Terahertzstrahlung

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Terahertzstrahlung

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Die Terahertzstrahlung, auch Submillimeterwellen genannt, ist eine elektromagnetische Welle und liegt im elektromagnetischen Spektrum zwischen der Infrarotstrahlung und den Mikrowellen.

Einordnung der Terahertzstrahlung im elektromagnetischen Spektrum zwischen Infrarot und Mikrowellen

Bei einer Wellenlänge kleiner als 1 mm (= 1000 µm) liegt ihr Frequenzbereich dementsprechend oberhalb 300 GHz. Die Grenzen sind nicht einheitlich definiert und liegen bei 0,3 THz bis 6 THz[1], 10 THz[2] und 30 THz[3].

Der Bereich der Terahertzstrahlung wird manchmal auch dem fernen Infrarot zugeordnet. Terahertzstrahlung liegt in dem Bereich, den Überlagerungsempfänger fast nicht mehr, optische Sensoren aber noch nicht abdecken, und ist deswegen Gegenstand intensiver Anwendungsentwicklungen geworden.

Eigenschaften

Da die Terahertzstrahlung 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. Der Nachweis breitbandiger gepulster Terahertzstrahlung erfolgt beispielsweise im Pump-Probe-Aufbau mit photoleitenden Antennen oder unter Ausnutzung des elektrooptischen Pockels-Effekts.[4] Mit Bolometern oder mit Golay-Zellen wird kontinuierliche Terahertzstrahlung nachgewiesen.[5]

Terahertzstrahlung durchdringt viele dielektrische Materialien, beispielsweise Papier, Kleidung oder Kunststoff sowie organisches Gewebe, wirkt jedoch aufgrund der geringen Photonenenergie – im Bereich von wenigen Milli-Elektronenvolt – nicht ionisierend. In diesem Energiebereich liegen viele Molekülrotationen, was die Terahertzstrahlung für die Spektroskopie sehr interessant macht, um spezifische Stoffe zu identifizieren. Wasser und andere polare Stoffe absorbieren die Strahlen und können sich hierdurch erwärmen. Terahertzstrahlung wird von Wasser stark abgeschwächt und von Metall reflektiert. Der Absorptionskoeffizient von Wasser bei 1 THz beträgt 230 cm−1.[6]

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 Pikosekundenbereich (1 ps = 10−12 s) erzeugen. Diese Terahertzpulse bestehen aus nur ein bis zwei Zyklen der elektromagnetischen Schwingung - durch elektrooptische Methoden können sie auch 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 Kristallen.

Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung

Da viele 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. Solche im medizinischen Bereich nicht-invasiv oder antidestruktiv genannten Methoden hätten bei Einsatz von Terahertzstrahlung gegenüber Röntgenstrahlung den Vorteil, dass Terahertzstrahlung keine Erbgutschäden verursacht, die bei der ionisierend wirkenden Röntgenstrahlung prinzipiell unvermeidlich sind.

Kommunikation

Drahtlose Kommunikation (vgl. Funknetz) arbeitet typischerweise bei Trägerfrequenzen im Mikrowellenbereich. WLANs oder Mobilfunk (LTE-Advanced) erreichen Übertragungsraten von einigen 100 Mbit/s - prinzipiell sind ca. 10 Gbit/s möglich.[7] Das Frequenzspektrum bis 275 GHz ist jedoch stark reguliert und bietet zu wenig ungenutzte Bandbreite, um dem steigenden Bedarf (Verdopplung alle 18 Monate.[8]) 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) arbeiten können und so Übertragungsraten mit mehr als 100 Gbit/s ermöglichen.[9] Es konnten bereits Datenraten von 24 Gbit/s bei 300 GHz[10] und 100 Gbit/s bei 237,5 GHz (auf 4 Kanälen)[11] demonstriert werden. Die Überlagerungsempfangs-Technik ermöglicht die Nutzung verschiedener Trägerfrequenzen unterhalb 1 THz und könnte für kommerzielle Richtfunk-Verbindungen mittelfristig von Interesse sein (für den Privatgebrauch sind diese Systeme derzeit noch zu groß und zu teuer). Der Wasserdampf in der Atmosphäre absorbiert jedoch die THz-Strahlen und begrenzt ihre Ausbreitung. Unterhalb von 1 THz befinden sich lediglich drei Frequenzfenster mit einer Dämpfung von weniger als 60 dB/km,[9] die für die Telekommunikation in Frage kämen. Jenseits von 1 THz steigt die Absorption (von Wasserdampf und anderen atmosphärischen Gasen[7]) in der Atmosphäre zu stark an, um diesen Bereich zu nutzen, geschweige denn, um Systeme mit hohen Datenraten umzusetzen. Diese Einschränkung definiert die möglichen Anwendungsbereiche.[12][9] Die Dämpfung in der Atmosphäre spielt bei Datenkommunikation in Innenräumen keine große Rolle und der Bedarf an höheren Bandbreiten steigt (u.a. HD-Videos, Streaming) ständig. Im Außenbereich sind die Anbindung von Haushalten an das Internet (letzte Meile) oder Backhaul-Links im Mobilfunkbereich denkbar. Eine weitere Möglichkeit ist die Kommunikation zwischen Satelliten oder eine satellitengestützte Internetverbindung für Flugzeuge. Die beschränkte Reichweite und die geringe Verbreitung von Empfängern könnte die Technik in Hinsicht auf Abhörbarkeit für militärische Zwecke interessant machen.[13]

Neben bisher (2014) fehlenden kompakten, leistungsfähigen und preiswerten Quellen und Empfängern müssen für eine breitere Anwendung die besonderen Eigenschaften der Terahertzstrahlung beachtet werden. In Gebäuden spielen Reflexionen an Oberflächen und Mehrschichtsystemen sowie Streuung eine größere Rolle als bei derzeit verwendeten Wellenlängen. Die starke Richtwirkung,[7][9] die bei gleichzeitig kleinen Antennen möglich ist, kann Vor- oder Nachteile haben.

Sicherheitstechnik

Die Sicherheitskontrollen an Flughäfen wurden nach Zwischenfällen in den letzten Jahren immer weiter verschärft und der Einsatz von auf Terahertzwellen basierenden Körperscannern verspricht, Kontrollen zu beschleunigen und zuverlässiger zu machen. Die Terahertzstrahlung scheint 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.[14] Die Auflösung ist ausreichend hoch, um die Gegenstände am Körper zu lokalisieren.

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.[15] Bisher waren Messungen jedoch häufig lediglich unter (idealisierten) Laborbedingungen erfolgreich: Absorptionsmessungen fanden in Transmission (gutes Signal-Rausch-Verhältnis), an reinen Stoffproben oder bei niedrigen Temperaturen (schärfere Spektren) statt. Die Herausforderungen einer möglichen Umsetzung sind folgende:[16] Ab 500 GHz absorbiert die Atmosphäre deutlich stärker, Kleidung ist zwar weitgehend transparent, aber an den Grenzflächen kommt es zu Reflexionen, in den Materialien kommt es zu Streuung. Bei mehreren Kleidungsschichten wird das Signal sehr schwach.[17] Bei Stoffmischungen überlagern sich die Absorptionsspektren und die Identifikation wird erschwert. Die Oberflächenstruktur beeinflusst zusätzlich das Reflexionsverhalten. Deshalb äußern sich viele Wissenschaftler[16] äußerst kritisch zu einer einfachen Umsetzung.

Neben den Körperscannern gibt es noch weitere Anwendungen in der Sicherheitsbranche, deren Umsetzung realistisch scheint.[15] 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 durch die Verpackung hindurch auf Echtheit und Veränderung während der Lagerung überprüft werden.

Das größte Hindernis ist derzeit (2014) das Fehlen von preiswerten, kompakten und durchstimmbaren THz-Quellen.[15]

Biologie und Medizin

Der große Brechungsindex von organischem Gewebe im THz-Spektrum[18] erlaubt sehr kontrastreiche Aufnahmen und kann konventionelle Aufnahmetechniken ergänzen. Die Strahlung ist nicht-ionisierend und kann gefahrlos für medizinische und biologische Anwendungen eingesetzt werden. Ganzkörperscanner (analog zu CT oder MRT) sind 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.

So zeigen erste Studien das Potenzial bei der Krebsfrüherkennung auf der Hautoberfläche oder mit Sonden bei Darm- oder Gebärmutterhalskrebs[19]. 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.[18]

Mit THz-Strahlen kann das Ausmaß einer Verbrennungskrankheit deutlich besser als mit gegenwärtigen Methoden der Verbrennungsdiagnostik bestimmt werden[20].

Für medizinische und biologische Anwendungen sind weitere Eigenschaften der THz-Strahlen interessant: Durch die kohärente Messung von Terahertzpulsen kann die Dicke einer Probe bestimmt werden, indem die Zeitverzögerung beim Durchlaufen der Probe gemessen wird. 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. Zu den Risiken der Terahertzstrahlung gibt es bereits erste Studien, wobei keine Änderungen des Erbguts festgestellt werden konnten.[18] Bedingt durch die ihre starke Absorption in Wasser kann es zu lokalen Erwärmungen kommen. An Zellkulturen konnte ein Einfluss auf enzymatische Prozesse beobachtet werden[21], dies lässt sich jedoch nicht unmittelbar auf den Menschen übertragen.

Astronomie

Auch in der Astronomie eröffnet die Terahertzstrahlung neue Möglichkeiten. 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, ist jedoch nicht mehr in Betrieb.

Zeitaufgelöste Messungen

Mittels Laseranregung (Femtosekundenpulse von Ti:Saphir-Lasern) von Halbleitern können Terahertzpulse im sub-Picosekundenbereich erzeugt werden[22]. Sie eignen sich daher zur Messung von physikalischen oder chemischen Prozessen auf dieser Zeitskala. Ein Beispiel ist die sogenannten Pump-Probe-Messung zur Untersuchung der Dynamik von Ladungsträgern in Halbleitern. Die Änderung der Transmission des Terahertzpulses wird gemessen in Abhängigkeit von der Zeit, die seit der Anregung verstrichen ist.

Literatur

  • Kiyomi Sakai: Terahertz optoelectronics. Springer, Berlin 2005, 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 0-521-81636-X.

Weblinks

Einzelnachweise

  1. ↑ http://www.ndt.net/article/dgzfp2010/Inhalt/di3b2.pdf Lars S. von Chrzanowski, Jörg Beckmann, Barbara Marchetti, Uwe Ewert, Ulrich Schade: „Terahertz-Strahlung – Möglichkeiten für die Zerstörungsfreie Prüfung von Flüssigkeiten“ in DGZfP-Jahrestagung 2010 - Di.3.B.2
  2. ↑ http://www.weltderphysik.de/gebiet/atome/elektromagnetisches-spektrum/terahertz-wellen/ Heinz-Wilhelm Hübers: „Terahertz-Wellen“, in Welt der Physik der Deutschen Physikalischen Gesellschaft e.V.
  3. ↑ https://www.mpg.de/10557881/terahertz-strahlung-quelle Tobias Kampfrath: „Terahertzstrahlung: Eine Quelle für sichere Lebensmittel“, in Forschung/Aktuelles der Web site der Max-Planck-Gesellschaft
  4. ↑ Ashish Y. Pawar, Deepak D. Sonawane, Kiran B. Erande, Deelip V. Derle: Terahertz technology and its applications. In: Drug Invention Today. Band 5, Nr. 2, 1. Juni 2013, S. 157–163, doi:10.1016/j.dit.2013.03.009 (sciencedirect.com [abgerufen am 18. Oktober 2016]).
  5. ↑ Introduction to THz Wave Photonics | Xi-Cheng Zhang | Springer. (springer.com [abgerufen am 18. Oktober 2016]).
  6. ↑ Adrian Dobroiu, Chiko Otani, Kodo Kawase: Terahertz-wave sources and imaging applications. In: Measurement Science and Technology. Band 17, Nr. 11, S. R161–R174, doi:10.1088/0957-0233/17/11/r01 (iop.org).
  7. ↑ 7,0 7,1 7,2 Ho-Jin Song: Present and Future of Terahertz Communications. In: IEEE Transaction on Terahertz Science and Technology, Vol. 1, No. 1. September 2011, S. 256–263, doi:10.1109/TTHZ.2011.2159552.
  8. ↑ S. Cherry: Edholm's Law of Bandwidth. In: IEEE Spectrum, Vol. 41, No. 7. 2004, S. 58–60.link.
  9. ↑ 9,0 9,1 9,2 9,3 Radoslaw Piesiewicz u. a.: Short-Range Ultra-Broadband Terahertz Communications: Concepts and Perspectives. In: IEEE Antennas and Propagation Magazine, Vol. 49, No. 6. Dezember 2007, S. 24–39, doi:10.1109/MAP.2007.4455844.
  10. ↑ H.-J. Song, K. Ajito, Y. Muramoto, A. Wakatsuki, T. Nagatsuma, N. Kukutsu: 24 Gbit/s data transmission in 300 GHz band for future terahertz communications. In: Electronic Letters, Vol. 48, No. 15. Juli 2012, S. 953–954, doi:10.1049/el.2012.1708.
  11. ↑ S. Koenig, D. Lopez-Diaz, J. Antes, F. Boes, R. Henneberger, A. Leuther, A. Tessmann, R. Schmogrow, D. Hillerkuss, R. Palmer, T. Zwick, C. Koos, W. Freude1, O. Ambacher, J. Leuthold, I. Kallfass: Wireless sub-THz communication system with high data rate. In: Nature Photonics. 13. Oktober 2012, doi:10.1038/nphoton.2013.275.
  12. ↑ Michael J. Fitch, Robert Osiander: Terahertz Waves for Communications and Sensing. In: Johns Hopkins APL Technical Digest, Vol. 25, No. 4. 2004, S. 348–355. link (PDF; 782 kB)
  13. ↑ Martin Koch: Terahertz Communications: A 2020 vision. In: Terahertz Frequency Detection and Identification of Materials and Objects. 2007, S. 325–338. doi:10.1007/978-1-4020-6503-3_18 (zurzeit nicht erreichbar)
  14. ↑ Roger Appleby: Standoff Detection of Weapons and Contraband in the 100 GHz to 1 THz Region. November 2007, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 55, No. 11, S. 2944–2956, doi:10.1109/TAP.2007.908543. link (PDF-Datei; 4,38 MB)
  15. ↑ 15,0 15,1 15,2 A. Giles Davis u. a.: Terahertz spectroscopy of explosives and drugs. In: Materials Today. Vol. 11, No. 3, März 2007, S. 18–26. link (PDF; 621 kB)
  16. ↑ 16,0 16,1 Michael C. Kemp: Explosives Detection by Terahertz Spectroscopy - A Bridge Too Far? September 2011, IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology, Vol. 1, No. 1, S. 282–292, doi:10.1109/TTHZ.2011.2159647.
  17. ↑ C. Baker u. a.: People screening using terahertz technology, Proc. SPIE, vol. 5790. 2005, S. 1–10. link (PDF-Datei; 567 kB)
  18. ↑ 18,0 18,1 18,2 Siegel: Terahertz technology in biology and medicine. In: Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on, Vol. 52, No. 10. 204, S. 2438–2447, doi:10.1109/TMTT.2004.835916.
  19. ↑ Yu u. a.: The potential of terahertz imaging for cancer diagnosis: A review of investigations to date. In: Quantitative Imaging in Medicine and Surgery, Vol. 2, No. 1. 2012, S. 33–45, doi:10.3978/j.issn.2223-4292.2012.01.04.
  20. ↑ Tewari u. a.: In vivo terahertz imaging of rat skin burns. In: Journal of Biomedical Optics, Vol. 17, No. 4. April 2012, S. 040503, doi:10.1117/1.JBO.17.4.040503.
  21. ↑ Wilmink u. a.: Invited Review Article: Current State of Research on Biological Effects of Terahertz Radiation. In: Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, Vol. 32, No. 10. 2011, S. 1074–1122, doi:10.1007/s10762-011-9794-5.
  22. ↑ http://www.pro-physik.de/details/articlePdf/1108825/issue.html Harald Gießen: „Schnappschuss im Halbleiter“, in Physik Journal 1 (2002) Nr. 1, Seite 18f
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