Von 3 bis 3·10²⁰ Hertz: Das ganze elektromagnetische Spektrum ist gut erforscht. Das ganze? Nein! Eine schwer zu erzeugende Strahlung hört nicht auf, den Physikern Rätsel aufzugeben. Die Terahertzstrahlung, benannt nach ihrem Frequenzbereich zwischen Infrarotstrahlung und Radiowellen, hat eine Reihe von Eigenschaften, die sie für Anwendungen von der Medizin bis zur Materialwissenschaft interessant macht. Unter anderem durchleuchtet sie den Körper, ohne das Gewebe zu beschädigen, enthüllt aber auch verborgene Kunstwerke.

Doch bisher erzeugt man die dafür nötigen Terahertzpulse mit Infrarotlasern, die nur winzige Bruchteile ihrer Energie in die gewünschte Strahlung umwandeln. Ein Laser für Terahertzpulse, die hinreichend »hell« für viele Anwendungen sind, würde deswegen mit seiner Energie sofort den Versuchsaufbau zerstören. Eine Arbeitsgruppe um Stelios Tzortzakis von der Stiftung für Forschung und Technologie in Heraklion hat nun gezeigt, wie man auch mit normalen Lasern dieses Ziel erreichen kann.

Wie das Team in »Nature Communications« berichtet, bestätigt es damit seine eigene Vorhersage: Rechnungen und Simulationen hatten darauf hingedeutet, dass bei bestimmten Wellenlängen ein Vielfaches mehr der Laserenergie in Terahertzstrahlung umgewandelt wird als mit bisher verwendeten Lasern. Um diese These zu prüfen, sandte die Gruppe um Tzortzakis einen Laserpuls dieser Wellenlänge durch ein als optisch nichtlinear bezeichnetes Material. Solche Stoffe haben sehr exotische Wirkungen auf Licht – in diesem Fall verdoppelte es die Frequenz eines Teils des Laserpulses.

Diesen nun aus Licht zweier Frequenzen bestehenden Laserpuls nutzte die Arbeitsgruppe für eine Technik namens Zwei-Farben-Harmonische-Erzeugung. Dabei nutzt man die Wechselwirkung der beiden Frequenzen – also Farben –, um lokal ein stark verzerrtes Magnetfeld zu erzeugen. Das wiederum erzeugt ein Plasma, in dem Elektronen sehr stark beschleunigt werden und dabei einen sehr kurzen Terahertzpuls erzeugen.

Das Besondere: Insgesamt 2,36 Prozent der Laserleistung wandelte der verbesserte Versuchsaufbau in Terahertzstrahlung um. Das klingt nicht nach viel, ist aber nach Angaben des Teams mehr als 100-fach effizienter als bisher – und erzeugt damit für die gleiche Leistung 100-fach stärkere Pulse. Zusätzlich sagt die Gruppe voraus, dass theoretisch sogar bis zu sieben Prozent der Laserleistung umgewandelt werden können.