THz-Lichtquelle für Spektroskopie und Imaging

Der nachfolgende Be-richt  weicht vom traditionellen Schema der Applikationsberichte ab. Wir präsentieren ein besonders eingängiges THz-
Experiment [1], das auf einem derzeit nicht kommerziell erhältlichen Produkt basiert. Es handelt sich dabei um den Germanium THz-Laser. Der Prototyp steht an der Ruhr-Universität Bochum und wird rund um die Uhr von Forschergruppen für THz-Experimente in der Spektroskopie, im Imaging und der bildgebenden Spektroskopie genutzt.

Die Spektroskopie von Spurengasen oder Biomolekülen, die nur in geringer Konzentration vorliegen, erfordert besonders empfindliche Nachweismethoden. Cavity Ringdown ist hierbei ein etabliertes Verfahren mittels gepulster Laser. Für cw Laser wird die Cavity Enhanced Absorption (CEA) verwendet. Diese Techniken wurden bisher noch nicht im THz-Bereich angewendet. Bochumer Wissenschaftler realisierten jetzt ein CEA Experiment im THz-Bereich mittels des Germanium Lasers als Strahlquelle.

Der experimentelle Aufbau (siehe Abbildung) ist analog zu herkömmlichen Aufbauten im optischen  Bereich: Die quasi-cw-Strahlung wird in einen Silizium-Resonator resonant eingekoppelt. Bei einem verlustfreien Resonator verlässt die gesamte eingekoppelte Strahlung den Resonator und kann detektiert werden. Liegt eine Absorption vor, wird die ausgekoppelte Strahlung entsprechend abgeschwächt. Die Resonator-Anordnung bewirkt eine größere Absorptionslänge und somit eine erhöhte Empfindlichkeit. Nachteil: Aufgrund der hohen Resonatorgüte steht nur ein kleiner Teil der eingestrahlten Leistung am Detektor zur Verfügung; daher wird eine THz-Quelle mit hoher Leistung benötigt. Hier wird ein kryogen gekühlter Germanium-Laser verwendet. Der Laser emittiert Strahlung zwischen 1 und 4 THz (40 cm^-1 und 130 cm^-1) mit einer Peakleistung von mehreren Watt. Der Germanium-Laser ist somit als THz-Hochleistungslaser einzuordnen [2].

Die zu untersuchende Substanz wird auf eine Seite des Silizium-Resonators aufgebracht und schwächt die detektierte Strahlung stoffspezifisch. Diese Technik ist im optischen Bereich unter dem Namen ATR (Attenuated Total Reflection) bekannt. Als Testsubstanz wurde Laktalbumin verwendet und ein THz-Spektrum zwischen 80 und 95 cm^-1 aufgenommen. Die Detektionsgrenze lag bei 0,8 nmol/mm² äquivalent zu einer 50 nm Schicht. 

Unsere Frage an die Leser: Besteht Interesse an einem kommerziell erhältlichen Germanium-Terahertzlaser?

Referenz:

[1] R. Schiwon, G. Schwaab, E. Bründermann and M. Havenith: „Terahertz cavity-enhanced attenuated total reflection spectroscopy“, Appl. Phys. Lett. 86, 201116 (2005)

[2] M. Tonouchi: “Cutting-edge terahertz technology “,  Nature photonics, Vol 1, February 2007, 98