Terahertz-Kalibrierung der PTB überzeugt auch US-Laserhersteller

Die Terahertz-Strahlung liegt im Frequenzbereich zwischen 0,3 THz und 10 THz, also zwischen Mikrowellen und dem langwelligen Infrarot. Das ist der Grenzbereich zwischen zwei verschiedenen Erzeugungsmechanismen: Mikrowellen werden elektronisch über Halbleiter erzeugt, Infrarotlicht dagegen optisch mit Hilfe von Lasern. Erst in jüngerer Zeit dringt man in diese Terahertz-Lücke vor, die aber eine Fülle interessanter Anwendungen verspricht. Inzwischen wird Terahertz-Strahlung in der Spektroskopie, Analytik und Astronomie eingesetzt. Weil technologische Innovationen die Erzeugung und den Nachweis von THz-Strahlung beachtlich verbessert haben, kommt immer mehr hinzu: die zerstörungsfreie Materialprüfung, die Überwachung an Flughäfen, die biologische und die medizinische Forschung, die Qualitätsüberwachung von Nahrungsmitteln und landwirtschaftlichen Produkten, die globale Umweltüberwachung sowie die Informations- und Kommunikationstechnik. Alle diese Bereiche profitieren von einer verlässlichen Leistungsmessung im THz-Spektralbereich.

Daher haben sich ein Weltmarktführer der Lasertechnologie, die Firma Coherent Inc., und ein internationales Spitzeninstitut der Metrologie, die Physikalisch-Technische Bundesanstalt, zusammengetan, um die Leistungsmessung von Terahertzlasern zu verbessern und durch den Vergleich mit einem nationalen Normal auf die SI-Einheiten rückzuführen.

Der SIFIR-50 Laser der Firma Coherent, der für die erste Leistungsmessung bei 2,5 THz betrieben wurde, ist das Herzstück des neuen Messplatzes der PTB zur Bestimmung der THz-Strahlungsleistung in SI-Einheiten und zur Kalibrierung von THz-Detektoren. Er ist ein fern-infraroter Molekülgaslaser, der von einem integrierten frequenzstabilisierten 50-W-CO₂-Laser gepumpt wird. "Sein Alleinstellungsmerkmal ist eine Fabry-Perot-Stabilisierung, mit deren Hilfe die Frequenz des CO₂-Lasers auf dem Anregungsoptimum der Vibrationsniveaus der Gasmoleküle gehalten wird", erläutert Andreas Steiger von der PTB Berlin. Aufgrund des thermisch-kompensierten Resonator- und Pumpoptikdesigns liefert das SIFIR-50 System stabile THz-Strahlung, die zwischen 1 THz und 7 THz auf verschiedene Rotationsniveaus der verwendeten Moleküle einstellbar ist. Der weite Abstimmbereich ist viermal so groß wie das ganze Spektrum des sichtbaren Lichts und umfasst eine Vielzahl diskreter THz-Spektrallinien verschiedener Gase. Steiger ist zuversichtlich: "Die Betriebs- und Strahleigenschaften des Lasers erlauben uns, in naher Zukunft einen großen Schritt zur Schließung der messtechnischen Lücke zwischen Hochfrequenzelektronik und Ferninfrarotoptik zu gehen."