Fokussiertes Laserlicht erhellt die Terahertz-Lücke

Strahlungsquellen und -detektoren für den Terahertz-Bereich zu bauen, ist besonders kompliziert: Diese Frequenzen sind zu hoch, um auf elektronischem Weg durch schwingende Elektronen erzeugt zu werden, für photonische Strahlungsquellen hingegen sind sie zu niedrig, hohe Strahlintensitäten sind daher schwer zu erzielen. Man spricht deshalb von der „Terahertz-Lücke“. Doch gerade dieser Wellenlängenbereich bietet nämlich viele interessante Anwendungsgebiete, zum Beispiel in der Mikroelektronik. Computer arbeiten heute im Gigahertz-Bereich – steigert man die Geschwindigkeit weiter, gelangt man zwangsläufig in den Bereich der Terahertz-Forschung.

Um Terahertz-Strahlung zu erzeugen, geht man zunächst von Laserpulsen im sichtbaren Frequenzbereich aus. Durch einen speziellen Kristall wird rotes Laserlicht von 780 Nanometern teilweise in violettes Licht mit der doppelten Frequenz umgewandelt. Sind beide Lichtfarben stark genug fokussiert, verwandeln sie die Luft in ein Plasma. Der Fokus beschränkt sich dabei aber nicht auf einen eng definierten Punkt: „Das Licht ist so intensiv, dass es den Brechungsindex der Luft deutlich verändert – das führt zu einer Selbstfokussierung des Lichts“, erklärt Daniel Dietze vom Institut für Photonik. Die Lichtstrahlen streben hinter dem Brennpunkt nicht wieder linear auseinander, so entsteht nicht bloß ein einzelner Plasma-Punkt, sondern ein linienförmiges, dünnes Plasma-Filament von mehreren Zentimetern Länge.

In diesem Plasma können Photonen des sichtbaren Bereichs wechselwirken und gemeinsam Terahertz-Photonen mit niedriger Wellenlänge hervorbringen. Aus Laserpulsen im sichtbaren Bereich entstehen entlang der Plasma-Linie Terahertz-Lichtpulse. „Dass dieser Prozess nicht bloß an einem einzelnen Punkt stattfindet, sondern sich durch den Selbstfokussierungs-Effekt über mehrere Zentimeter erstreckt, ist ein großer Vorteil: Dadurch werden mehr Terahertz-Photonen generiert“, erklärt Dietze. Allerdings ist damit auch eine technische Schwierigkeit verbunden: Wenn jeder Punkt entlang der Plasma-Linie Terahertz-Strahlung aussendet, ist diese Strahlung schwer zu fokussieren und für weitere Experimente zu nutzen. Daniel Dietze, Juraj Darmo und Karl Unterrainer entwarfen daher einen speziellen Wellenleiter aus Kupfer, der das Plasma-Filament umgibt. Dadurch tritt die Terahertz-Strahlung am Ende des Wellenleiters annähernd punktförmig aus und lässt sich daher durch ein System von Spiegeln auch wieder auf einen Punkt abbilden. „Für unsere Experimente mit den Terahertz-Pulsen können wir nun viermal so viel Energie nutzen als bisher“, freut sich Dietze.

Gleichzeitig arbeitete das Team auch noch an einer weiteren Methode der Terahertz-Strahlungs-Erzeugung: Anstatt in Luft wurde beim zweiten Experiment die Strahlung in einem Galliumphosphid-Kristall erzeugt, durch den ein starker Laserpuls geschickt wird. Dabei kommt es auf das perfekte Timing an: Der Laserpuls kann überall entlang der Strecke, die er im Kristall zurücklegt, Terahertz-Strahlung erzeugen. Die Intensität der resultierenden Strahlung hängt nun davon ab, ob sich die Terahertz-Anteile, die an den unterschiedlichen Punkten entlang dieser Strecke entstanden sind, gegenseitig verstärken oder gegenseitig auslöschen.

„Die Geschwindigkeit, mit der sich unser sichtbarer Laserpuls durch den Kristall bewegt muss genau zur Phasen-Geschwindikeit der Terahertz-Strahlung passen“, erklärt Dietze. Denn der Brechungsindex hängt von der Wellenlänge des Lichts ab. „Die neue Idee an unserem Experiment ist: Wir regen durch den sichtbaren Laser gezielt Gitterschwingungen im Kristall an. Durch diese optischen Phononen ändert sich der Brechungsindex für die Terahertz-Strahlung – und dann passen die Geschwindigkeiten der Lichtpulse optimal zueinander“, erklärt Dietze. Durch diesen Trick kann er deutlich dickere Kristalle verwenden als bisher, ohne dass sich unterschiedliche Strahlungsanteile gegenseitig auslöschen. Das steigert die Gesamtintensität der Strahlung deutlich. Die Terahertz-Laserpulse können nun für weitere Experimente verwendet werden – etwa um die Eigenschaften von Halbleitermaterialien oder elektronischen Bauteilen genauer zu untersuchen.

TU Wien / OD