Turbo für Terahertz-Aufnahmen: Forscher haben erstmals ein System entwickelt, das Highspeed-Videos auf Basis von Terahertzstrahlung erzeugen kann. Die Terahertzfilme erreichen Frame-Raten von bis zu 3.000 Bildern pro Sekunde und können dadurch sogar fallende Tropfen und andere schnelle Prozesse erfassen. Möglich wird dies durch eine Schicht angeregter Cäsiumatome, die die langwelligeren Terahertzstrahlen in sichtbares Licht umwandeln.
Die zwischen Infrarot und Mikrowellen liegende Terahertzstrahlung kann viele gängige Materialien wie Papier, Textilien oder Plastik zerstörungsfrei durchdringen. Terahertz-Scanner werden daher vielfach in Sicherheitskontrollen, aber auch für Materialtests, den Blick in geschlossene Bücher und sogar für die Fahndung nach Borkenkäfern in Holz eingesetzt. Auch als Medium zur drahtlosen Datenübertragung oder als Beschleuniger lassen sich die Terahertzwellen nutzen.
Mehr Tempo für Terahertz-Bilder
Ein großes Manko hatten die Terahertz-Scanner jedoch bisher: Sie können nur Standbilder erzeugen. Beim Bewegtbild erreichen gängige Systeme selbst bei geringer Auflösung nur eine Bildrate von maximal 60 Hertz – für ein zeitlich hochaufgelöstes Videobild oder sogar Highspeed-Aufnahmen reicht dies nicht. Der Grund ist unter anderem die für herkömmliche Kameratechnik zu lange Wellenlänge und schwache Intensität.
„Trotz der großen Nachfrage gibt es bisher noch kein Terahertz-Videosystem, das hohe Geschwindigkeit und Sensitivität kombiniert“, erklären Lucy Downes von der Durham University und ihre Kollegen. Das hat sich nun geändert. Denn sie haben nun eine Lösung für dieses Problem entwickelt. „Wir konvertieren die Terahertz-Photonen in Photonen im sichtbaren Bereich und können so gängige Highspeed-Kameratechnologien einsetzen“, erklären sie.
Cäsiumatome als Strahlenwandler
Herzstück des neuen Systems ist ein optischer Transformator aus Cäsiumdampf. In ihm wird eine schichtförmige Wolke aus Cäsiumatomen durch Laser so angeregt, dass sie zu Rydberg-Atomen werden. Bei diesen sind die Außenelektronen besonders weit vom Kern entfernt. Der Clou dabei: Diese Rydberg-Atome reagieren gegenüber Terahertzstrahlung sehr sensibel. Trifft sie ein Photon dieser Wellenlänge, ändern sie unter Abgabe von grünem Licht ihren Energiezustand.
Genau dies macht die schnelle Aufzeichnung von Terahertz-Videos möglich: Die vom Scanner erstellten Terahertz-Aufnahmen werden von der Cäsiumschicht in sichtbar grün leuchtende Aufnahmen umgewandelt. Diese Bilder kann dann eine normale Highspeed-Filmkamera aufzeichnen, wie die Forscher erklären. Der atomare Transformer ist nur einen Quadratzentimeter groß, hat aber immerhin eine Auflösung von 40 Mikrometern pro Pixel.
Fallende Tropfen und rotierende Räder
In einem ersten Test zeichneten Downes und ihr Team mit diesem System Terahertz-Videos mit einer Frame-Rate von bis zu 3.000 Bildern pro Sekunde auf. Die Highspeed-Aufnahmen zeigen unter anderem die mit 700 Umdrehungen pro Minute rotierenden Speichen eines Rades und einen fallenden Wassertropfen im Terahertzlicht. Nach Angaben der Forscher könnten sich durch Optimierungen des Systems künftig sogar Bildraten von bis zu einer Million Frames pro Sekunde erreichen lassen.
„Unser System ermöglicht damit eine Terahertz-Bildgebung von dynamischen Prozessen in Bildraten, die bisher von keiner anderen Methode erreicht wurde“, konstatieren Downes und ihre Kollegen. Ihrer Ansicht nach könnten die Highspeed-Aufnahmen im Terahertzbereich ganz neue Möglichkeiten für die Bildgebung in der Biomedizin oder der Produktprüfung eröffnen.
Ähnlich sieht es auch der Biosphysiker Peter Weightman von der University of Liverpool: „Dies ist ein bemerkenswerter Fortschritt bei der Entwicklung von schnellen Terahertz-Scansystemen“, schreibt er in einem begleitenden Kommentar. Das habe enormes Potenzial für de Anwendung in verschiedensten Feldern. (Physical Review X, 2020; doi: 10.1103/PhysRevX.10.011027)
Quelle: American Physical Society (APS)
