Der optische Spektrumanalysator von Shimadzu trägt zur Forschung im Bereich der Terahertz-Wellen bei, einem Bereich des elektromagnetischen Spektrums mit großem Entwicklungspotenzial.

Eine der Errungenschaften des menschlichen Geistes ist die Nutzung elektromagnetischer Wellen. Licht und elektromagnetische Wellen sind, wie die Luft um uns herum, unerschöpflich. Die Menschheit, fasziniert von diesem Wunder, hat ihre grundlegenden Prinzipien durch wiederholte Experimente und Forschungen systematisiert. Dadurch wurde unser Leben durch die Entwicklung vielfältiger Hilfsmittel bereichert. Beispiele hierfür sind Röntgenaufnahmen, Mikrowellenherde und die Glasfaserkommunikation, die Licht nutzt.

 

Eine Zukunft, in der die Nutzung von Terahertz-Wellen vorangetrieben wird

Mit dem Fortschritt praktischer Anwendungen elektromagnetischer Wellen stellen Terahertz-Wellen den einzigen Spektralbereich dar, in dem die praktische Umsetzung noch nicht weit fortgeschritten ist. Terahertz-Wellen liegen in einem Frequenzband zwischen Licht- und Radiowellen. Sie zeichnen sich durch die Kombination aus der Geradlinigkeit von Laserstrahlen und der Durchlässigkeit von Radiowellen aus. Allerdings besitzen sie für Licht eine extrem geringe Energie und für Radiowellen eine sehr hohe Frequenz, was ihre Erzeugung und Detektion erschwert. Daher betrachten Forscher im Bereich der Licht- und Radiowellen diesen Spektralbereich als besonders schwierig zu handhaben.

Die Bedeutung von Terahertz-Wellen hat in den letzten Jahren zugenommen. Die mittlerweile weit verbreitete 5G-Technologie nutzt das Millimeterwellen-Frequenzband, doch besteht die Gefahr einer zukünftigen Überlastung der Kommunikationsnetze aufgrund des steigenden Datenverkehrs. Die Nutzung der noch höheren Frequenzbandbreite von Terahertz-Wellen für die nächste Generation der 6G-Technologie steht daher aktuell im Fokus. Weltweit werden die Forschungsarbeiten zur Umsetzung dieser Technologie intensiviert. Terahertz-Wellen durchdringen zudem Papier, Kunststoff, Fasern und andere Substanzen. Ihre Energie ist jedoch im Vergleich zu ultravioletten Strahlen und Röntgenstrahlen geringer, sodass sie nur minimale Auswirkungen auf den menschlichen Körper haben. Der Einsatz von Terahertz-Wellen würde Sicherheitskontrollen für Personen und Postsendungen vereinfachen, weshalb ihr praktischer Nutzen beispielsweise in der Terrorismusbekämpfung erwartet wird.

Im RIKEN-Labor, einer weltweit führenden Forschungseinrichtung für Terahertz-Wellen, werden optische Spektrumanalysatoren von Shimadzu eingesetzt.

Dr. Hiroaki Minamide, Teamleiter des Tera-Photonik-Forschungsteams,
RIKEN Zentrum für fortgeschrittene Photonik, RIKEN

Hiroaki Minamide vom RIKEN* setzt diese Forschung fort, um Terahertz-Wellen praktisch nutzbar zu machen. Minamide begann vor 25 Jahren mit der Erforschung von Terahertz-Wellen und entdeckte eine effiziente Methode zu deren Erzeugung, die bis dato schwierig war. Im September 2024 gelang es ihm, eine hochenergetische Terahertz-Quelle zu entwickeln, die klein genug ist, um in eine Handfläche zu passen. Derzeit forscht er weiter an deren praktischer Anwendung.

* RIKEN, eine nationale Forschungs- und Entwicklungsagentur, ist Japans größte umfassende Forschungseinrichtung und wurde 1917 gegründet.

Von RIKEN im September 2024 angekündigte tragbare Terahertzwellenquelle (Foto von RIKEN)

Der optische Spektrumanalysator Shimadzu SPG-V500 trug zu dieser Forschung bei. Optische Spektrumanalysatoren sind Instrumente zur Analyse der Wellenlänge und Intensität von Licht. Sie werden üblicherweise zur Analyse von Laserquellen in Bereichen wie der optischen Kommunikation eingesetzt.

Optischer Spektrumanalysator SPG-V500 im Labor des Teraphotonik-Forschungsteams am RIKEN (Sendai Campus)

Minamide merkt an: „Ich habe gelernt, dass die Wellenlänge des Lichts mit dem Shimadzu SPG-V500 in Echtzeit gemessen werden kann, und wenn das der Fall ist, dann sind bahnbrechende Forschungsergebnisse zu erwarten.“

Das von Minamide geleitete Teraphotonik-Forschungsteam befand sich mitten in der Entwicklung eines Detektors, der parallel zur Quelle eingesetzt werden sollte. Der Nachweis eines spezifischen Signals ist unerlässlich, um die Erzeugung von Terahertz-Wellen zu bestätigen. Trotz intensiver Bemühungen gelang es dem Team jedoch nicht, dieses Signal zu detektieren.

„Wenn das Signal nicht empfangen werden kann, kann die Forschung nicht voranschreiten. Deshalb verbrachten zwei Mitarbeiter mehrere Monate damit, immer wieder Anpassungen und Messungen vorzunehmen – jedoch ohne Erfolg. Gerade als ich mit meinem Latein am Ende war, fiel mir in der Projektbeschreibung für den SPG-V500 die Formulierung ‚Echtzeit-Messfunktion‘ ins Auge. Ich dachte, ich klammere mich an jeden Strohhalm, nahm aber trotzdem Kontakt auf. Ich lieh mir ein Vorführmodell, versuchte wie gewohnt, Anpassungen und Messungen vorzunehmen, und war überrascht. Das gesuchte Signal war gefunden. Ich jubelte mit allen im Labor und rief: ‚Wir haben es geschafft! Wir haben es gefunden!‘“

Dr. Hiroaki Minamide vom RIKEN (Mitte) und die Forscherinnen Dr. Deepika Yadav (die derzeit in Indien lebt, im Bild) und Dr. Yuma Takida (ganz links) blicken auf die betreffende Zeit zurück.

Die Entwickler waren stolz auf die hohe spektrale Auflösung und die Echtzeit-Messtechnik.

SPG-V500-Entwicklungsteam, von links: Ryosuke Nishi, Tomoari Kobayashi, Hiroaki Nishihara und Ryoji Hiraoka (Anwendungsgruppe, Geräteabteilung)

Instrumente zur Messung von „Licht“ spielten auch eine Rolle in der Terahertz-Forschung, einer Art elektromagnetischer Wellen. Niemand war von dieser Nachricht überraschter als die Entwickler des SPG-V500. Entwicklungsmitglied Ryoji Hiraoka meinte: „Ich hätte mir nie träumen lassen, dass das SPG-V500 einmal in der Terahertz-Forschung zum Einsatz kommen würde.“

Entwicklungsmitarbeiter Ryoji Hiraoka

Die von Minamide entwickelte Terahertz-Quelle nutzt einen gepulsten Laser, der Impulse mit einer Dauer von einer Milliardstel Sekunde oder weniger erzeugt. Daher war die Messung mit einem herkömmlichen optischen Spektrumanalysator schwierig.

Hiraoka, der dem Entwicklungsteam angehörte, erklärte: „Die Entwicklung des SPG-V500 begann mit der Idee, einen benutzerfreundlichen optischen Spektrumanalysator zu entwickeln, der zur Laserforschung beitragen kann. Bei Shimadzu gibt es Abteilungen, die Laserforschung betreiben, und als ich Kontakt zu ihnen aufnahm, erfuhr ich von verschiedenen Schwierigkeiten. Um diese zu lösen, hielt ich ein Instrument für notwendig, das gleichzeitig eine hohe spektrale Auflösung und Wellenlängeninformationen über einen bestimmten Bereich liefern kann. So fand ich mein Entwicklungskonzept.“

„Allgemeine optische Spektrumanalysatoren konnten momentan erzeugtes Licht nicht messen. Der Grund dafür liegt in der Messmethode, die das Licht über einen bestimmten Zeitraum abtastet. Daher wurde beim SPG-V500 anstelle einer Abtastmessung ein Polychromator-Verfahren eingesetzt. Das Gerät ist mit einem Array-Sensor (einer Ansammlung kleiner Sensoren) ausgestattet, der es ermöglicht, Wellenlängeninformationen über einen bestimmten Bereich gleichzeitig zu erfassen.“

Ryosuke Nishi, Mitarbeiter im Entwicklungs- und Vertriebsbereich, verantwortlich für die Verbesserungen am SPG-V500.

„Dieses Verfahren nutzt eine firmeneigene Shimadzu-Technologie und eignet sich auch zur Erfassung von Modensprüngen (plötzlichen Änderungen der Lichtwellenlänge), der Hauptursache für Laserrauschen. Eine Unterdrückung der Modensprünge würde die Qualität von Laserquellen verbessern und in verschiedenen Bereichen der Laserforschung, nicht nur im Terahertz-Bereich, von Nutzen sein. Ich möchte zu einer technologischen Revolution in einem breiten Spektrum von Feldern beitragen, darunter Sensortechniken für autonomes Fahren sowie optische Kommunikation.“

Von links: Hiroaki Minamide und Yuma Takida von RIKEN sowie Ryoji Hiraoka, Satomi Sakamoto und Ryosuke Nishi von der Shimadzu Corporation. In der Mitte befindet sich der optische Spektrumanalysator SPG-V500.