Terahertzstraling wordt gebruikt voor veiligheidscontroles op luchthavens, voor medische keuringen en ook voor kwaliteitscontroles in de industrie. Echter, straling in het terahertz-bereik is buitengewoon moeilijk te genereren. Wetenschappers van de TU Wien in nauwe samenwerking met collega's van het Institute of Electronic Structure and Laser (IESL), Stichting voor Onderzoek en Technologie - Hellas (FORTH) in Heraklion en Texas A&M University in Qatar zijn er nu in geslaagd een terahertz-stralingsbron te ontwikkelen die meerdere records verbreekt:het is uiterst efficiënt, en het spectrum is erg breed - het genereert verschillende golflengten uit het hele terahertz-bereik. Het onderzoek is geïnspireerd op de theorie die is ontwikkeld aan de Texas A&M University, voorspellen dat met lange-golflengte laserpulsen een uiterst efficiënte THz-generatie zou kunnen worden bereikt in luchtplasma. Dit opent de mogelijkheid om korte stralingsimpulsen met extreem hoge stralingsintensiteit te creëren. De nieuwe terahertz-technologie is nu gepresenteerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

De "Terahertz-kloof" tussen lasers en antennes

"Terahertz-straling heeft zeer nuttige eigenschappen, " zegt Claudia Gollner van het Instituut voor Fotonica aan de TU Wien. "Het kan gemakkelijk door veel materialen heen dringen, maar in tegenstelling tot röntgenstralen, het is onschadelijk omdat het geen ioniserende straling is."

Vanuit technisch oogpunt, echter, terahertz-straling bevindt zich in een frequentiegebied dat zeer moeilijk toegankelijk is - in een soort niemandsland tussen twee bekende gebieden:Straling met hogere frequenties kan worden gegenereerd door gewone vaste-stoflasers. Laagfrequente straling, anderzijds, zoals het wordt gebruikt in mobiele communicatie, wordt uitgezonden door antennes. De grootste uitdagingen liggen precies daar tussenin, in het terahertz-bereik.

In de laserlaboratoria van de TU Wien, er moet daarom veel moeite worden gedaan om de gewenste terahertz-stralingspulsen met hoge intensiteit te genereren. "Ons uitgangspunt is de straling van een infrarood lasersysteem. Het is ontwikkeld in ons instituut en is uniek in de wereld, " zegt Claudia Gollner. Ten eerste, het laserlicht wordt door een zogenaamd niet-lineair medium gestuurd. In dit materiaal, de infraroodstraling wordt gemodificeerd, een deel ervan wordt omgezet in straling met twee keer de frequentie.

"Dus nu hebben we twee verschillende soorten infraroodstraling. Deze twee soorten straling worden dan over elkaar heen gelegd. Hierdoor ontstaat een golf met een elektrisch veld met een heel specifieke asymmetrische vorm, ', zegt Gollner.

Lucht in plasma veranderen

Deze elektromagnetische golf is intens genoeg om elektronen uit de moleculen in de lucht te scheuren. De lucht verandert in een gloeiend plasma. Vervolgens, de speciale vorm van het elektrische veld van de golf versnelt de elektronen zodanig dat ze de gewenste terahertz-straling produceren.

"Onze methode is uiterst efficiënt:2,3% van de toegevoerde energie wordt omgezet in terahertz-straling - dat is een orde van grootte meer dan met andere methoden kan worden bereikt. Dit resulteert in uitzonderlijk hoge THz-energieën van bijna 200 J, ", zegt Claudia Gollner. Een ander belangrijk voordeel van de nieuwe methode is dat er een zeer breed spectrum aan terahertz-straling wordt gegenereerd. Er worden gelijktijdig zeer verschillende golflengten in het hele terahertz-bereik uitgezonden. Dit levert extreem intense korte stralingspulsen op. Hoe groter het spectrum van verschillende terahertz-straling golflengten, de kortere en intensere pulsen kunnen worden gegenereerd.

Talloze mogelijke toepassingen

"Dit betekent dat er nu voor het eerst een terahertz-bron voor extreem hoge intensiteitsstraling beschikbaar is, " zegt Andrius Baltuska, het hoofd van de onderzoeksgroep aan de Technische Universiteit van Wenen. "De eerste experimenten met zinktelluridekristallen laten al zien dat terahertzstraling uitstekend geschikt is om op een geheel nieuwe manier belangrijke vragen uit de materiaalwetenschap te beantwoorden. We zijn ervan overtuigd dat deze methode een grote toekomst heeft."