Terahertzstrahlung

Die Terahertzstrahlung, auch Submillimeterwellen genannt, liegt im elektromagnetischen Spektrum zwischen der Infrarot- und der Mikrowellenstrahlung. Bei einer Wellenlänge kleiner als 1 mm und größer als 10µm liegt der Frequenzbereich bei 300GHz bis 10THz. Sie liegt im Grenzbereich, den RF-Heterodyn-Empfänger fast nicht mehr, optische Sensoren aber noch nicht abdecken.

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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 Infrarot-Frequenzbereich. Hauptprobleme im Terahertz-Frequenzbereich sind die Herstellung von Sendern und Empfängern. Kompakte und kostengünstige Sender mit ausreichender Ausgangsleistung stehen heute noch nicht so zur Verfügung, wie sie für niedrigere Frequenzen im Mikrowellenbereich oder höhere Frequenzen im Infrarotbereich vorhanden sind. Auch die Empfängertechnik bedarf weiterer Entwicklung, um mit empfindlicheren Empfängern noch schwächere Signale detektieren zu können.

Terahertzstrahlung durchdringt viele Materialien und auch biologisches Gewebe, wirkt jedoch aufgrund der geringen Energie ihrer Photonen (diese bewegt sich im Bereich von wenigen Millielektronenvolt) nicht ionisierend. Sie erwärmt jedoch, ähnlich wie Mikrowellen, bestimmte Stoffe und wird unter anderem von Wasser und verschiedenen Metallen absorbiert, weshalb einigen Anwendungen Grenzen gesetzt sind (beispielsweise durch die Luftfeuchtigkeit).

Technologie

Kontinuierliche Terahertzstrahlung

Jeder Körper emittiert Wärmestrahlung, unter anderem auch im Terahertz-Bereich. 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 Terahertz-Strahlung kommen unterschiedlichste Sender zum Einsatz. Neben der Erzeugung von Terahertz-Leistung durch Frequenzvervielfachung (z. B. mit Hilfe von GaAs-Schottky-Dioden) oder Differenzfrequenzbildung von zwei Lasersignalen an nichtlinearen Bauelementen, existieren Quantenkaskadenlaser, Molekülgaslaser, Freie-Elektronen-Laser, optisch-parametrische Oszillatoren und Rückwärtswellenoszillatoren.

Gepulste Terahertzstrahlung

Ultrakurze Laserpulse mit einer Dauer von einigen Femtosekunden (1 fs = 10^-15 s) können in Halbleitern oder nichtlinear optischen Materialien Terahertz-Pulse im Picosekundenbereich (1 ps = 10^-12 s) erzeugen. Diese THz-Pulse 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 wird häufig zur Untersuchung von Phononen in kristallinen Festkörpern verwendet. Aber auch Gase, Flüssigkeiten und amorphe Festkörper werden mit Terahertzstrahlung spektroskopisch untersucht.

Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung

Da viele alltägliche Materialien wie Papier, Kunststoffe oder Keramiken für Terahertzstrahlung durchlässig sind, andere wie Metalle oder Wasser aber nicht, sind Terahertz-Abbildungen komplementär zu anderen Methoden wie optischen oder Röntgen-Bildern. Zudem ist es möglich, auch spektroskopische Information räumlich aufgelöst zu erhalten. Dadurch ist es möglich z. B. Defekte im Inneren eines Körpers sichtbar zu machen und zu vermessen, ohne diesen zerstören zu müssen (nicht-invasive (meistens im medizinischen Bereich) bzw. antidestruktive Methode).

Sicherheitstechnik

Materialien wie Drogen oder Sprengstoff können durch verschlossene Briefumschläge oder versiegelte Plastikbeutel hindurch identifiziert werden. Seit 2005 werden auf ausgewählten Flughäfen Terahertz-Messgeräte zur Untersuchung von Personen getestet (Kleider werden transparent) – Terahertzfotografie steht hier im Gegensatz zur Röntgenstreuung, die gestreute „weiche“ Röntgenstrahlung zur Abbildung verwendet. Der große Unterschied bei der Anwendbarkeit besteht in der Risikoabschätzung gegenüber dem Einsatz von ionisierender Strahlung im Falle der Röntgentechnik.

Biologie und Medizin

In Biologie und Medizin wird ausgenutzt, dass Terahertz-Strahlung den Wassergehalt einer Probe abbildet, zum Beispiel zur Unterscheidung zwischen Tumoren und gesundem Gewebe (unterschiedlicher Wassergehalt). Auf diese Art kann auch das Ausmaß einer Verbrennung ermittelt werden. Diese Anwendung ist besonders interessant, da bisher nur sehr begrenzte Methoden zur Verbrennungsdiagnostik existieren. Durch die kohärente Messung von Terahertz-Pulsen kann darüber hinaus die Dicke einer Probe bestimmt werden, indem die Zeitverzögerung gemessen wird, die der Puls beim Durchlaufen der Probe erfahren hat. Diese hier erwähnten Abbildungsmethoden sind zum größten Teil erst Laboranwendungen. Erste kommerzielle Geräte sind zwar erhältlich, haben sich in der Praxis aber noch nicht durchgesetzt.

Astronomie

    Auch in der Astronomie eröffnet die Terahertzstrahlung neue Möglichkeiten. So misst beispielsweise die ESA bereits auf diese Weise die Oberflächentemperatur der Erde.

Zeitaufgelöste Messungen

Terahertz-Pulse haben oft eine Dauer von weniger als einer Picosekunde (1 ps = 10^-12 s) 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 Terahertz-Pulses 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.