Terahertzstrahlung


Terahertzstrahlung

Die Terahertzstrahlung liegt im elektromagnetischen Spektrum zwischen der Infrarot- und der Mikrowellenstrahlung.

Die Terahertzstrahlung, auch Submillimeterwellen genannt, liegt im elektromagnetischen Spektrum zwischen der Infrarot- und der Mikrowellenstrahlung. Bei einer Wellenlänge kleiner als 1 mm (=1000 µm) und größer als 100 µm liegt der Frequenzbereich bei 300 GHz (3×1011 Hz) bis 3 THz (3×1012 Hz). Sie liegt im Grenzbereich, den RF-Heterodyn-Empfänger fast nicht mehr, aber optische Sensoren noch nicht abdecken.

Eigenschaften

Da die Terahertzstrahlung, die manchmal auch dem fernen Infrarot zugerechnet wird, lange nicht oder nur sehr eingeschränkt nutzbar war, sprach man auch von der Terahertz-Lücke im elektromagnetischen Spektrum. Diese Bandlücke befindet sich zwischen dem Frequenzbereich, der klassisch von der Mikrowellentechnik erschlossen wurde, und dem Infrarotfrequenzbereich. Das Hauptproblem der Nutzung des Terahertz-Frequenzbereichs ist die Herstellung von Sendern und Empfängern. Kompakte und kostengünstige Sender mit ausreichender Ausgangsleistung stehen heute noch nicht zur Verfügung. Auch die Empfängertechnik bedarf weiterer Entwicklung, um mit empfindlicheren Empfängern noch schwächere Signale detektieren zu können. Mit einer Golay-Zelle kann man Terahertzstrahlung nachweisen.

Terahertzstrahlung durchdringt viele Materialien und auch biologisches Gewebe, wirkt jedoch aufgrund der geringen Energie ihrer Photonen – im Bereich von wenigen Milli-Elektronenvolt – nicht ionisierend. Sie erwärmt jedoch, ähnlich wie Mikrowellen, bestimmte Stoffe und wird unter anderem von Wasser und verschiedenen Metallen absorbiert. Daher sind einigen Anwendungen Grenzen gesetzt, schon durch die Luftfeuchtigkeit.

Technologie

Kontinuierliche Terahertzstrahlung

Jeder Körper emittiert Wärmestrahlung, unter anderem auch im Terahertzbereich. 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. Radiometer können dabei sowohl ungekühlt, als auch gekühlt (meist auf 4 K) aufgebaut werden. Bei gekühlten Radiometern wird meist auf supraleitende Mischerelemente wie Bolometer oder SIS-Mischer zurückgegriffen. Bei ungekühlten Radiometern können auch GaAs-Schottky-Dioden zum Einsatz kommen.

Bei der Erzeugung von kohärenter Terahertzstrahlung kommen unterschiedlichste Sender zum Einsatz. Neben der Erzeugung von Terahertzleistung durch Frequenzvervielfachung (meist mit Hilfe von GaAs-Schottky-Dioden) oder Differenzfrequenzbildung von zwei Lasersignalen (beispielsweise von Distributed Feedback Lasern) an nichtlinearen Bauelementen, existieren Quantenkaskadenlaser, Molekülgaslaser, Freie-Elektronen-Laser, optisch-parametrische Oszillatoren und Rückwärtswellenoszillatoren. Wird ein hoher Frequenz-Durchstimmbereich benötigt, kommen häufig Photomischer (Low-Temperature-Grown GaAs, Uni-travelling-Carrier Photodioden, n-i-pn-i-p-Übergitter-Photodioden) zum Einsatz, die die Differenzfrequenz zweier Laser in Wechselstrom umwandeln, welcher schließlich durch eine geeignete Antenne abgestrahlt wird.

Gepulste Terahertzstrahlung

Ultrakurze Laserpulse mit einer Dauer von einigen Femtosekunden (1 fs = 10−15 s) können in Halbleitern oder nichtlinear optischen Materialien Terahertzpulse im Picosekundenbereich (1 ps = 10−12 s) erzeugen. Diese Terahertzpulse bestehen aus nur ein bis zwei Zyklen der elektromagnetischen Schwingung. Durch elektrooptische Methoden können sie auch kohärent, das heißt zeitaufgelöst, gemessen werden.

Anwendungen

Spektroskopie

Terahertz-Spektroskopie untersucht Substanzen mit schwachen Bindungen, beispielsweise Wasserstoffbrückenbindungen, oder Bindungen mit schweren Bindungspartnern, beispielsweise kollektive Anregung von Atomverbänden, das sind Phononen in Kristallinen.

Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung

Da viele alltägliche Materialien wie Papier, Kunststoffe oder Keramiken für Terahertzstrahlung durchlässig sind, andere wie Metalle oder Wasser aber nicht, ergänzen Terahertzabbildungen andere Methoden wie optische oder Röntgenbilder. Zudem ist es möglich, auch spektroskopische Informationen räumlich aufgelöst zu erhalten. Dadurch ist es möglich Defekte im Inneren eines Körpers sichtbar zu machen und zu vermessen, ohne diesen zerstören zu müssen, auch nicht-invasive (meist im medizinischen Bereich) oder antidestruktive Methode genannt.

Sicherheitstechnik

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Die Sicherheitskontrollen an Flughäfen wurden nach Zwischenfällen in den letzten Jahren immer weiter verschärft und der Einsatz neuer Sicherheitstechniken verspricht Kontrollen zu beschleunigen und zuverlässiger machen. Die Terahertzstrahlung erscheint für diese Zwecke 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[1]. Die Auflösung ist ausreichend hoch, um die Gegenstände am Körper zu lokalisieren. Der Wikipedia-Artikel über Körperscanner beschreibt den Einsatz verschiedener Testgeräte weltweit.

Bei der Suche nach Sprengstoffen oder Drogen könnten unbekannte Stoffe am Körper oder in Behältnissen identifiziert werden, da sie oberhalb von 500 GHz charakteristische Absorptionsspektren aufweisen[2]. Bisher wurden die Messungen häufig unter Laborbedingungen durchgeführt, d.h. unter idealisierten Bedingungen: Absorptionsmessungen in Transmission (gutes Signal-Rausch-Verhältnis), reine Stoffproben oder bei niedrigen Temperaturen (schärfere Spektren). Deshalb werden in einem Artikel [3] die Herausforderungen einer möglichen Umsetzung erörtert: Ab 500 GHz absorbiert die Atmosphäre deutlich stärker, Kleidung ist zwar weitgehend transparent, aber an den Grenzflächen kommt es zu Reflektionen, in den Materialien kommt es zu Streuungsprozessen. Bei mehreren Kleidungsschichten [4] wird das Signal sehr schwach. Bei Stoffmischungen überlagern sich die Absorptionsspektren und die Identifikation wird erschwert. Die Oberflächenstruktur beeinflusst zusätzlich das Reflexionsverhalten. Deshalb äußern sich die Autoren äußerst kritisch [3] über eine einfach Umsetzung.

Neben den Körperscannern gibt es noch weitere Anwendungen in der Sicherheitsbranche, deren Umsetzung einfacher umzusetzen ist [2]. Postsendungen könnten auf gefährliche oder verbotene Substanzen hin untersucht werden, Zusatzstoffe in Sprengstoffen könnten Rückschlüsse auf Herstellungsprozess liefern und helfen, deren Herkunft zu ermitteln. Medikamente könnten auf Echtheit überprüft werden, bzw. ob sich die Medikamente während der Lagerung verändert haben (durch die Verpackung hindurch).

Das größte Hindernis ist derzeit das Fehlen von preiswerten, kompakten und durchstimmbaren THz-Quellen[2].

Biologie und Medizin

In Biologie und Medizin wird genutzt, dass Terahertzstrahlung den Wassergehalt einer Probe abbildet, um beispielsweise Tumore von gesundem Gewebe zu unterscheiden. Auf diese Art kann auch das Ausmaß einer Verbrennungskrankheit ermittelt werden, wofür bisher nur sehr begrenzte Methoden zur Verbrennungsdiagnostik existierten. Durch die kohärente Messung von Terahertzpulsen kann die Dicke einer Probe bestimmt werden, indem die Zeitverzögerung gemessen wird, die der Puls beim Durchlaufen der Probe erfahren hat. Diese Abbildungsmethoden sind zum größten Teil erst Laboranwendungen. Erste kommerzielle Geräte sind zwar erhältlich, haben sich in der Praxis aber noch nicht durchgesetzt. Mit dem Z106 können Nervenzellen gezielt beeinflusst werden, so sind die inneren Haarzellen manipulierbar (Cochlear Überbrückung, VG-Köln).

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. Solche Instrumente (beispielsweise German Receiver for Astronomy at Terahertz Frequencies, Great) sollen in das fliegende Teleskop SOFIA eingebaut werden. Auch das Weltraumteleskop Herschel ist mit entsprechenden Instrumenten ausgerüstet.

Zeitaufgelöste Messungen

Terahertzpulse haben oft eine Dauer von weniger als einer Picosekunde und eignen sich daher zur Messung von physikalischen oder chemischen Prozessen auf dieser Zeitskala. Dazu wird das zu untersuchende Material durch einen ebenso kurzen Laserpuls angeregt. Die Änderung der Transmission des Terahertzpulses wird gemessen in Abhängigkeit von der Zeit, die seit der Anregung verstrichen ist. Ein wichtiges Beispiel für diese sogenannten Pump-Probe-Messungen ist die Untersuchung der Dynamik von Ladungsträgern in Halbleitern.

Literatur

  •  Kiyomi Sakai: Terahertz optoelectronics. Springer, Berlin 2005, ISBN ISBN 3-540-20013-4.
  •  Daniel Mittleman: Sensing with Terahertz radiation. Springer, Berlin 2003, ISBN 3-540-43110-1.
  •  George H. Rieke: Detection of Light: From the Ultraviolet to the Submillimeter. 2. Auflage. Cambridge University Press, Cambridge 2002, ISBN 978-0-5218-1636-6.

Weblinks

Einzelnachweise

  1. Roger Appleby, Standoff Detection of Weapons and Contraband in the 100 GHz to 1 THz Region, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 55, No. 11, pages 2944-2956, November 2007, DOI: 10.1109/TAP.2007.908543
  2. 2,0 2,1 2,2 A. Giles Davis et al, Terahertz spectroscopy of explosives and drugs, Materials Today, Vol. 11, No. 3, pages 18-26, March 2007
  3. 3,0 3,1 Michael C. Kemp, Explosives Detection by Terahertz Spectroscopy - A Bridge Too Far?, IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology, Vol. 1, No. 1, pages 282-292, September 2011, DOI: 10.1109/TTHZ.2011.2159647
  4. C. Baker et al, People screening using terahertz technology, Proc. SPIE, vol. 5790, Pages 1-10, 2005