen Forschergruppen. Denn Ideen für Terahertzlampen gibt es viele, sagt Martin Hofmann.
"Aufgrund der rasch fortschreitenden Entwicklung der Quellen bin ich eigentlich überzeugt davon, dass wir so in etwa fünf Jahren die ersten Anwendungen haben, da sehe ich Terahertz-Systeme dann schon etabliert. "
"Terahertzstrahlung kommt besonders gut durch einzelne Kunststoffe oder durch Papier oder eben auch durch Kleidung. "
Trotz dieser Mikrowelleneigenschaften kann man Terawellen optisch beeinflussen, wie sichtbares Licht, mit Linsen und Spiegeln. Insgesamt traumhafte Eigenschaften für neuartige Bildgebungsverfahren: zum Beispiel in Kameras, die Passagiere am Flughafen durchleuchten nach Waffen oder Sprengstoffen. Mediziner hingegen hoffen, mit dem Terahertzlicht Hautkrebs früher zu erkennen. Lange waren das nur Träume der Forscher. Denn bei allen Vorzügen der Terahertzstrahlung – man wusste nicht so recht, wie man sie eigentlich herstellen sollte.
"Das Problem ist, dass man gerade so einen Zwischenbereich zwischen optischen und elektrischen Frequenzen hat. Für elektrische Frequenzen ist Terahertz häufig zu schnell und für optische sozusagen zu langsam. Man muss in diesem Zwischenbereich irgendwie eine Mischform finden, wie man da jetzt vernünftig Strahlung erzeugen kann. "
Tatsächlich ist es eine "Mischform", die das Problem löst. Um Terahertzstrahlung zu erzeugen, "mischen" die Forscher nämlich etwas zusammen: Lichtfarben. Die Idee ist einfach: Man nehme zwei Laserstrahlen mit zwei verschiedenen Farben. Die Frequenz dieser Farben ist zwar viel größer als ein Terahertz. Aber: Die Frequenz der einen Farbe minus der Frequenz der anderen ergibt ziemlich genau ein Terahertz. Theoretisch kein Problem. Nur: Wie löst man diese Rechenaufgabe technisch? Bisher nur mit einem umständlichen elektronisch-optischen Bauteil: einer "Fotoantenne", die beide Lichtfarben zur Terawelle mischt. Leider sind solche Antennen mechanisch sehr empfindlich, nur für bestimmte Frequenzen zu gebrauchen und außerdem teuer. Aber die Lichtmischung geht auch viel einfacher, stellten die Bochumer Forscher jetzt fest: mit einer simplen Laserdiode, wie sie in jedem CD-Spieler steckt.
"Das ist im Prinzip eine Laserdiode, die wir von der Stange gekauft haben, und das Besondere entsteht in dem Aufbau drumherum, den wir hier aufgestellt haben. "
Dieser "Aufbau drumherum", auf den Martin Hofmann, Professor und Leiter des Bochumer Optoelektronik-Labors deutet, besteht nur aus wenigen optischen Standardbauteilen. Sie filtern aus dem Licht des reiskorngroßen Minilasers die zwei benötigten Farben, also Wellenlängen, als einzelne Strahlen heraus.
"Das Besondere an diesem Aufbau ist nun hier, dass die Differenz zwischen diesen beiden Wellenlängen – die im Terahertzbereich liegt – genau in dieser Laserdiode, in diesem kleinen Stück erzeugt wird, "
...indem die Bochumer die beiden farbigen Lichtstrahlen einfach wieder dahin zurück leiten, wo sie herkommen: in die Laserdiode. Dort mischen die Elektronen im Halbleitermaterial die Lichtfarben von selbst zur Terawelle. Das Lasermaterial arbeitet also als kleiner Frequenzrechner. Was hinten zur anderen Seite des Lasers herauskommt ist dann reines Terahertzlicht. Dessen Frequenz lässt sich sogar nach Wunsch einstellen. Die Methode hat bisher nur einen Nachteil. Das Licht ist noch viel zu schwach.
"Man muss sicher einen Faktor 1000 mehr Signal auskoppeln, um tatsächlich dann Anwendungen, wie solche Terahertzbildgebung, realisieren zu können. "
Wie sie ihren Laser stark genug machen, wissen die Forscher schon. Sie müssen nur noch ein bisschen daran tüfteln. Die Bochumer stehen dabei im Wettstreit mit vielen anderen Forschergruppen. Denn Ideen für Terahertzlampen gibt es viele, sagt Martin Hofmann.
"Aufgrund der rasch fortschreitenden Entwicklung der Quellen bin ich eigentlich überzeugt davon, dass wir so in etwa fünf Jahren die ersten Anwendungen haben, da sehe ich Terahertz-Systeme dann schon etabliert. "