Terahertz-Kalibrierung der PTB überzeugt auch US-Laserhersteller

Terahertz-Strahlung liegt bisher im metrologischen Niemandsland – in einer messtechnischen Lücke.

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) kann diese Lücke nun schließen. Sie hat erstmals einen kommerziellen Terahertz-Laser auf das Internationale Einheitensystem SI rückgeführt, indem sie seine Leistung absolut gemessen hat.

Dies gelang mit einem zuvor am Kryoradiometer, dem deutschen Primärnormal für Leistungsmessungen elektromagnetischer Strahlung, kalibrierten Leistungsmessgerät. Damit ist dieser THz-Laser, ein SIFIR-50-Laser der US-Firma Coherent, der erste im praktischen Einsatz, dessen Ausgangsleistung durch eine neu aufgebaute Kalibriereinrichtung der PTB zuverlässig nachgewiesen worden ist.

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 (PTB), zusammengetan, um die Leistungsmessung von Terahertz-Lasern 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.“

es/ptb

Ansprechpartner:
Dr. Andreas Steiger, PTB-Arbeitsgruppe 7.34 „Terahertzradiometrie“,
Tel. (030) 3481-7532, E-Mail: Andreas.Steiger@PTB.de
Petra Wallenta, Coherent, PR Europe, E-Mail: Petra.wallenta@coherent.com