Terahertz-Detektion mit CCD-Sensoren

Forscher des Paul Scherrer Instituts PSI konnten mit handelsüblicher Kamera-Technologie Terahertzlicht visualisieren. Damit eröffnen sie nicht nur eine kostengünstige Alternative zu bisher üblichen Verfahren. Auch die Bildauflösung konnten sie im Vergleich um das 25-Fache verbessern. Durch seine besonderen Eigenschaften ist Terahertzlicht für viele Anwendungen von der Sicherheitstechnik bis zur medizinischen Diagnostik interessant. Auch für die Forschung ist es ein wichtiges Werkzeug. Am PSI wird es bei den Experimenten am Freie-Elektronen-Röntgenlaser SwissFEL zum Einsatz kommen. Der am PSI entwickelte Terahertzlaser ist die zurzeit intensivste Terahertzquelle der Welt.

Von der Sicherheitskontrolle bis zur Tumorerkennung: Will man versteckte Strukturen erkennen, ist Terahertzlicht eine Methode mit Potenzial. Es durchdringt Papier, Kunststoff oder Textilien ohne Mühe und macht dahinterliegende Objekte sichtbar. Und auch wenn seine Eindringtiefe in biologische Gewebe nur wenige Millimeter beträgt, gibt es eine Eigenschaft, die es auch für die medizinische Diagnostik besonders interessant macht: Im Gegensatz zur Röntgenstrahlung schädigt es das Gewebe nicht.

Der Grund für diese Sanftheit ist, dass das Terahertzlicht aus Photonen besteht, die vergleichsweise wenig Energie haben. Eine Eigenschaft, die es auch für die Forschung zu einem wichtigen Werkzeug macht. Denn mit seiner Hilfe lassen sich Prozesse anstoßen, ohne dass ihr Auslöser selbst Spuren hinterlässt. Wie zum Beispiel bei der Erforschung neuer Materialien zur magnetischen Datenspeicherung, bei denen man mit Terahertz­blitzen blitzschnell die Magnetisierung oder die optischen Eigenschaften des zu untersuchenden Materials ändern kann.

So praktisch diese Eigenschaft des Terahertzlichts ist, verursacht doch gerade seine geringe Photonenenergie auch einiges an Kopfzerbrechen. Bisher war es nur möglich, Terahertzlicht mit sogenannten Bolometern zu visualisieren. Diese Sensoren sind nicht nur teuer, sondern auch sehr empfindlich gegenüber Umgebungseinflüssen – allen voran Wärme. So kann es schon das Ergebnis verfälschen, wenn man nur zu nahe mit der Hand an den Sensor kommt. Zudem ist die erreichbare Bildauflösung vergleichsweise gering.

Auch die in der Forschung bereits vielfach verwendeten, sogenannten CCD-Sensoren, die in Smartphones oder Videokameras ebenfalls für ein gestochen scharfes Bild sorgen, ließen sich bisher für Terahertzlicht nicht einsetzen. Denn das Terahertz­licht war für die robusten CCD-Sensoren bisher zu schwach – die Sensoren haben auf das Licht einfach nicht reagiert. Dank eines am PSI entwickelten, stärkeren Terahertz­lasers konnten Forschende am PSI um Christoph Hauri nun die Sensitivitäts­schranke der CCD-Sensoren überwinden. „Im Gegensatz zu bisherigen Terahertz­laser­quellen zeichnet sich der am PSI entwickelte Terahertzlaser durch eine besonders hohe Intensität aus", erklärt Christoph Hauri.

Mit ihrem Experiment konnten die Forscher zeigen, wie sich das intensive Terahertzlicht des PSI mit einem handelsüblichen CCD-Sensor sichtbar machen lässt. Ein wichtiger technologischer Meilenstein: „Jetzt, wo das Terahertzlicht intensiv genug ist, um es mit einem normalen CCD-Sensor visualisieren zu können, bekommen wir Bilder in einer 25-mal besseren Auflösung als mit dem Bolometer", freut sich Mostafa Shalaby, der das Experiment durchgeführt hat, „denn die Pixelgrösse des CCD-Sensors ist nur etwa ein Fünftel derjenigen des Bolometers." Und nun, da der CCD-Sensor genutzt werden kann, kommt noch ein weiterer wichtiger Vorteil voll zum Tragen: Seine Empfindlichkeit gegenüber Umgebungs­einflüssen wie Wärme ist vernachlässigbar klein.

Der intensive PSI-Terahertzlaser wurde speziell für künftige Anwendungen am SwissFEL entwickelt. Der Freie-Elektronen-Laser SwissFEL wird gerade am PSI gebaut und ab Ende 2016 in Betrieb genommen. Er wird Röntgen­lichtpulse mit den Eigenschaften von Laserlicht erzeugen. Die nun mögliche Visualisierung von Terahertz­licht mit CCD-Sensoren wird eine Reihe von Vorteilen bringen. Die Terahertz­laser werden im Zusammen­spiel mit dem Röntgen­licht des SwissFEL eingesetzt werden. Will man zum Beispiel neue Materialien zur magnetischen Daten­speicherung erforschen, löst ein Terahertz­laserpuls die Änderung der Magnetisierung in einer Probe des zu untersuchenden Materials aus. Der Röntgen­laser­puls des SwissFEL durchleuchtet dann wenige Femtosekunden später die Probe. Damit kann man herausfinden, was sich in diesen Femto­sekunden in der Probe getan hat.

Für die Forscher besonders interessant ist, dass mit den CCD-Sensoren nun Terahertzlicht in seiner Experimentierumgebung sichtbar wird. „Dadurch können wir die genaue räumliche Lage des Terahertzstrahls während des Experiments erfassen", betont Hauri. Zudem ist die Bildwiederholrate des CCD-Sensors ausreichend hoch, um mit der Geschwindigkeit, in der die Experimente am SwissFEL ablaufen, mithalten zu können. Denn der SwissFEL feuert 100 Röntgenlichtpulse pro Sekunde ab.

Nachdem die Forscher nun gezeigt haben, wie die Visualisierung von Terahertzlicht mit CCD-Sensoren prinzipiell funktioniert, geht es an die Weiterentwicklung der Idee. „Es ist natürlich möglich, CCD-Sensoren für bestimmte Anwendungen in der Forschung maßzuschneidern", sagt Carlo Vicario, der das Experiment gemeinsam mit Mostafa Shalaby realisiert hat. Und auch für Anwendungen außerhalb der Forschung sehen die Forscher großes Potenzial.. Hauri: „CCD-Sensoren sind kostengünstig und robust." Für eine breite Anwendung müssten aber natürlich auch noch markt­geeignete Terahertzlaser mit ausreichender Intensität zur Verfügung stehen. „Da aber CCD-Sensoren nicht nur mehr leisten, sondern auch weniger als ein Zehntel eines Bolometers kosten, werden sie in dem schnell wachsenden Terahertz-Wissenschafts­zweig sicherlich rasch Fuß fassen", so Hauri.

PSI / DE