Deutsches Terahertz-Zentrum e.V.

Einführung und Überblick



Einführung

Der Terahertz (THz)-Spektralbereich deckt Frequenzen zwischen 100 GHz und 10 THz ab und wird auch als Fernes Infrarot bezeichnet. In diesem Wellenlängenbereich gab es lange Zeit keine künstlichen Quellen neben der natürlichen thermischen Strahlung. Mit elektronischen Verfahren kann die niederfrequente Seite abgedeckt werden. Auf der hochfrequenten Seite gibt es leistungsstarke Infrarotlaser. Der THz-Frequenzbereich liegt also technisch im Grenzbereich zwischen Elektronik und Optik.

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Abb. 1: Das elektromagnetische Spektrum wird in verschiedene Bereiche eingeteilt. Für spektroskopische Untersuchungen wird vornehmlich Terahertz und höherfrequente Strahlung eingesetzt. Ausgewählte Anwendungen sind für die unterschiedlichen Spektralbereiche bildhaft dargestellt.

Mit Hilfe moderner optischer Methoden, die auf Ultrakurzpulslasern und/oder nichtlinearen optischen Verfahren beruhen, ist es möglich, THz-Strahlung in dieser Frequenzlücke zu erzeugen und empfindlich nachzuweisen. Ein technischer Durchbruch erfolgte mit der Verfügbarkeit von Femtosekunden-(fs) Lasern. In Verbindung mit der Zeitbereichsspektroskopie (engl.: time-domain spectroscopy, TDS) steht durch den kohärenten Nachweis ein leistungsstarkes Messverfahren selbst bei Raumtemperatur zur Verfügung. Die meisten spektroskopischen Materialuntersuchungen werden mit diesem Verfahren durchgeführt, aber auch andere Ansätze wie Zwei-Frequenz-Mischung mit Dauerstrich (engl.: continuous wave, cw) Lasern und Frequenzvervielfachung von elektronischen Quellen werden intensiv verfolgt. Inzwischen werden THz-Systemkomponenten immer zuverlässiger, kostengünstiger und handlicher, wodurch sich weitere Anwendungen erschließen.

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Abb. 2: Faser basierte THz-Messköpfe für Zeitbereichsspektroskopie (engl.: Time-Domain Spectroscopy, TDS)

Millimeter- und Mikrowellen auf der langwelligen Seite des THz-Spektralbereichs werden seit geraumer Zeit als etablierte Messtechnik für bildgebende Verfahren eingesetzt, insbesondere wegen der hohen Eindringtiefe in dielektrische Strukturen wie etwa Kunststoffe, Kleidung, Keramik und Faserverbundwerkstoffe. Allerdings ist das räumliche Auflösungsvermögen durch die große Wellenlänge begrenzt. Auflösbare Strukturen liegen in der Regel im Zentimeterbereich. Spektrale Absorptionen von technisch relevanten Molekülen, pharmazeutischen Wirkstoffen und chemischen Gefahrstoffen werden in diesem Frequenzbereich nicht beobachtet, so dass hier keine Substanzidentifizierung erfolgen kann.

Der kurzwelligere Infrarotbereich dagegen ist für seine spektroskopisch signifikanten Aussagen bekannt. Charakteristische Molekülschwingungen lassen sich bei verschiedensten Substanzen nachweisen. Jedoch lässt sich die Infrarot-Strahlung gerade unter Verpackungen oder in stark streuenden Umgebungen wegen zu hoher Dämpfung nicht einsetzen.

Die THz-Strahlung vereinigt die beiden Vorteile der angrenzenden Spektralbereiche, die hohe Durchdringung dielektrischer Materialien und die spektrale Selektivität. Diese Kombination ist der Grund für das große Interesse an der technischen Nutzung dieses Frequenzbereiches, zum Beispiel in der Prozess- und Qualitätskontrolle sowie im Sicherheitsbereich. Ein weiterer wichtiger Aspekt für den Einsatz von THz-Wellen ist die Tatsache, dass aufgrund der geringen Photonenenergie THz-Wellen nicht ionisierend sind, im Gegensatz zur Röntgenstrahlung, die in der industriellen Bildverarbeitung häufig eingesetzt wird. Somit sind keine aufwendigen Strahlenschutzmaßnahmen erforderlich, und die Integration in industrielle Anwendungen wird vereinfacht.

Metalle und andere leitende Materialien sind für THz-Wellen nahezu ideale Reflektoren. Polare Flüssigkeiten wie Wasser absorbieren THz-Wellen sehr stark, weshalb das Eindringvermögen in wasserhaltige Proben sehr gering ist. Ebenso verhindert eine hohe Luftfeuchte Freistrahl-THz-Messungen in einem Abstand von mehreren Metern. Im Umkehrschluss ermöglicht die THz-Messtechnik die genaue Restfeuchtebestimmung in hydrophilen Proben.

 

Terahertz-Zeitbereich-Spektroskopie

Erzeugung und Nachweis

Anwendungen von THz-Strahlung

veröffentlicht am 24. August 2016 durch