Anwendungen
Die meisten Anwendungen erschließen sich aus den spezifischen Eigenschaften der Terahertzwellen. Im Folgenden seien die wichtigsten Anwendungen genannt.
Spektroskopie: Terahertzspektroskopie ist eine der ältesten Anwendungen von Terahertzwellen. Da viele Substanzen, insbesondere Gase aber auch eine Reihe von Feststoffen aufgrund scharfer Resonanzen deutlich besser im THz-Bereich identifizierbar sind als im Sichtbaren oder Infraroten, sind Terahertzwellen interessant für eine Reihe von Anwendungen, wie in den Bereichen Medizin (Atemgasanalyse), Umwelttechnik (Nachweis und Konzentrationsbestimmung von umweltschädlichen Stoffen) und Sicherheitstechnik (Identifikation von Drogen und Sprengstoffen). Spektroskopische Techniken werden in einigen der nachfolgenden Anwendungen eingesetzt.
Astronomie: Historisch fanden (und finden) viele Anwendungen in der Radioastronomie statt. Hierfür gibt es v.a. zwei Gründe:
1.) Die kosmische Hintergrundstrahlung (oft auch als Mikrowellenhintergrund bezeichnet) liegt zu großen Teilen im THz-Bereich. Der Spitze des Spektrums liegt bei etwa 160 GHz (entsprechend 2.725 K). Somit waren Grundlagenforscher seit der Postulation der kosmischen Hintergrundstrahlung an THz-Messungen derselben interessiert.
2.) Viele aus Sicht der Grundlagenforschung interessante Bereiche des Universums sind für sichtbares Licht oder Röntgenstrahlung nicht oder nur sehr begrenzt einsehbar. Dies inkludiert insbesondere stellare Nebel, dem Entstehungsort vieler Sterne. Aufgrund der Rayleigh-Streuung, welche mit der vierten Potenz der Frequenz zunimmt, wird sichtbares Licht ca. eine Milliarde mal stärker gestreut als THz Licht. Bei Röntgenstrahlung ist dies noch ausgeprägter. THz-Wellen hingegen gewähren einen Blick in diese interessanten Bereiche des Weltalls. In Kombination mit Spektroskopie können zudem eine Reihe von Substanzen in diesen Nebeln identifiziert werden, unter anderem auch Vorstufen von organischen Substanzen. Auch Gebiete hinter stellaren Nebeln können mit sichtbarem Licht bzw. Röntgenstrahlung nicht oder nur unzureichend kartographiert bzw. vermessen werden.
Sicherheitstechnik und Bildgebung: Aufgrund ihrer Eigenschaft, Verdecktes sichtbar zu machen, ist die THz-Messtechnik für den Sicherheitsbereich vielversprechend. Damit lassen sich Gegenstände wie Sprengstoffe oder Drogen unter Kleidung bzw. in nicht metallischen Behältern nachweisen. Für die Personenkontrolle werden zwei unterschiedliche Ansätze parallel verfolgt: passive und aktive THz-Systeme, die sich darin unterscheiden, ob die natürliche THz-Strahlung oder eine künstliche THz-Quelle zum Einsatz kommt. Bei passiven Verfahren wird die von Körper ausgesendete oder reflektierte Strahlung mit Hilfe sehr empfindlicher Detektoren, meist auf Basis von kryogenen Mikrobolometern, nachgewiesen. Dem Vorteil der Vermeidung von künstlicher Beleuchtung und der damit verbundenen Strahlenschutzproblematik steht der Nachteil der sehr geringen Signalstärke gegenüber. Bei den aktiven Verfahren wird die zu untersuchende Person oder der zu untersuchende Gegenstand mit künstlich erzeugten THz-Wellen beleuchtet und das reflektierte (bei Personen) oder transmittierte Licht (oft bei Gegenständen) detektiert. Hier sind die erreichbaren Signale deutlich größer, sofern in direkter Reflexion gearbeitet wird. Prinzipiell können aktive Bildgebungsmethoden zur spektroskopischen Bildgebung erweitert werden. Da für spektroskopische Aufnahmen für jeden Pixel ein Spektrum, also Messungen bei vielen verschiedenen Frequenzen, aufgenommen werden muss, sind solche Bilder i.d.R. deutlich zeitaufwändiger.
Zerstörungsfreie Prüfung: Die zerstörungsfreie Prozess- und Qualitätskontrolle umfasst alle Industriebranchen. Keramiken und Kunststoffbasierte Werkstücke, wie z.B. mehrwandige Plastikrohre, sind meist für THz-Strahlung verlustarm und eignen sich daher für die THz-Inspektion. Diese Proben können im Hinblick auf Risse und Einschlüsse oder auf homogene Verteilung von Additiven (Füll- und Verstärkungsstoffe, Flammschutzmittel,…) untersucht werden. Verschiedene Teile aus faserverstärkten Kunststoffen wurden in der Vergangenheit untersucht, so. z.B. die Außenhülle eines Radardoms im Hinblick auf Delaminationen der unterschiedlichen Schichten und auf mögliche Wassereinlagerungen. Unterschiedliche Produkte wie Tabletten oder Flugzeugteile werden zum Schutz oder zur Funktionsverbesserung mit Beschichtungen versehen. Die THz-Technik wurde auch hier bereits zur Untersuchung eingesetzt. Zusätzlich zur Dicke der Tablettenbeschichtung konnte aufgrund der spektroskopischen Informationen sogar die Inhaltsstoffverteilung angegeben werden. Im modernen Gerätebau werden anstelle von Metallteilen immer mehr Kunststoffkomponenten verwendet. Deren Vermessung wurde mittels THz-Wellen bereits mehrfach erfolgreich demonstriert. Auch in der Lebensmittelindustrie ist es von entscheidender Bedeutung, Fremdteile zu detektieren. Während leitende Verunreinigungen sehr empfindlich mit Metalldetektoren nachgewiesen werden können, steht für isolierende Körper bisher nur die Röntgentechnik zur Verfügung. Aufgrund der Strahlenschutzproblematik wird versucht, diese durch THz-Technik zu ersetzen.
Kommunikation: Aufgrund des exponentiell zunehmenden Datenverkehrs und somit des Datendurchsatzes müssen neue Möglichkeiten zur Datenübertragung erschlossen werden. Eine schlichte Verbesserung der Signalgüte (Dynamikbereich) ist auf Dauer nicht ausreichend. Es müssen neue Frequenzbänder erschlossen werden, welche bisher nicht für Kommunikationszwecke verwendet werden. Aus diesem Grunde strebt die Kommunikationstechnologie zu immer höheren Frequenzen. Eine höhere Trägerfrequenz führt zu einer größeren Bandbreite. Ein Beispiel ist die Evolution deutscher Mobilfunknetze: Im A-Netz (Inbetriebnahme 1958) wurde eine Trägerfrequenz von 156-174 MHz für einige tausend Nutzer verwendet. Im C-Netz (seit 1984, 1G) wird 450 – 465 MHz genutzt. Die Trägerfrequenz des D-Netzes (seit 1991, 2G) liegt bei etwa 900 MHz. Die UMTS-Frequenzbänder (3G, seit 2004) befinden sich um 2 GHz. LTE/LTE+ (seit 2010, 4G) umfasst prinzipiell eine Reihe von Bändern zwischen 400 MHz und 5.9 GHz. In Deutschland werden aber nur einige der Bänder zwischen 800 MHz und 2.6 GHz kommerziell genutzt. Der Nachfolgestandard 5G soll zuzüglich zu Bändern zwischen 600 MHz-6 GHz mit Frequenzen oberhalb von 24 GHz ergänzt werden.