Terahertzlicht – Visualisierung mit handelsüblichen Sensoren

27.10.2015
Foto: Mostafa Shalaby mit dem CCD-Sensor

Mostafa Shalaby mit dem CCD-Sensor. Seine Auflösung ist um das 25-Fache höher als jene der bisher für die Visualisierung von Terahertzlicht eingesetzten Sensoren; © Paul Scherrer Institut/Markus Fische

Forscher des Paul Scherrer Instituts PSI konnten mit handelsüblicher Kamera-Technologie Terahertzlicht visualisieren. Bei der kostengünstigeren Alternative zum bisherigen Verfahren konnten sie die Bildauflösung im Vergleich um das 25-Fache verbessern. Durch seine besonderen Eigenschaften ist Terahertzlicht für Anwendungen von der Sicherheitstechnik bis zur medizinischen Diagnostik interessant.

Am PSI wird es bei den Experimenten am Freie-Elektronen-Röntgenlaser SwissFEL zum Einsatz kommen. Der dort entwickelte Terahertzlaser ist die zurzeit intensivste Terahertzquelle der Welt.

Mit einer Wellenlänge von 0,1 bis 1 Millimeter bewegt sich Terahertzlicht im Bereich zwischen Infrarot- und Mikrowellenstrahlung. Im Gegensatz zur Röntgenstrahlung ist es nicht-ionisierend, weshalb es nach heutigem Erkenntnisstand weniger Zellschäden verursacht. Das ist insbesondere für medizinische Anwendungen von großer Bedeutung.

Bisher war es nur möglich, Terahertzlicht mit sogenannten Bolometern zu visualisieren. Diese Sensoren sind nicht nur teuer, sondern auch sehr empfindlich gegenüber Umgebungseinflüssen . Auch sogenannte CCD-Sensoren, die in Smartphones oder Videokameras ebenfalls für ein gestochen scharfes Bild sorgen, konnten bisher für Terahertzlicht nicht eingesetzt werden. Da es für die robusten CCD-Sensoren zu schwach war.

Dank eines am PSI entwickelten, stärkeren Terahertzlasers konnten Forscher um Christoph Hauri nun die Sensitivitätsschranke der CCD-Sensoren überwinden. "Im Gegensatz zu bisherigen Terahertzlaserquellen zeichnet sich der am PSI entwickelte Terahertzlaser durch eine besonders hohe Intensität aus", erklärt Hauri.

"Jetzt, wo das Terahertzlicht intensiv genug ist, um es mit einem normalen CCD-Sensor visualisieren zu können, bekommen wir Bilder in einer 25-mal besseren Auflösung als mit dem Bolometer", freut sich Mostafa Shalaby, der das Experiment durchgeführt hat. "Und nun, da der CCD-Sensor genutzt werden kann, kommt noch ein weiterer wichtiger Vorteil voll zum Tragen: Seine Empfindlichkeit gegenüber Umgebungseinflüssen wie Wärme ist vernachlässigbar klein."

Der intensive PSI-Terahertzlaser wurde speziell für künftige Anwendungen am SwissFEL entwickelt. Der Freie-Elektronen-Laser wird gerade am PSI gebaut und ab Ende 2016 in Betrieb genommen. Er wird Röntgenlichtpulse mit den Eigenschaften von Laserlicht erzeugen.

Für die Forscher besonders interessant ist, dass mit den CCD-Sensoren nun Terahertzlicht in seiner Experimentierumgebung sichtbar wird. "Dadurch können wir die genaue räumliche Lage des Terahertzstrahls während des Experiments erfassen", betont Hauri. Zudem ist die Bildwiederholrate des CCD-Sensors ausreichend hoch, um mit der Geschwindigkeit, in der die Experimente am SwissFEL ablaufen, mithalten zu können. Denn der SwissFEL feuert 100 Röntgenlichtpulse pro Sekunde ab und mit jedem dieser Pulse wird ein eigenes Experiment durchgeführt.

Nun geht es an die Weiterentwicklung der Idee. "Es ist natürlich möglich, CCD-Sensoren für bestimmte Anwendungen in der Forschung maßzuschneidern", sagt Carlo Vicario, der das Experiment gemeinsam mit Shalaby realisiert hat. Und auch für Anwendungen ausserhalb der Forschung sehen die Forscher grosses Potenzial. Hauri: "CCD-Sensoren sind kostengünstig und robust." Für eine breite Anwendung müssten aber natürlich auch noch marktgeeignete Terahertzlaser mit ausreichender Intensität zur Verfügung stehen. "Da aber CCD-Sensoren nicht nur mehr leisten, sondern auch weniger als ein Zehntel eines Bolometers kosten, werden sie in dem schnell wachsenden Terahertz-Wissenschaftszweig sicherlich rasch Fuss fassen", ist er überzeugt.


COMPAMED.de; Quelle: Paul Scherrer Institut

Mehr über das Paul Scherrer Institut unter: www.psi.ch