Lichtquellen für Millimeterstrahlung entwickeln

Durchblick mit Terahertz-Strahlung – eine Momentaufnahme

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Terahertz-Strahlung mit einer Wellenlänge in der Größenordnung eines Millimeters durchdringt Papier und Kleidungsstücke, nicht jedoch Metall und Wasser. Während Kameras bereits als Muster zu haben sind, fehlt bislang eine kompakte Lichtquelle für diesen Frequenzbereich. Der Kaskaden-Laser – ein Halbleiterbauelement aus Silizium-Germanium – ist ein aussichtsreicher Kandidat, noch gibt es jedoch kein bei Raumtemperatur laufendes Bauelement. Anwendungen wären Sicherheitskontrollen am Flughafen etwa zum Aufspüren von Sprengstoffen sowie bildgebende Verfahren in der Medizin, speziell der Dermatologie.

Am 14. April 2005 berichtete die New York Times, drei kleine amerikanische Firmen wollten den Markt für Sensoren besetzen, die versteckte Waffen mittels Millimeterwellen aufspüren sollen, auch Terahertz-Strahlung genannt: Brijot Imaging, Millivision Technologies und Trex Enterprises – mit dem Pentagon und dem Justizministerium im Washington als erste Kunden für die über 50000 Dollar teuren Apparate.

Terahertz-Sensoren könnten Sicherheitsschleusen mit Röntgengeräten und Metalldetektoren an Flughäfen ergänzen, erstere registrieren nicht nur Waffen aus Metall, sondern auch Plastiksprengstoff. Der menschliche Körper sendet Terahertz-Strahlung aus, die Kleidung durchdringt und sich zum Entdecken versteckter Waffen nutzen lässt. (Bild: Fa. Thruvision)

Europäische Forscher beackern das Feld ebenso, es gibt bereits ein paar Ausgründungen aus Forschungseinrichtungen, beispielsweise die britische Firma Thruvision. Eine von dieser Firma entwickelte Terahertz-Kamera besteht im wesentlichen aus Halbleitersensoren, vergleichbar mit optischen Charge Coupled Devices für sichtbares Licht. Terahertz-Strahlung ist Bestandteil der Schwarzkörperstrahlung, die beispielsweise der menschliche Körper aussendet und das lässt sich technisch nutzen. Jeder Körper, der nicht extrem tiefgekühlt ist, emittiert Schwarzköper- und somit Terahertz-Strahlung. Für Sicherheitskontrollen an Flughäfen reicht die Intensität der vom menschlichen Körper abgestrahlten langwelligen Strahlung aus, um ein unter der Kleidung verstecktes Taschenmesser zu entdecken. Eine weitere Anwendung wäre die medizinische Bildverarbeitung in der Dermatologie, speziell die Diagnostik von Hautkrebs, da sich der Wassergehalt des untersuchten Gewebes messen lässt.

Was bislang fehlt, sind kompakte, preiswerte Strahlungsquellen für aktive Durchleuchtungsgeräte, die etwa Plastiksprengstoff oder den Sprengstoff TNT in Gepäck spezifisch nachweisen sollen. Ein erst zu entwickelnder Prototyp einer Strahlungsquelle aus Silizium ließe auf eine preisgünstige Fertigung hoffen, zumal es inzwischen gelungen ist, aus Silizium einen Raman-Laser für den in der Telekommunikation üblichen infraroten Spektralbereich zu bauen, der allerdings optisch gepumpt werden muss. Wünschenswert wäre ein elektrisch gepumpter Halbleiterlaser.

Ein mit Phosphor dotierter Siliziumkristall lässt sich mit dem Infrarotlicht eines Kohlendioxid-Gaslasers optisch pumpen und so bei einer Frequenz von 5,5 THz zum Strahlen bringen. Die Bandstruktur des so erzeugten Kristalls sorgt für die nötige Besetzungsinversion. Leider läuft diese Strahlungsquelle nur bei Temperaturen bis zu 30 Kelvin. (Bild: Heinz-Wilhelm Hübers, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt)

Terahertz-Strahlung lässt sich in Gaszellen erzeugen, die sich mittels eines im Infraroten strahlenden Kohlendioxid-Gaslaser optisch pumpen lassen. Eine solche Apparatur ist nicht nur klobig, sondern auch teuer. Ein erster Schritt ist das Ersetzen der Gaszelle durch einen dotierten Siliziumkristall.

Wie lässt sich die Sache nun elektrisch pumpen? Eine viel versprechende Option ist ein Kaskadenlaser, ein Halbleiterbauelement, in dem die Elektronen eine Folge von rund 100 Schichten durchlaufen, jeweils beim Übergang ins nächste tiefere Niveau strahlen sie Photonen ab.

Da Silizium und Germanium eine unterschiedliche Bandlücke haben, lassen sich kaskadenartige Quantentröge, auch quantum wells genannt, erzeugen, diese haben meist mehrere Energieniveaus. Die für die stimulierte Emission nötige Besetzungsinversion lässt sich durch Justieren der Energieniveaus in den quantum wells herbeiführen, genauer gesagt, muss die Lebensdauer im jeweils oberen Zustand höher sein als im unteren. Die derzeit zulässige Betriebstemperatur beträgt maximal 150 Kelvin. (Bild: Alex Borak, Paul-Scherrer-Institut, Schweiz)

"Der Kaskaden-Halbleiterlaser aus Silizium-Germanium ist der vielversprechendste Kandidat der Terahertz-Strahlungsquellen", resümiert Alex Borak, Gastwissenschaftler am Paul-Scherrer-Institut im schweizerischen Villigen, in einem am 29. April 2005 in der Zeitschrift Science erschienenen Kommentar. "Künftig sollten sich genau diese Bauelemente bei Raumtemperatur am einfachsten mittels elektrischen Pumpens zum Strahlen anregen lassen."

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