|
An der TU Wien ist es gelungen, Terahertz-Strahlen nach Belieben zu formen. Dazu braucht man
nur eine simple Kunststoff-Blende aus dem 3D-Drucker.
Wien (tu) - 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 an der TU Wien: Mit Hilfe einer genau berechneten und am 3D-Drucker
hergestellten Plastik-Blende kann man Terahertz-Strahlen praktisch beliebig formen.
Wie Linsen – nur besser
„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.
Die 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 4mm. 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 2mm 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.“
Originalpublikation: 3D-printed
phase waveplates for THz beam shaping, J. Gospodaric, A. Kuzmenko, Anna Pimenov, C. Huber, D. Suess, S. Rotter,
and A. Pimenov; Appl. Phys. Lett. 112, 221104 (2018); doi: 10.1063/1.5027179
|
