Terahertz-Technologie: der perfekte Strahl mit Hilfe eines 3D-Druckers

| Redakteur: Julia Schmidt

Mit Hilfe von Kunststoffblenden aus dem 3D-Drucker haben Forscher der TU Wien einen Terahertz-Strahl gezielt in Muster lenken können: einmal ein Kreuz, einmal das Logo der TU Wien.
Mit Hilfe von Kunststoffblenden aus dem 3D-Drucker haben Forscher der TU Wien einen Terahertz-Strahl gezielt in Muster lenken können: einmal ein Kreuz, einmal das Logo der TU Wien. (Bild: TU Wien)

An der TU Wien ist es gelungen, Terahertz-Strahlen nach Belieben zu formen. Dazu nutzten die Forscher eine Kunststoff-Blende, die sie mit einem 3D-Drucker ausgedruckt haben.

Terahertz-Strahlung ist vielseitig einsetzbar, unter anderem für Sicherheitskontrollen am Flughafen aber auch für Materialanalysen im Labor. Da die Wellenlänge der Strahlung im Millimeterbereich liegt, sie ist damit deutlich größer als die Wellenlänge von sichtbarem Licht, braucht man auch spezielle Methoden, um die Strahlen zu manipulieren und in die richtige Form zu bringen.

Ein spektakulärer Erfolg beim Formen von Terahertz-Strahlen gelang nun an der TU Wien: Mit Hilfe einer genau berechneten und am 3D-Drucker hergestellten Plastik-Blende kann man Terahertz-Strahlen praktisch beliebig formen.

Terahertz-Wellen werden durch den Kunststoff abgebremst

„Gewöhnliches Plastik ist für Terahertz-Strahlen durchsichtig, ähnlich wie Glas für sichtbares Licht“, erklärt Prof. Andrei Pimenov vom Institut für Festkörperphysik der TU Wien. „Allerdings werden die Terahertz-Wellen, wenn sie sich durch Kunststoff bewegen, ein bisschen abgebremst. Das bedeutet, dass die Wellenberge und Wellentäler des Strahls ein wenig verschoben werden – man nennt das eine Phasenverschiebung.“

Diese Phasenverschiebung kann man nutzen, um einen Strahl zu formen. Genau das passiert – in sehr einfacher Form – bei einer optischen Linse aus Glas: Wenn die Linse in der Mitte dicker ist als am Rand, verbringt ein Lichtstrahl in der Mitte mehr Zeit im Glas als ein anderer Strahl, der parallel dazu den Randbereich der Linse trifft. Die Lichtwelle in der Mitte wird daher stärker phasenverschoben als die Lichtwelle am Rand. Genau das führt dazu, dass sich die Form des Strahls ändert – ein breiter Lichtstrahl lässt sich auf einen einzelnen Punkt fokussieren.

Doch damit sind die Möglichkeiten noch lange nicht ausgeschöpft. „Wir wollten nicht bloß einen breiten Strahl auf einen Punkt abbilden. Unser Ziel war, einen beliebigen Strahl in eine beliebige Form bringen zu können“, sagt Jan Gospodaric, Dissertant im Team von Andrei Pimenov.

Verschiedene Bereiche des Terahertz-Strahls werden gezielt abgelenkt

Das gelingt, indem man eine genau angepasste Kunststoffblende in den Strahl einbringt. Die Blende hat einen Durchmesser von wenigen Zentimetern, ihre Dicke variiert von 0 bis 4 mm. Die Dicke der Blende muss Punkt für Punkt so angepasst werden, dass unterschiedliche Bereiche des Strahls genau richtig abgelenkt werden und am Ende das gewünschte Bild ergeben. Eine spezielle Berechnungsmethode wurde entwickelt um das richtige Blendenmuster zu berechnen. Daraus wird dann in einem gewöhnlichen 3D-Drucker die passende Blende hergestellt.

„Das Verfahren ist erstaunlich einfach“, sagt Andrei Pimenov. „Man braucht nicht einmal einen 3D-Drucker mit besonders hoher Auflösung. Es genügt, wenn die Präzision der Struktur deutlich besser ist als die Wellenlänge der verwendeten Strahlung – das ist bei Terahertzstrahlung mit 2 mm Wellenlänge kein Problem.“

Um die Möglichkeiten der Methode zu demonstrieren erstellte das Team unterschiedliche Blenden – unter anderem eine, die einen breiten Strahl in die Form des Logos der TU Wien bringt. „Das zeigt, dass der Technik kaum geometrische Grenzen gesetzt sind“, sagt Andrei Pimenov. „Unsere Methode ist relativ leicht anwendbar. Wir glauben daher, dass sich die Technik rasch in vielen Bereichen einsetzen lässt und die derzeit aufstrebende Terahertz-Technik ein Stück präziser und vielseitiger macht.“

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