Sanftes Terahertzlicht Ins rechte Licht gerückt

Redakteur: Silvano Böni

Forschende des Paul Scherrer Instituts PSI konnten mit handelsüblicher Kamera-Technologie Terahertzlicht visualisieren. Damit eröffnen sie nicht nur eine kostengünstige Alternative zum bisher üblichen Verfahren, auch die Bildauflösung konnten sie im Vergleich um das 25-Fache verbessern. Daraus ergeben sich zahlreiche neuen Anwendungen. Insbesondere in der Sicherheitstechnik oder zur medizinischen Diagnose ist Terahertzlicht dank seiner Eigenschaften interessant.

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Die PSI-Forscher Christoph Hauri, Carlo Vicario und Mostafa Shalaby (von links) im Laserlabor am Paul Scherrer Institut. Der am PSI entwickelte Terahertzlaser ist die zurzeit intensitätsstärkste Terahertzquelle der Welt.
Die PSI-Forscher Christoph Hauri, Carlo Vicario und Mostafa Shalaby (von links) im Laserlabor am Paul Scherrer Institut. Der am PSI entwickelte Terahertzlaser ist die zurzeit intensitätsstärkste Terahertzquelle der Welt.
(Bild: Paul Scherrer Institut)

Will man versteckte Strukturen erkennen, ist Terahertzlicht eine Methode mit viel 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 Teilchen (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 mit Terahertzlichtblitzen blitzschnell die Magnetisierung oder die optischen Eigenschaften des zu untersuchenden Materials geändert werden können.

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Zu sanft für starke Sensoren

So praktisch diese Eigenschaft des Terahertzlichts ist, verursacht doch gerade seine geringe Photonenenergie auch einiges an Kopfzerbrechen. Bisher war es nur möglich, Terahertzlicht mit 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 CCD-Sensoren, die in Smartphones oder Videokameras ebenfalls für ein gestochen scharfes Bild sorgen, konnten bisher für Terahertzlicht nicht eingesetzt werden. Denn das Terahertzlicht war für die robusten Sensoren bisher zu schwach – die Sensoren haben auf das Licht einfach nicht reagiert.

Mit Intensität zum scharfen Bild

Dank eines am PSI entwickelten, stärkeren Terahertzlasers konnten Forschende um Christoph Hauri nun die Sensitivitätsschranke der CCD-Sensoren überwinden. Im Gegensatz zu bisherigen Terahertzlaserquellen zeichne sich der am PSI entwickelte Terahertzlaser durch eine besonders hohe Intensität aus, erklärt Christoph Hauri.

Mit ihrem Experiment konnten die Forscher zeigen, dass das intensive Terahertzlicht des PSI mit einem handelsüblichen CCD-Sensor sichtbar gemacht werden kann. 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.

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