Terahertz-Strahlung: Ein schlichter Draht als Wellenleiter

Endoskope im fernen Infrarotbereich einsetzen

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Inzwischen gibt es für Terahertz-Strahlung nicht nur Detektoren, sondern auch kompakte Strahlungsquellen. Bisher fehlen jedoch geeignete Wellenleiter ohne hohe Dämpfung oder erhebliche Dispersionseffekte. Die Dispersion verfälscht übertragene Signale, da sich die Frequenzanteile eines Wellenpakets mit unterschiedlicher Phasengeschwindigkeit ausbreiten. Ein schlichter Draht schafft Abhilfe.

Terahertz-Strahlung – das ist Licht im Spektralbereich des fernen Infrarots – kann keine Moleküle ionisieren, die Anwendung als bildgebendes Verfahren in der Medizin liegt also nahe. Beispielsweise lässt sich ein Konzentrationsgefälle des Wassers in organischen Stoffen nachweisen. Ein weiteres Einsatzfeld wären Sicherheitskontrollen am Flughafen.

Der Versuchsaufbau: Der als Wellenleiter dienende Draht aus rostfreiem Stahl hat einen Durchmesser von 0,9 mm, der zweite Draht senkrecht zur Zeichenebene dient als Koppler. Der im fernen Infrarot empfindliche Lichtdetektor registriert nur Strahlung einer fest eingestellten Linearpolarisation, damit er nicht auf Streustrahlung ansprechen kann. Ein Lock-in-Verstärker sorgt zusammen mit einer entsprechenden zeitlichen Modulation des einfallenden Strahls für einen hohen Signal-Rauschabstand. (Bild: Daniel M. Mittleman, Rice Universität Houston)

Terahertz-Strahlung kann viele Isolatoren – etwa Papier, Kleidung, Plastik und Keramik – durchdringen, aber weder Metalle noch flüssiges Wasser, allenfalls Stoffe mit kleinem Wasseranteil. Eine exotische Anwendung, die noch in den Kinderschuhen steckt, ist die Nachrichtenübertragung.

Bisher gab es keine brauchbaren Wellenleiter für Terahertz-Strahlung, problematisch waren sowohl eine große Dämpfung als auch Dispersionseffekte, also die Frequenzabhängigkeit des Brechungsindex. Wie amerikanische Wissenschaftler herausgefunden haben, genügt ein schlichter Draht zum Weiterleiten der Strahlung; dieser hat eine niedrige Dämpfung und – innerhalb des Messfehlers – keine Dispersion, die Messung erstreckte sich von 0 bis 1,00 THz. Die Dämpfung liegt im untersuchten Frequenzbereich zwischen 0,10 und 0,75 THz unter 0,04 reziproken Zentimetern, der Zahlenwert bezieht sich auf die Amplitude des elektrischen Feldes, nicht auf die Leistung, die der Intensität proportional ist.

Das Terahertz-Endoskop: Die rot und die blau gezeichnete Platte sind Spiegel. Das Endoskop bildet sowohl das Ende des Kolbens (oben links) als auch den seitlichen Bereich ab (unten links) (Bild: Daniel M. Mittleman, Rice Universität Houston)

Eine technische Anwendung ist ein Endoskop für den Spektralbereich des fernen Infrarots. Gekrümmte Leiter sind möglich, ja es lassen sich sogar zwei Leiter an einer Kontaktstelle koppeln. Der Arbeit der amerikanischen Forscher erschien am 18. November 2004 in der Zeitschrift Nature auf Seite 376 in Band 432.