Physiker schaffen mit dem 3D-Drucker den perfekten Terahertz-Strahl

    11. Juli 2018, 08:00
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    Wissenschafter der TU Wien stellten relativ einfachen Ansatz zum Formen der Strahlen im Fachblatt "Applied Physics Letters" vor

    Wien – Physiker der Technischen Universität (TU) Wien haben eine relativ einfache Methode entwickelt, mit der Terahertzstrahlung beliebig manipuliert werden kann. Die Methode macht sich spezielle, im 3D-Drucker angefertigte Kunststoffblenden zunutze, die in den Strahl gehalten werden und so beliebige Muster erzeugen.

    Terahertz-Strahlung ist sehr vielseitig einsetzbar, sie wird heute für Sicherheitskontrollen am Flughafen genauso verwendet wie für Materialanalysen im Labor. Die Wellenlänge dieser Strahlung liegt im Millimeterbereich, sie ist also deutlich größer als die Wellenlänge von sichtbarem Licht. Daher 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 Wissenschaftern an der TU Wien: Mit Hilfe einer genau berechneten und am 3D-Drucker hergestellten Plastik-Blende kann man Terahertz-Strahlen praktisch beliebig formen.

    Phasenverschiebender Kunststoff

    "Gewöhnliches Plastik ist für Terahertz-Strahlen durchsichtig, ähnlich wie Glas für sichtbares Licht", erklärt 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.

    Exakte Blende aus dem 3D-Drucker

    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 Millimeter. 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 mathematische Methode wurde entwickelt um das richtige Blendenmuster zu berechnen. Daraus wird dann in einem gewöhnlichen 3D-Drucker die passende Blende hergestellt, wie die Forscher im Fachjournal "Applied Physics Letters" berichten.

    "Das Verfahren ist erstaunlich einfach", sagt 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 zwei Millimeter 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." (red, 11.7.2018)

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