Terahertz-Technologie an der Schwelle von wissenschaftlichen Anwendungen zu kommerzieller Nutzung

Kurzfassung

Der Terahertz (THz)-Spektralbereich liegt im elektromagnetischen Spektrum zwischen den Millimeter-Wellen und der Infrarot-Strahlung. Typischerweise werden darunter Frequenzen von 0,3 THz, entsprechend einer Wellenlänge von 1 mm, und ca. 10 THz verstanden. Eine strenge Definition dieses Spektralbereichs existiert jedoch nicht. Andere, früher gebräuchliche Begriffe sind Submillimeter- und Ferninfrarot-Strahlung. Letzterer bezeichnet in Deutschland gemäß der DI 5031 den Wellenlängenbereich von 50 bis 1 mm. In den vergangenen Jahren haben die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten in diesem Spektralbereich rasant zugenommen und zu einer Reihe von technologischen Durchbrüchen geführt, die die Grundlage für eine breite wissenschaftliche sowie wirtschaftliche Nutzung von THz-Technologie legen. Der THz-Spektralbereich steht heute an der Schwelle von rein akademischer Forschung zu kommerziellen Anwendung. Der Grund für die wissenschaftliche wie auch die wirtschaftliche Erschließung ist die Tatsache, dass eine Vielzahl physikalischer Phänomene charakteristische Energien haben, die THz-Frequenzen entsprechen. Dazu zählen die Rotationsschwingungen einfacher Moleküle, insbesondere auch von Radikalen wie z. B. OH, die viele chemische Reaktionen treiben. Dies hat schon frühzeitig seit den 1970er Jahren dazu geführt, dass Teleskope und Observatorien für Beobachtungen im THz-Spektralbereich aufgebaut wurden. Aktuelle Beispiele sind ESAs Herschel Space Observatory, das von NASA und DLR gemeinsam entwickelte Stratosphärenobservatorium für Infarot-Astronomie SOFIA [2] und das Atacama Large Millimeter Array (ALMA). Für die Erdbeobachtung ist der THz-Bereich wichtig, da sich eine Reihe von Molekülen z. B. die sogenannten Ozon-Killer HCI oder HBr nur bei THz-Frequenzen messen lassen. Dementsprechend sind Satelliten zur Messung der Stratosphärenchemie mit THz-Spektrometern ausgestattet [4]. Aber nicht nur einfache Moleküle sondern auch komplizierter aufgebaute Biomoleküle lassen sich anhand ihrer charakteristischen Schwingungen im THz-Bereich untersuchen [5]. Bei der Erforschung von Festkörpern erlaubt THz-Strahlung neue Einblicke, da sowohl natürliche Halbleitermaterialien als auch künstlich hergestellte Halbleiter-Heterostrukturen entsprechende charakteristische Energien haben. Diese sind auf Akzeptoren, Donatoren, Phononen oder Intersubband-Übergänge zurückzuführen. Zudem haben viele Supraleiter eine Energielücke, die THz-Frequenzen entspricht. Lange Zeit war es nur schwer möglich, Strahlung aus dem Frequenzbereich zwischen 0,3 und etwa 10 THz empfindlich nachzuweisen oder hinreichend leishmgsstarke, brillante, breitbandige oder schmalbandige, aber durchstimmbare THz-Strahlung zu erzeugen. Es fehlte an geeigneten Strahlungsquellen. Man sprach daher auch von der technologischen "THz-Lücke". Um diese Lücke zu schließen, haben sich in den letzten Jahren einige vielversprechende Ansätze herausgebildet. Die Erzeugung von THz-Strahlung mit gepulsten Femtosekundenlasern oder durch Mischen der Strahlung zweier Laserdioden aus dem sichtbaren oder nah-infraroten Spektralbereich hat ganz wesentlich zur Schließung der "THz-Lücke" beigetragen. Mit Quantenkaskadenlasern steht seit wenigen Jahren eine leistungsfähige, kompakte Laserstrahlungsquelle zur Verfügung. Speicherringe wie BESSY II, ANKA oder die MLS oder Freie Elektronen Laser (FEL) wie FELBE oder FELIX erzeugen THzStrahlung unterschiedlicher Charakteristik, die für verschiedenste Experimente genutzt werden kalill. Durch extrem kurze Elektronenpakete in speziellen Betriebszuständen der Speicherringe erzeugte THz-Strahlung zeichnet sich durch ihre Breitbandigkeit aus, FEL-Strahlung vor allem durch extrem hohe Leistungen. Auch auf dem Gebiet der Detektorentwicklung hat es rasante Fortschritte gegeben. Diese wurden sehr stark durch astronomische Anwendungen, insbesondere die Satellitenobservatorien getrieben. Heute stehen großformatige Arrays mit bis zu mehreren 100 Bildpunkten zur Verfügung. Die Empfindlichkeit dieser Detektoren ist durch das Hintergrundrauschen begrenzt. Für Heterodynspektrometer gibt es Mischer mit einer Empfindlichkeit, die geringfügig über dem Quantenrauschen ist. Einschränkend muss hinzugefügt werden, dass diese Detektoren und Arrays eine aufwendige Kühlung auf wenige Kelvin oder sogar auf einige hundert mK erfordern. THz-Detektoren, die bei Raumtemperatur eine vergleichbare Empfindlichkeit haben, bzw. ungekühlte Detektorarrays mit einigen Tausend oder mehr Bildpunkten stehen nicht zur Verfügung. In dieser Hinsicht existiert die "THz-Lücke" weiterhin. Die PTB kann auf eine lange Gescruchte der THz-Forschung zurückblicken. Erste Experimente mit THz-Strahlung - auch wenn noch nicht so genannt - wurden bereits um 1900 in der Physikalisch Tedmischen Reichsanstalt (PTR) durchgeführt. Damals bestand die Notwendigkeit, die Strahlungseigenschaften der zu dieser Zeit weit verbreiteten Gasbeleuchtung und der elektrischen Beleuchtung genau zu charakterisieren. Zu diesem Zweck wurden an der PTR hochgenaue Strahlungsnormale und Detektoren entwickelt, die auch im THz-Bereich funktionierten. Heinrich Rubens, damals Professor an der Technischen Hochschule Berlin-Charlottenburg (heute: Technische Universität Berlin) entwickelte zur selben Zeit die so genannte Reststrahlenmethode, mit der es möglich war, Strahlung bis zu einer maximalen Wellenlänge von ca. 50 f-lm zu erzeugen. In Zusammenarbeit mit Friedrich Lummer von der PTR gelang es ihm, das Emissionsspektrum eines schwarzen Körpers hochpräzise bis in den THz-Bereich hinein zu vermessen. Diese Daten waren die Grundlage für Max Planck, um das nach ihm benannte Strahlungsgesetz zu formulieren. Dies war nicht nur die Geburtsstunde der Quantenphysik, sondern auch ein entscheidender Durchbruch für die Schwarzkörper-basierte Radiometrie [6]. In diesem Artikel soll ein kurzer Überblick über den Entwicklungsstand der THz-Technologie gegeben werden. Zunächst werden potenzielle Anwendungen außerhalb der Wissenschaft diskutiert. Die Realisierung solcher Anwendungen hängt entscheidend von zwei Schlüsselkomponenten ab: Strahlungsquellen und Detektoren. Der Schwerpunkt liegt auf im Dauerstrich betriebenen Komponenten. Gepulste Systeme werden nur am Rand erwähnt. Die wichtigsten Entwicklungen in diesen Bereichen werden kurz skizziert. Abschließend werden Notwendigkeiten und Herausforderungen für die Metrologie diskutiert.