Interesse?

An die Schüler der 11. und 12. Klassen in Dresden und Umgebung:

Wer von Euch möchte uns helfen, unsere Forschungsthemen in einer allgemeinverständlichen Sprache einem breiten Publikum im Internet im Rahmen eines Praktikums oder einer Ferienarbeit vorzustellen? Voraussetzungen sind:

  • Interesse an naturwissenschaftlichen Fragestellungen

  • Grundkenntnisse im Umgang mit PCs sowie der Erstellung von Internet-Seiten

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Terahertz-Strahlung – Ersatz für Röntgenstrahlung?

In den letzten Jahren beschäftigten sich immer mehr Forschergruppen mit der THz-Strahlung und der Entwicklung einer passenden Strahlungsquelle. Dies basiert auf dem viel versprechenden Potenzial einer solchen Strahlungsquelle zum Beispiel für Forschung, Sicherheit und Medizin. Dabei ist aber zu beachten, dass diese Anwendungsmöglichkeiten noch am Anfang stehen. Einer der wichtigsten Vorteile der THz-Strahlung ist, dass sie für den Menschen unschädlich ist. Aus diesen Gründen beschäftigt sich seit einiger Zeit auch ein Forscherteam des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf mit diesem Thema, welches einen besonders effizienten THz-Emitter entwickeln konnte. Ein THz entspricht einer Billion Schwingungen in der Sekunde. Es handelt sich um für den Menschen ungefährliche Wärmestrahlung in einem Frequenzbereich von 300 Gigahertz (GHz) bis 30 THz.

Das Forschersteam arbeitet in der Halbleiterspektroskopie und kann mit Hilfe ihrer Erfindung nun Prozesse in Halbleitern noch tiefgründiger als bisher betrachtet. So kann man die Bewegungen der Elektronen nachvollziehen und beobachten.

Des Weiteren bietet sich die THz-Strahlung auch für Sicherheitskontrollen von Flugpassagieren an, wodurch Metalldetektoren ersetzt bzw. ergänzt werden könnten und somit auch andere gefährliche, nicht metallische Gegenstände sichtbar werden würden. Solche Scanner, manchmal als Nackscanner bezeichnet, kommen inzwischen auf vielen Flughäfen zum Einsatz, z.B. in Frankfurt, Hamburg, Amsterdam und auf nahezu allen US-amerikanischen Flughäfen. Die Frequenz der verwendete Strahlung liegt im unteren THz-Bereich, meist bei ca. 100 GHz. Außerdem wären Qualitätskontrollen bei Lebensmitteln durch die Verpackung möglich. So könnte die chemische Zusammensetzung und der Frischegrad jeder Zeit überprüft werden.

Wafer mit drei THz-Strahlungsquellen

Prinzip der THz-Strahlungsquelle

Die Forschung hat das Ziel eine kostengünstige Strahlungsquelle zu entwickeln, welche intensives „Licht“ in einem breiten Frequenzbereich aussendet. Der Rossendorfer THz-Emitter besteht aus dem Halbleitermaterial GaAs, welches als aktive Grundfläche dient. Darauf sind zwei Elektroden, bestehend aus Gold, angebracht, welche fingerartig ineinander greifen. Die Abstände der „Finger“ betragen jeweils etwa 5 Mikrometer und die Struktur insgesamt hat derzeit eine aktive Fläche von etwa 1 cm2. Mit Hilfe eines Lasers werden kurze Impulse auf den Emitter gesandt, dadurch werden Elektronen aus dem Halbleitermaterial herausgelöst und im elektrischen Feld zwischen den 2 Elektroden beschleunigt und senden dabei THz-Strahlung aus. Das elektrische Feld wechselt von Zwischenraum zu Zwischenraum die Richtung, so dass die durch die Laserpulse im Halbleitermaterial erzeugten Elektronen in entgegengesetzte Richtungen beschleunigt werden. Dies hat zur Folge, dass sich die ausgesandten Wellenzüge so überlagern, dass sie sich gegenseitig auslöschen. Dies bezeichnet man als destruktive Interferenz. In dem vorhandenen Fall löschen sich somit alle Wellenzüge aus und es ist keine nutzbare Strahlung mehr vorhanden. Um dieses Problem zu lösen hat die Forschergruppe um Prof. Th. Dekorsy und Dr. St. Winnerl jeden zweiten „Finger“ auf dem Halbleitermaterial nachträglich mit einer zweiten Maske (Goldschicht) zugedeckt. So wird jeder zweite Spalt inaktiv und die Interferenz der ausgesandten Strahlung ist im Ergebnis konstruktiv und es kommt nicht mehr zur Auslöschung. Aktuell arbeiten die HZDR-Forschen an Terahertz-Strahlungsquellen, die mit kompakteren und peisgünstigeren Lasern betrieben werden können. Weiterhin wurden Strukturen entwickelt, die THz-Strahlen aussenden, deren Intensitätsprofil die Form einer Donut hat. Solche Strahlen eignen sich besonders gut für Terahertz-Wellenleiter. Dabei wird die THz-Strahlung entlang eines Drahtes geführt, ähnlich wie sichtbares Licht in einer Glasfaser.

Abb. 1

Abb. 2

In Abb. 1 wird das elektromagnetische Spektrum eines Terahertz-Impulses dargestellt. Es wird deutlich, dass eine relativ große Spektralebreite vorliegt. Die Rossendorfer THz-Strahlungsquelle deckt einen Frequenzbereich von ca. 0,5 - 3 THz ab.

In Abb. 2 erkennt man einen elektromagnetischen Impuls, welcher die erzeugte THz-Strahlung kennzeichnet. Dieser kurze Impuls liegt auf einer Zeitskala von wenigen Pikosekunden.

Hier findest du weitere Erklärungen zu bestimmten Begriffen:

 
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