Durch unsere Augen nehmen wir unsere Umgebung wahr und können etwa zwischen durchsichtigen und undurchsichtigen Materialien unterscheiden. Was nun durchsichtig ist, hängt stark ab von der Wellenlänge bzw. der Frequenz des Lichts. Dinge, die im sichtbaren Bereichs undurchsichtig sind, können beispielsweise mit Röntgenstrahlen durchleuchtet werden, seien dies nun gebrochene Gliedmassen beim Arzt oder Koffer am Sicherheitscheck in Flughäfen. Röntgenstrahlen haben aber den Nachteil, dass sie ionisierend sind und deshalb schädlich für Mensch und Umwelt.

Grosses Potential - schwierige Detektion

So genannte Terahertz-Strahlen erlauben wie Röntgenstrahlen interessante Durchblicke durch Materialien, sind aber nicht ionisierend und deshalb ungefährlich. Die meisten Verpackungsmaterialien wie Papier, Karton oder Plastik sind durchsichtig für diese Strahlen, Metalle und wasserhaltige Stoffe jedoch nicht. Der Hauptgrund, weshalb Terahertz-Kameras und -Scanner nicht schon flächendeckend eingesetzt werden, liegt in der schwierigen Detektion der Strahlen. Bislang muss sehr unspezifisch die schwache Wärmeleistung der Strahlung gemessen werden, was erst bei Temperaturen unter -200 °C möglich ist.

Terahertz-Pulse ermöglichen einfache Detektion

Forschende am Laboratorium für Nichtlineare Optik der ETH Zürich setzen auf Terahertz-Pulse. Bei diesen kann die Wellenform der Pulse direkt beobachtet werden. Die Forschenden lassen einen kurzen Laserpuls durch einen so genannten elektro-optischen Kristall laufen. Der Polarisationszustand des Laserpulses wird durch die mitlaufende Terahertz-Welle modifiziert, was sich relativ einfach mit herkömmlichen Methoden messen lässt und zwar bei Raumtemperatur.

Grosses ETH-Know-how bei Kristallzüchtung

Die ETH-Forschenden haben in den letzten Jahren an der Entwicklung eines neuartigen ionischen organischen Kristalls mit nahezu idealen Eigenschaften für Anwendungen in der Photonik gearbeitet. Entstanden ist der Kristall DAST (4-N,N-dimethylamino-4'-N'-methylstilbazolium tosylate), welcher die ETH Zürich und deren Spin-off Rainbow Photonics herstellen. Aus dem Laserpuls von rund hundert Femtosekunden (10-13 Sekunden) Dauer entsteht der Terahertz-Puls in DAST durch die so genannte Optische Gleichrichtung, einen nichtlinearen Prozess.

Mit Absorptionsmuster Substanz identifizieren

Ein weiterer Vorteil der Terahertz-Pulse folgt direkt aus der kurzen Pulsdauer. Besteht der Puls aus nur ein bis zwei Schwingungszyklen des elektrischen Lichtfelds, entspricht dies einem sehr breiten Frequenzspektrum, das fünf oder mehr Oktaven umfassen kann. Somit lassen sich mit einzelnen Pulsen spektroskopische Messungen durchführen. Viele Materialien können so durch ihre charakteristischen Absorptionsmuster im Terahertz-Bereich wie mit einem Fingerabdruck identifiziert werden. Und weil die meisten Verpackungsmaterialien für Terahertz-Strahlen durchsichtig sind, funktioniert diese Identifikation auch für Proben in Briefumschlägen oder verschweissten Plastiktüten. Dank dem ETH-Kristall und neuen Lasern steht nun der Weiterentwicklung von Terahertz-Scannern zu kompakten Geräten, die z.B. in Flughäfen oder bei der Post eingesetzt werden können, nichts mehr im Weg.