13.07.2018

Terahertz-Strahl nach Wunsch geformt

Spezielle Kunststoff-Blenden aus dem 3D-Drucker erlauben eine präzise Strahlformung.

An der TU Wien ist es gelungen, Terahertz-Strahlen nach Belieben zu formen. Dazu braucht man nur eine simple Kunst­stoff-Blende aus dem 3D-Drucker. Terahertz-Strahlung ist sehr vielseitig einsetz­bar, sie wird heute für Sicherheits­kontrollen am Flughafen genauso verwendet wie für Material­analysen im Labor. Die Wellen­länge dieser Strahlung liegt im Milli­meter­bereich. Daher braucht man auch spezielle Methoden, um die Strahlen zu manipulieren und in die richtige Form zu bringen. Ein spektakulärer Erfolg beim Formen von Tera­hertz-Strahlen gelang nun an der TU Wien: Mit Hilfe einer genau berechneten und am 3D-Drucker hergestellten Plastik-Blende kann man Terahertz-Strahlen praktisch beliebig gestalten.

Abb.: Wenn man in den Strahl eine der beiden Blenden einbringt, entstehen die gewünschten Muster: einmal ein Kreuz, einmal das Logo der TU Wien. (Bild: TU Wien)

„Gewöhnliches Plastik ist für Terahertz-Strahlen durchsichtig, ähnlich wie Glas für sichtbares Licht“, erklärt Andrei Pimenov vom Institut für Fest­körper­physik der TU Wien. „Allerdings werden die Tera­hertz-Wellen, wenn sie sich durch Kunststoff bewegen, ein bisschen abgebremst. Das bedeutet, dass die Wellen­berge und Wellen­täler des Strahls ein wenig verschoben werden.“

Diese Phasen­verschiebung kann man nutzen, um einen Strahl zu formen. Genau das passiert bei einer optischen Linse aus Glas: Wenn die Linse in der Mitte dicker ist als am Rand, verbringt ein Licht­strahl in der Mitte mehr Zeit im Glas als ein anderer Strahl, der parallel dazu den Rand­bereich der Linse trifft. Die Licht­welle in der Mitte wird daher stärker phasen­verschoben als die Licht­welle am Rand. Genau das führt dazu, dass sich die Form des Strahls ändert – ein breiter Licht­strahl lässt sich auf einen einzelnen Punkt fokussieren.

Doch damit sind die Möglichkeiten noch lange nicht ausgeschöpft. „Wir wollten nicht bloß einen breiten Strahl auf einen Punkt abbilden. Unser Ziel war, einen beliebigen Strahl in eine beliebige Form bringen zu können“, sagt Jan Gospodaric, Dissertant im Team von Andrei Pimenov.

Das gelingt, indem man eine genau angepasste Kunststoff­blende in den Strahl einbringt. Die Blende hat einen Durchmesser von wenigen Zentimetern, ihre Dicke variiert von null bis vier Millimeter. Die Dicke der Blende muss Punkt für Punkt so angepasst werden, dass unter­schiedliche Bereiche des Strahls genau richtig abgelenkt werden und am Ende das gewünschte Bild ergeben. Eine spezielle Berechnungs­methode wurde entwickelt, um das richtige Blenden­muster zu berechnen. Daraus wird dann in einem gewöhnlichen 3D-Drucker die passende Blende hergestellt.

„Das Verfahren ist erstaunlich einfach“, sagt Andrei Pimenov. „Man braucht nicht einmal einen 3D-Drucker mit besonders hoher Auflösung. Es genügt, wenn die Präzision der Struktur deutlich besser ist als die Wellen­länge der verwendeten Strahlung – das ist bei Terahertzstrahlung mit zwei Millimetern Wellen­länge kein Problem.“

Um die Möglichkeiten der Methode zu demonstrieren, erstellte das Team unter­schiedliche Blenden – unter anderem eine, die einen breiten Strahl in die Form des Logos der TU Wien bringt. „Das zeigt, dass der Technik kaum geometrische Grenzen gesetzt sind“, sagt Andrei Pimenov. „Unsere Methode ist relativ leicht anwendbar. Wir glauben daher, dass sich die Technik rasch in vielen Bereichen einsetzen lässt und die derzeit aufstrebende Tera­hertz-Technik ein Stück präziser und vielseitiger macht.“

TU Wien / DE

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