Quantenoptische Messmethode Eigenschaften von Terahertz- auf sichtbare Photonen übertragen

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Fraunhofer-Forscher haben mit einer quantenoptischen Messmethode verborgene Inhaltsstoffe in Wachsplatten bestimmt. Dazu haben die Forscher die Eigenschaften von Photonen im THz-Spektralbereich auf die leichter zu detektierender sichtbarer Photonen übertragen.

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Experimenteller Aufbau: Zur quantenoptischen Schichtdickenmessung werden die Eigenschaften der Photonen im Terahertz-Spektralbereich auf sichtbare Photonen übertragen.
Experimenteller Aufbau: Zur quantenoptischen Schichtdickenmessung werden die Eigenschaften der Photonen im Terahertz-Spektralbereich auf sichtbare Photonen übertragen.
(Bild: Fraunhofer ITWM)

Sie sind beispielsweise Grundlagen für den künftigen Mobilfunk-Standard 6G oder mit ihr lassen sich Materialien wie Kunststoffe, Keramik und elektrisch nichtleitende Beschichtungen durchdringen. Die Rede ist von Terahertz-Wellen. Am Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM in Kaiserslautern beschäftigen sich die Forscher mit der Detektion der Terahertz-Wellen. Dabei nutzen sie die Eigenschaften korrelierter Photonen im noch jungen Forschungsgebiet der Quantensensorik.

Denn trotz der stetigen Weiterentwicklung der Terahertz-Technologie in den letzten Jahren ist eine Detektion in diesem Spektralbereich ohne Kühlung oder teure gepulste Laser weiterhin technisch sehr anspruchsvoll. Für den sichtbaren Spektralbereich hingegen tragen wir hochauflösende Detektoren beinahe täglich – in Form von Smartphones – in unseren Taschen mit uns herum.

Quantenoptisches Messverfahren

Abhilfe kann hier ein neues Messverfahren schaffen: Mithilfe quantenoptischer Methoden lassen sich die Eigenschaften von Photonen (Lichtteilchen) im Terahertz-Spektralbereich auf die leichter zu detektierenden sichtbaren Photonen übertragen. Das physikalische Prinzip dahinter ist, dass Paare von korrelierten Photonen unterschiedlicher Wellenlängen in einem nichtlinearen Kristall erzeugt werden – in diesem Fall eines davon im sichtbaren und eines im Terahertz-Spektralbereich.

Anschließend werden diese Photonen zunächst getrennt und dann wieder geschickt überlagert, wobei die Terahertz-Photonen ihre Eigenschaften auf die sichtbaren Photonen übertragen. Kommen die Terahertz-Photonen in der Zwischenzeit mit einer Probe in Kontakt, so geben sie die gesammelten Informationen über die Probe weiter. Diese Methode hat den Vorteil, dass bereits hochentwickelte Detektoren genutzt werden können, um die über die Terahertz-Photonen erhaltenen Informationen zu finden.

Spektroskopisch untersuchen

Die Forscher des Fraunhofer ITWM konnten die sogenannte Quanteninterferenz im Terahertz-Spektralbereich mithilfe sichtbarer Photonen bereits vor einem Jahr beobachten und damit erstmalig die Messung von Schichtdicken demonstrieren. Nun gelang es ihnen – aufbauend auf den bisherigen Erkenntnissen – die Messmethode für spektroskopische Untersuchungen zu nutzen und in Wachsplatten verborgene Inhaltsstoffe zu bestimmen.

Hierzu stellten sie unter kontrollierten Bedingungen Wachsplatten mit unterschiedlichen Konzentrationen von α-Lactose Monohydrat und Para-Aminobenzoiksäure als Zusatzstoffe her. Anschließend wurden diese in den Teil des Strahlengangs platziert, der nur von den Terahertz-Photonen durchstrahlt wird. Durch Messung der sichtbaren Photonen war es damit möglich, Art und Menge des Zusatzstoffes zu bestimmen – ohne die Terahertz-Strahlung selbst detektieren zu müssen.

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