Terahertz Technologie: Funktionsweise und Einsatzmöglichkeiten

Sebastian Weilacher, Sommersemester 2014

Die Terahertz (THz) - Strahlung deckt einen Frequenzbereich von 10^11 Hz (0,1 THz) bis 10^13 Hz (10 THz) im elektromagnetischen Spektrum ab. Dies entspricht den Wellenlängen zwischen 3 mm und 0,03 mm. Die THz-Strahlung liegt wie in Abbildung 1 dargestellt somit zwischen Mikrowellen- und Infrarotstrahlung. Ein Grund für die bisher begrenzte Nutzung dieses Frequenzbereiches war der Mangel an geeigneten Quellen und Empfängern ("THz Lücke“). Der technologische Fortschritt in den letzten zwei Jahrzehnten erlaubt inzwischen eine gezielte Erzeugung solcher Strahlung sowohl von der Hochfrequenz- als auch von der Mikrowellenseite. Terahertzstrahlung kann optisch, elektronisch oder optoelektronisch generiert werden ^[1].

Eigenschaften

Die Terahertzstrahlung weist im Vergleich zur Infrarotstrahlung große Eindringtiefen für viele nichtleitende Materialien, wie etwa Kunststoffe, Polymere, Verbundmaterialien, Gewebe oder Keramiken auf. Die mögliche Eindringtiefe bei Tiefensondierungen liegt abhängig vom verwendeten Messsystem und zu untersuchenden Material im cm-Bereich ^[1]. Des Weiteren besitzt die THz-Technologie ein besseres räumliches Auflösungsvermögen (bis zu sub-Millimeter) als z.Bsp. die Mikrowellentechnologie. Dies ermöglicht den Einsatz von THz-Strahlung für die Untersuchung der inneren Struktur von Proben ^[2]. Durch polare Substanzen wie Wasser und elektrisch leitende Materialien (z.Bsp. Metalle) wird die THz-Strahlung jedoch stark absorbiert bzw. reflektiert, wodurch der Technologie für diese Stoffe Grenzen gesetzt sind ^[3]. Ein weiteres Merkmal ist, dass im Frequenzbereich der THz-Strahlung gewisse chemische Substanzen charakteristische Absorptionsmuster (sog. „Fingerprints“) aufweisen, die auf kollektive molekulare Anregungen zurückzuführen sind. Dies ermöglicht die Identifizierung und Charakterisierung von Substanzen mit Hilfe der THz-Spektroskopie ^[2] Zudem arbeitet die Terahertz Technologie berührungslos, wodurch kein Kontakt des Prüfkörpers mit einem Kopplungsmedium auftritt. Aufgrund der vergleichsweise niedrigen Energie von Terahertzstrahlung, im Bereich von wenigen Milli-Elektronenvolt, verursacht sie, im Gegensatz zur ebenfalls kontaktfrei arbeitenden Radiografie, keine Änderungen in der chemischen Struktur der zu prüfenden Materialien. Sie ist daher nicht ionisierend, für den Menschen unbedenklich und besondere Maßnahmen zum Strahlenschutz sind somit nicht notwendig ^[4]. Aus diesen Gründen birgt die THz-Technologie großes Potential für die berührungslose und zerstörungsfreie Materialuntersuchung und –charakterisierung ^[2].

Technologie

Kontinuierliche Terahertzstrahlung

Jeder Körper emittiert Wärmestrahlung, unter anderem auch im Terahertzbereich, weil es sich dabei um die typischen Frequenzen für Schwingungen in Molekülen handelt aber auch bestimmte Kristallschwingungen in diesem Frequenzbereich zu finden sind [6]. Da diese Strahlung inkohärent ist, muss ein solcher Sender als Rauschquelle betrachtet werden. Um die sehr geringen Rauschleistungen, die Körper gemäß dem Planckschen Strahlungsgesetz emittieren, detektieren zu können, werden hochempfindliche radiometrische Messgeräte eingesetzt ^[3]. Bei der Erzeugung von kohärenter Terahertzstrahlung kommen unterschiedlichste Sender zum Einsatz. Neben der Erzeugung von Terahertzleistung durch Frequenzvervielfachung oder Differenzfrequenzbildung von zwei Lasersignalen an nichtlinearen Bauelementen, existieren Quantenkaskadenlaser, Molekülgaslaser, Freie-Elektronen-Laser, optisch-parametrische Oszillatoren und Rückwärtswellenoszillatoren. Wird ein hoher Frequenz-Durchstimmbereich benötigt, kommen häufig Photomischer zum Einsatz, die die Differenzfrequenz zweier Laser in Wechselstrom umwandeln, welcher schließlich durch eine geeignete Antenne abgestrahlt wird ^[3].

Gepulste Terahertzstrahlung

Eine Vielzahl von THz-Messsystemen arbeitet mit gepulster, breitbandiger THz-Strahlung und zeitaufgelöstem Detektionsschema. Zur Anregung von gepulster THz-Strahlung wird oft ein Femtosekunden-Pulslaser verwendet. Laserpulse mit einer Dauer von einigen Femtosekunden (1fs = 10^-15 s) erzeugen in einem Emitter (Halbleitermaterial oder nichtlinear optische Materialien) Terahertzpulse im Pikosekundenbereich (1ps = 10^-12 s). Diese Terahertzpulse bestehen aus nur ein bis zwei Zyklen der elektromagnetischen Schwingung ^[3].

Die fs-Laserpulse werden durch einen Strahlteiler aufgeteilt. Ein Teil trifft auf den THz-Sender, welcher THz-Strahlung emittiert, die über Optiken auf die Probe fokussiert wird, diese durchdringt und anschließend vom Empfänger detektiert wird. Für eine zeitaufgelöste Detektion des THz-Signals wird der zweite Teil des Laserstrahls ebenfalls zum THz-Empfänger geleitet. Über Verschieben einer Verzögerungsstrecke im Laser-Strahlengang wird die zeitliche Verzögerung zwischen Anregung und Detektion variiert und so der THz-Puls zeitaufgelöst abgetastet ^[2]. Das vom Detektor kommende THz-Signal wird mittels Elektronik verstärkt, damit der THz-Puls anschließend digitalisiert am Computer angezeigt werden kann. Das THz-Spektrum ergibt sich durch die Fast Fourier Transformation (FFT) des zeitaufgelösten Signals. Aus der Phasen- und Amplitudeninformation können direkt die frequenzabhängigen optischen Konstanten (Brechungsindex, Absorptionskoeffizient) des Materials bestimmt werden ^[2]. Für das bildgebende Verfahren THz-Imaging wird die Probe zusätzlich lateral gerastert, ortsaufgelöst ausgewertet (Amplitude, Zeitverzögerung, spektrale Information) und dargestellt. Die erreichbare laterale Auflösung des THz-Strahls liegt dabei, bedingt durch die Wellenlängen der THz-Strahlung, im Millimeter-Bereich ^[2].

Anwendungen

Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung

Eine Anwendung der THz-Technologie im Bereich Materialuntersuchung stellt z. Bsp. die Untersuchung von Kunststoffen, Glasfaser-Verbundstoffen oder Keramiken dar. Dort können Defekte und Einschlüsse im Millimeterbereich im Inneren einer Probe detektiert werden und mittels bildgebender Verfahren Abbildungen im 2D-Format (Imaging) oder 3D-Format (Tomographie) dargestellt werden ^[5]. Des Weiteren sind Schichtdickenmessung, Feuchtebestimmung, Untersuchung von Klebeverbindungen und die Inspektion von verpackten und unverpackten Objekten möglich^[5]. Speziell die Ausnutzung der Polarisationseigenschaften der THz-Strahlung bietet die Möglichkeit, Information über Doppelbrechung und somit über Anisotropie bzw. Spannungen im Inneren von Materialien zu gewinnen, Größen, die mit anderen Methoden nur schwer zugänglich sind. Eine Anwendung ist die Analyse von Faserorientierungen in GFK-Materialien ^[2]. Reflektierende Werkstoffe wie Metalle und elektrisch leitende Werkstoffe wie CFK ermöglichen nur eine Inspektion der Oberfläche bzw. der aufgebrachten Schichten. Je nach Zugang zum Prüfkörper sind Messungen in Transmission (zweiseitiger Zugang) und Reflexion (einseitiger Zugang) möglich. Elektronische Systeme sind durch ihren robusten und langzeitstabilen Aufbau sowie einer bedienungsfreundlichen Benutzer- und Auswerteoberfläche bereits beim Schiffsbau oder Windrädern im Einsatz und eignen sich zur Echtzeit-Messung in industriellen Produktionsprozessen ^[5].

THz-Spektroskopie

Das Potential spektroskopischer THz-Messungen liegt in der Detektion und Analyse verschiedenartiger chemischer kristalliner Substanzen, wie Medikamente, Explosiva oder Nahrungszusatzstoffe. Insbesondere stellen Papier- und Kunststoffverpackungen kein Hindernis bei diesen Messungen dar und die Probe kann durch die Verpackung hindurch analysiert werden ^[2]. So können Aussagen über Reinheitsgrad, Polymorphie, Unterscheidung amorph/kristallin oder Ladungsträgermobilität und –konzentration in Halbleitern getroffen werden im Zuge zerstörungsfreier Materialcharakterisierung ^[5]. Zu beachten ist, dass polare Substanzen, wie z.Bsp. Wasser, starke Absorption für THz-Strahlung aufweisen und dies eine Einschränkung bei der Untersuchung von wasserhaltigen Substanzen wie biologischem Gewebe darstellt. Eine weitere Möglichkeit zur Materialcharakterisierung ist die Bestimmung des frequenzabhängigen Brechungsindex und Absorptionskoeffizienten, welche bei bekannter Probendicke direkt aus einer Messung bestimmt werden können ^[2].

Kommunikation

Drahtlose Kommunikation arbeitet typischerweise bei Trägerfrequenzen im Mikrowellenbereich. WLANs oder Mobilfunk erreichen Übertragungsraten von einigen 100 Mbit/s - prinzipiell sind ca. 10 Gbit/s möglich. Das Frequenzspektrum bis 275 GHz ist stark reguliert und bietet zu wenig ungenutzte Bandbreiten, um dem steigenden Bedarf in Zukunft gerecht zu werden. Die THz-Strahlung bietet sich an, weil Frequenzen zwischen 300 GHz und 1 THz bisher keiner Regulation unterliegen und höhere Trägerfrequenzen mit großen Bandbreiten (10-100 GHz) Übertragungsraten mit mehr als 100 Gbit/s ermöglichen ^[3].

Sicherheitstechnik

Die Terahertz Technologie erscheint für die Sicherheitskontrollen an Flughäfen vielversprechend zu sein: Die Strahlung durchdringt Kleidungsstücke und wird von der Haut reflektiert. Unter der Kleidung versteckte Waffen aus Metall, Keramik oder Plastik sind somit leicht zu erkennen. Die Auflösung ist ausreichend hoch, um die Gegenstände am Körper zu lokalisieren. Dabei macht man sich zunutze, dass viele Stoffe oberhalb von 500 GHz charakteristische Absorptionsspektren aufweisen. Die Herausforderungen einer möglichen Umsetzung sind folgende: Ab 500 GHz absorbiert die Atmosphäre deutlich stärker, an den Grenzflächen kommt es zu Reflexionen, in den Materialien kommt es zu Streuungsprozessen. Bei Stoffmischungen überlagern sich die Absorptionsspektren und die Identifikation wird erschwert^[3]. Weitere Anwendungen in der Sicherheitsbranche: Postsendungen könnten auf gefährliche oder verbotene Substanzen hin untersucht werden, Zusatzstoffe in Sprengstoffen könnten Rückschlüsse auf Herstellungsprozess liefern und helfen, deren Herkunft zu ermitteln. Zudem könnten Medikamente auf Echtheit durch die Verpackung hindurch und zerstörungsfrei überprüft werden, bzw. ob sich die Medikamente während der Lagerung verändert haben ^[3].

Biologie und Medizin

Der große Brechungsindex von organischem Gewebe im THz-Spektrum erlaubt sehr kontrastreiche Aufnahmen und kann konventionelle Aufnahmetechniken ergänzen. Ganzkörperscanner (analog zu CT oder MRT) sind jedoch nicht möglich, da die Strahlung bereits von der Haut absorbiert wird und den Körper nicht durchdringt. Zur Diagnose ist die Technik bei nicht-invasivem Einsatz auf die äußeren Organe beschränkt, mittels endoskopischer Sonden können jedoch innere Organe untersucht werden ^[3]. Bei operativen Eingriffen zur Entfernung von Tumorzellen kann die Grenze zwischen Tumorzellen und gesundem Gewebe sichtbar gemacht werden. Die Krebszellen unterscheiden sich von den gesunden Körperzellen durch ihren Wassergehalt. Für medizinische und biologische Anwendungen sind weitere Eigenschaften der THz-Strahlen interessant: Das THz-Spektrum liegt im Bereich vieler Vibrations- und Rotationsübergängen organischer Moleküle und eignet sich daher, zwischenmolekulare Bindungen von Molekülstrukturen in vivo zu untersuchen. Die dreidimensionale Molekülstruktur ist für viele biochemische Prozesse von großer Bedeutung ^[3].

Astronomie

Auch in der Astronomie eröffnet die Terahertzstrahlung neue Möglichkeiten. So misst beispielsweise die ESA auf diese Weise die Oberflächentemperatur der Erde. Auch der Nachweis von einfachen chemischen Verbindungen wie Kohlenstoffmonoxid, Wasser, Cyanwasserstoff und vielen anderen ist durch Messung der Emissionen, die bei Rotationsübergängen der Moleküle entstehen, im Terahertzbereich möglich. Deshalb sind Weltraumteleskope mit entsprechenden Instrumenten ausgerüstet ^[3].

Literatur

http://www.becker-photonik.de/foto/THzStrahlung.png, abgerufen am 23.8.2014.

http://wissenschaft.marcus-haas.de/technologie/terahertzwellen.html, abgerufen am 24.8.2014.

Einzelnachweise

1. http://www.ndt.net/article/dgzfp-irt-2013/papers/p1.pdf, abgerufen am 21.8.2014.
2. http://www.recendt.at/519_DEU_HTML.php?g_currMenuName=496, abgerufen am 27.8.2014.
3. http://de.wikipedia.org/wiki/Terahertzstrahlung, abgerufen am 22.8.2014.
4. http://www.becker-photonik.de/tera.html, abgerufen am 25.8.2014.
5. http://www.ipm.fraunhofer.de/de/Idee_Kompetenzen/terahertz.html, abgerufen am 26.8.2014.