Terahertz -strålning används för säkerhetskontroller på flygplatser, för medicinska undersökningar och även för kvalitetskontroller i industrin. Dock, strålning i terahertz -området är extremt svårt att generera. Forskare vid TU Wien i nära samarbete med kollegor från Institute of Electronic Structure and Laser (IESL), Foundation for Research and Technology - Hellas (FORTH) i Heraklion och Texas A&M University i Qatar har nu lyckats utveckla en terahertz -strålningskälla som slår flera rekord:den är extremt effektiv, och dess spektrum är mycket brett - det genererar olika våglängder från hela terahertz -området. Forskningen inspirerades av teorin utvecklad vid Texas A&M University, förutsäger att med laser med lång våglängd kan en extremt effektiv THz-generation uppnås i luftplasma. Detta öppnar möjligheten att skapa korta strålningspulser med extremt hög strålningsintensitet. Den nya terahertz -tekniken har nu presenterats i tidskriften Naturkommunikation .

"Terahertz -gapet" mellan lasrar och antenner

"Terahertz -strålning har mycket användbara egenskaper, "säger Claudia Gollner från Institute of Photonics vid TU Wien." Det kan lätt tränga in i många material, men till skillnad från röntgenstrålar, det är ofarligt eftersom det inte är joniserande strålning. "

Ur teknisk synvinkel, dock, terahertz-strålning är belägen i ett frekvensområde som är mycket svårt att komma åt-i en typ av ingenmansland mellan två välkända områden:Strålning med högre frekvenser kan genereras av vanliga lasrar i solid state. Lågfrekvent strålning, å andra sidan, eftersom den används i mobilkommunikation, sänds ut av antenner. De största utmaningarna ligger precis däremellan, i terahertz -serien.

I laserlaboratorierna i TU Wien, en stor ansträngning måste därför läggas på att generera önskade högintensiva terahertz-strålningspulser. "Vår utgångspunkt är strålningen från ett infrarött lasersystem. Det utvecklades på vårt institut och är unikt i världen, "säger Claudia Gollner. Först, laserljuset skickas genom ett så kallat olinjärt medium. I detta material, den infraröda strålningen modifieras, en del av den omvandlas till strålning med dubbelt så hög frekvens.

"Så nu har vi två olika typer av infraröd strålning. Dessa två typer av strålning överlagras sedan. Detta skapar en våg med ett elektriskt fält med en mycket specifik asymmetrisk form, säger Gollner.

Förvandla luft till plasma

Denna elektromagnetiska våg är tillräckligt intensiv för att riva elektroner ur molekylerna i luften. Luften förvandlas till en glödande plasma. Sedan, den speciella formen på vågens elektriska fält accelererar elektronerna på ett sådant sätt att de producerar önskad terahertz -radiaton.

"Vår metod är extremt effektiv:2,3% av den tillförda energin omvandlas till terahertz -strålning - det är storleksordningar mer än vad som kan uppnås med andra metoder. Detta resulterar i exceptionellt höga THz -energier på nästan 200 µJ, "säger Claudia Gollner. En annan viktig fördel med den nya metoden är att ett mycket brett spektrum av terahertz -strålning genereras. Mycket olika våglängder i hela terahertz -området avges samtidigt. Detta ger extremt intensiva korta strålningspulser. Ju större spektrum av olika terahertz våglängder, de kortare och mer intensiva pulserna kan genereras.

Många möjliga applikationer

"Det betyder att för första gången finns en terahertz -källa för strålning med extremt hög intensitet nu tillgänglig, säger Andrius Baltuska, chef för forskargruppen vid Wiens tekniska universitet. "Inledande experiment med zink-telluridkristaller visar redan att terahertz-strålning är utmärkt lämpad för att besvara viktiga frågor från materialvetenskap på ett helt nytt sätt. Vi är övertygade om att denna metod har en stor framtid."