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Stereolithografie 3D-gedruckte Optik könnte Terahertz-Mobilfunk voranbringen

| Redakteur: Jürgen Schreier

Die Terahertz verspricht viele spannende Anwendungen. So könnte sie für die superschnelle Datenübertragung per Mobilfink genutzt werden. Die dafür notwendigen optischen Komponenten schnell und kostengünstig per 3D-Druck zu fertigen, ist ein großer Schritt in Richtung "Massentauglichkeit".

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Additiv gefertigte Beugungsgitter zur Manipulation von Terahertz-Strahlung
Additiv gefertigte Beugungsgitter zur Manipulation von Terahertz-Strahlung
(Bild: Tanja Coenen/TU Braunschweig)

Terahertzwellen gelten als Hoffnungsträger für neue Technologien in der Medizin, Kommunikation und der Sicherheitstechnik. Grundlage dafür sind allerdings neue optische Komponenten. Forscherinnen und Forscher der Technischen Universität Braunschweig haben im 3D-Druckverfahren sogenannte Beugungsgitter hergestellt. Ihre Messungen haben gezeigt, dass die Gitter eine gezielte Manipulation der hochfrequenten Strahlung ermöglichen.

Optische Komponenten für Terahertzwellen können demnach schnell und zuverlässig gefertigt und in neuen Anwendungsfällen erforscht werden. Die Ergebnisse der Untersuchung sind im Journal „IEEE Transactions on Applied Superconductivity“ erschienen.

Beugungsgitter müssen präzise gefertigt werden

Die Beugungsgitter sind fünf mal fünf Zentimeter groß, ihre Fläche besteht aus sich periodisch wiederholenden Strukturen. Um die Beugung der Strahlung analysieren zu können, ist eine präzise Fertigung der Gitter Voraussetzung. Am Institut für Elektrische Messtechnik und Grundlagen der Elektrotechnik (EMG) der TU Braunschweig unter Leitung von Professor Meinhard Schilling kommt deshalb ein Stereolithografie-Drucker zum Einsatz.

Nach dem Druck werden die Beugungsgitter mit einer dünnen Goldschicht versehen: „Das erhöht den Reflexionsgrad der Strukturen“, sagt Dr. Benedikt Hampel, der sich mit der Untersuchung von optischen Eigenschaften von 3D-gedruckten Strukturen beschäftigt. Bei der Stereolithografie werden flüssige lichtempfindliche Harze mit einem Laser verfestigt. Dies kann mit extrem hoher Genauigkeit im Mikrometerbereich erfolgen. Auf diese Weise lassen sich sehr präzise Objekte aus Kunststoffen – schnell und reproduzierbar – fertigen.

Zur Verbesserung der Qualität wird die Oberfläche der 3D-gedruckten Beugungsgitter genau unter die Lupe genommen: Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am EMG untersuchen ihre Rauigkeit und messen die gebeugte Strahlung. Hierfür steht ein am Institut entwickeltes Terahertz-Rastermikroskop zur Verfügung, das die Strahlenverteilung dreidimensional erfasst und messbar macht.

Terahertz-Technologie

Terahertzwellen liegen im elektromagnetischen Spektrum im Frequenzbereich von etwa 0,3 bis 30 Terahertz – zwischen den Mikrowellen und dem infraroten Licht. Dieser Frequenzbereich wurde in der Vergangenheit aufgrund von fehlenden Strahlquellen und Sensoren nur selten für technische Anwendungen genutzt.

Die vergleichsweise hohen Frequenzen versprechen jedoch spannende Anwendungsszenarien beispielsweise als schnelle Übertragungstechnik im Mobilfunk. Auch in der Medizin gibt es interessante Anwendungsgebiete, zum Beispiel die Analyse von organischem Material, von Gewebe und Atemluft.

Zum Einsatz kommt die hochfrequente Strahlung bereits in Form von Detektoren am Flughafen: Die Terahertz-Strahlung erreicht eine gute räumliche Auflösung und kann viele nicht-metallische Materialien durchdringen. Anders als Röntgenstrahlen sind Terahertzstrahlen zudem gesundheitlich unbedenklich.

Einen Überblick über die Terahertz-Technologie gibt die VDI-Publikation "Die Terahertz-Technologie und ihre möglichen Anwendungen".

EMG unterstützt Fabmaker GmbH

Das Institut für Elektrische Messtechnik und Grundlagen der Elektrotechnik (EMG) der TU Braunschweig beschäftigt sich seit vielen Jahren mit dem Entwurf und der Verbesserung von 3D-Druckern. Seit 2016 unterstützt das EMG die Firma Fabmaker GmbH bei der Ausgründung, um diese Technologie auch in Schulen verfügbar zu machen. Seit dem Sommersemester 2019 bietet das Institut eine Lehrveranstaltung zum Thema Additive Fertigung an.

Die weiteren Entwicklungen der optischen Komponenten werden im Nanometrologie-Forschungszentrum LENA (Laboratory for Emerging Nanometrology) und im Institut für Elektrische Messtechnik und Grundlagen der Elektrotechnik an der TU Braunschweig gemeinsam mit der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) und im Rahmen des Exzellenzclusters „Quantum Frontiers“ vorangetrieben

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