Die Terahertzstrahlung liegt imelektromagnetischen Spektrumzwischen der Infrarot- und derMikrowellenstrahlung.

TerahertzstrahlungDie Terahertzstrahlung, auch Submillimeterwellen genannt, liegt imelektromagnetischen Spektrum zwischen der Infrarot- und derMikrowellenstrahlung. Sie wird manchmal auch dem fernen Infrarotzugerechnet. Bei einer Wellenlänge kleiner als 1 mm (= 1000 µm) und größerals 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 fastnicht mehr, aber optische Sensoren noch nicht abdecken.

Inhaltsverzeichnis [Verbergen] 1 Eigenschaften2 Technologie

2.1 Kontinuierliche Terahertzstrahlung2.2 Gepulste Terahertzstrahlung

3 Anwendungen3.1 Spektroskopie3.2 Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung3.3 Kommunikation3.4 Sicherheitstechnik3.5 Biologie und Medizin3.6 Astronomie3.7 Zeitaufgelöste Messungen

4 Literatur5 Weblinks6 Einzelnachweise

Eigenschaften [Bearbeiten]

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, derklassisch von der Mikrowellentechnik erschlossen wurde, und dem Infrarotfrequenzbereich. Das Hauptproblem derNutzung des Terahertz-Frequenzbereichs ist die Herstellung von Sendern und Empfängern. Kompakte undkostengünstige Sender mit ausreichender Ausgangsleistung stehen heute noch nicht zur Verfügung. Auch dieEmpfängertechnik bedarf weiterer Entwicklung, um mit empfindlicheren Empfängern noch schwächere Signaledetektieren zu können. Mit einer Golay-Zelle kann man Terahertzstrahlung nachweisen.

Terahertzstrahlung durchdringt viele Materialien wie Papier oder Kunststoff sowie organisches Gewebe, wirkt jedochaufgrund der geringen Photonenenergie – im Bereich von wenigen Milli-Elektronenvolt – nicht ionisierend. In diesemEnergiebereich liegen viele Molekülrotationen, was die Terahertzstrahlung für die Spektroskopie sehr interessantmacht, um spezifische Stoffe zu identifizieren. Wasser, andere polare Stoffe und Metalle absorbieren die Strahlen undkönnen sich hierdurch erwärmen. Anwendungen vor allem im Bereich der Medizin und Biologie sind durch die starkeWasserabsorption Grenzen gesetzt, selbst eine hohe Luftfeuchtigkeit stellt für einige Anwendungen eineHerausforderung dar.

Technologie [Bearbeiten]

Kontinuierliche Terahertzstrahlung [Bearbeiten]

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 Körpergemäß dem Planckschen Strahlungsgesetz emittieren, detektieren zu können, werden hochempfindlicheradiometrische 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 derErzeugung von Terahertzleistung durch Frequenzvervielfachung (meist mit Hilfe von GaAs-Schottky-Dioden) oderDifferenzfrequenzbildung von zwei Lasersignalen (beispielsweise von Distributed Feedback Lasern) an nichtlinearenBauelementen, existieren Quantenkaskadenlaser, Molekülgaslaser, Freie-Elektronen-Laser, optisch-parametrischeOszillatoren und Rückwärtswellenoszillatoren. Wird ein hoher Frequenz-Durchstimmbereich benötigt, kommen häufig

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Terahertzstrahlung – Wikipedia 27.04.2014

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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 einegeeignete Antenne abgestrahlt wird.

Siehe auch: Dember-Effekt, Bloch-Oszillationen und Gunndiode

Gepulste Terahertzstrahlung [Bearbeiten]

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

Anwendungen [Bearbeiten]

Spektroskopie [Bearbeiten]

Terahertz-Spektroskopie untersucht Substanzen mit schwachen Bindungen, beispielsweiseWasserstoffbrückenbindungen, oder Bindungen mit schweren Bindungspartnern, beispielsweise kollektive Anregungvon Atomverbänden, das sind Phononen in Kristallen.

Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung [Bearbeiten]

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 oderRöntgenbilder. Zudem ist es möglich, auch spektroskopische Informationen räumlich aufgelöst zu erhalten. Dadurchist es möglich Defekte im Inneren eines Körpers sichtbar zu machen und zu vermessen, ohne diesen zerstören zumüssen, auch nicht-invasive (meist im medizinischen Bereich) oder antidestruktive Methode genannt.

Kommunikation [Bearbeiten]

Drahtlose Kommunikation spielt heute in vielen Lebensbereichen eine große Rolle (vgl. Funknetz) und arbeitettypischerweise bei Trägerfrequenzen im Mikrowellenbereich. WLANs oder Mobilfunk (LTE-Advanced) erreichenÜbertragungsraten von einigen 100 Mbit/s - prinzipiell sind ca. 10 Gbit/s möglich [1]. Das Frequenzspektrum bis 275GHz ist stark reguliert und bietet zu wenig ungenutzte Bandbreiten, um dem steigenden Bedarf (Verdopplung alle 18Monate [2]) in Zukunft gerecht zu werden.

Die THz-Strahlung bietet sich an, weil Frequenzen zwischen 300 GHz und 1 THz bisher keiner Regulation unterliegenund höhere Trägerfrequenzen mit großen Bandbreiten (10-100 GHz) Übertragungsraten mit mehr als 100 Gbit/sermöglichen [3]. In wissenschaftlichen Experimenten konnten bereits Datenraten von 24 Gbit/s bei 300 GHz [4] und100 Gbit/s bei 237,5 GHz (auf 4 Kanälen) [5]gezeigt werden. Die Heterodyning-Technik ermöglicht die Nutzungverschiedener Trägerfrequenzen unterhalb 1 THz und könnte für kommerzielle Richtfunk-Verbindungen mittelfristigvon Interesse sein. Für den Privatgebrauch sind diese Systeme noch zu groß und zu teuer.

Der Wasserdampf in der Atmosphäre absorbiert die THz-Strahlen und begrenzt ihre Ausbreitung. Unterhalb von 1THz befinden sich jedoch drei Frequenzfenster mit einer Dämpfung von weniger als 60 dB/km [3], die für dieTelekommunikation genutzt werden können. Jenseits von 1 THz steigt die Absorption (von Wasserdampf und anderenatmosphärischen Gasen[1]) in der Atmosphäre zu stark an, um Systeme mit hohen Datenraten umzusetzen. DieseEinschränkung definiert die möglichen Anwendungsbereiche [6],[3]: Die Dämpfung in der Atmosphäre spielt beiDatenkommunikation 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) oderBackhaul-Links im Mobilfunkbereich denkbar. Eine weitere Möglichkeit ist die Kommunikation zwischen Satelliten odereine satellitengestützte Internetverbindung für Flugzeuge. Die beschränkte Reichweite und die geringe Verbreitungvon Empfängern könnte die Technik in Hinsicht auf Abhörbarkeit für militärische Zwecke interessant machen [7].

Neben der Verfügbarkeit von kompakten, leistungsfähigen und preiswerten Quellen und Empfängern müssen diebesonderen Eigenschaften der Terahertzstrahlung genauer untersucht werden. In Gebäuden spielen Reflexionen anOberflächen und Mehrschichtsystemen sowie Streuprozessen eine große Rolle. In der starken Richtungsabhängigkeit[1] [3] - vor allem bei optimierten Antennen - unterscheiden sich die Submillimeter- von den Mikrowellen.

Sicherheitstechnik [Bearbeiten]

Die Sicherheitskontrollen an Flughäfen wurden nach Zwischenfällen in den letzten Jahren immer weiter verschärft undder Einsatz neuer Sicherheitstechniken verspricht Kontrollen zu beschleunigen und zuverlässiger zu machen. DieTerahertzstrahlung erscheint für diese Zwecke vielversprechend zu sein: Die Strahlung durchdringt Kleidungsstückeund wird von der Haut reflektiert. Unter der Kleidung versteckte Waffen aus Metall, Keramik oder Plastik sind somitleicht zu erkennen.[8] Die Auflösung ist ausreichend hoch, um die Gegenstände am Körper zu lokalisieren. DerWikipedia-Artikel über Körperscanner beschreibt den Einsatz verschiedener Testgeräte weltweit.

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Bei der Suche nach Sprengstoffen oder Drogen könnten unbekannte Stoffe am Körper oder in Behältnissenidentifiziert werden, da sie oberhalb von 500 GHz charakteristische Absorptionsspektren aufweisen.[9] Bisher wurdendie Messungen häufig unter Laborbedingungen durchgeführt, d.h. unter idealisierten Bedingungen:Absorptionsmessungen in Transmission (gutes Signal-Rausch-Verhältnis), reine Stoffproben oder bei niedrigenTemperaturen (schärfere Spektren). Die Herausforderungen einer möglichen Umsetzung sind folgende:[10] Ab 500GHz absorbiert die Atmosphäre deutlich stärker, Kleidung ist zwar weitgehend transparent, aber an den Grenzflächenkommt es zu Reflexionen, in den Materialien kommt es zu Streuungsprozessen. Bei mehreren Kleidungsschichten wirddas Signal sehr schwach.[11] Bei Stoffmischungen überlagern sich die Absorptionsspektren und die Identifikation wirderschwert. Die Oberflächenstruktur beeinflusst zusätzlich das Reflexionsverhalten. Deshalb äußern sich vieleWissenschaftler[10] äußerst kritisch zu einer einfachen Umsetzung.

Neben den Körperscannern gibt es noch weitere Anwendungen in der Sicherheitsbranche, deren Umsetzungeinfacher ist.[9] Postsendungen könnten auf gefährliche oder verbotene Substanzen hin untersucht werden,Zusatzstoffe in Sprengstoffen könnten Rückschlüsse auf Herstellungsprozess liefern und helfen, deren Herkunft zuermitteln. Medikamente könnten auf Echtheit überprüft werden, bzw. ob sich die Medikamente während der Lagerungverändert haben (durch die Verpackung hindurch).

Das größte Hindernis ist derzeit das Fehlen von preiswerten, kompakten und durchstimmbaren THz-Quellen.[9]

Biologie und Medizin [Bearbeiten]

Der große Brechungsindex von organischem Gewebe im THz-Spektrum[12] erlaubt sehr kontrastreiche Aufnahmenund kann konventionelle Aufnahmetechniken ergänzen. Die Strahlung ist nicht-ionisierend und kann gefahrlos fürmedizinische und biologische Anwendungen eingesetzt werden. Ganzkörperscanner (analog zu CT oder MRT) sindnicht möglich, da die Strahlung bereits von der Haut absorbiert wird und den Körper nicht durchdringt. Zur Diagnoseist die Technik bei nicht-invasivem Einsatz auf die äußeren Organe beschränkt, mittels endoskopischer Sondenkönnen jedoch innere Organe untersucht werden.

So zeigen erste Studien das Potenzial bei der Krebsfrüherkennung auf der Hautoberfläche oder mit Sonden beiDarm- oder Gebärmutterhalskrebs [13]. Bei operativen Eingriffen zur Entfernung von Tumorzellen kann die Grenzezwischen Tumorzellen und gesundem Gewebe sichtbar gemacht werden. Die Krebszellen unterscheiden sich von dengesunden Körperzellen durch ihren Wassergehalt[12].

Mit THz-Strahlen kann das Ausmaß einer Verbrennungskrankheit deutlich besser als mit gegenwärtigen Methodender Verbrennungsdiagnostik bestimmt werden [14].

Für medizinische und biologische Anwendungen sind weitere Eigenschaften der THz-Strahlen interessant: Durch diekohärente Messung von Terahertzpulsen kann die Dicke einer Probe bestimmt werden, indem die Zeitverzögerungbeim Durchlaufen der Probe gemessen wird. Das THz-Spektrum liegt im Bereich vieler Vibrations- undRotationsübergängen organischer Moleküle und eignet sich daher, zwischenmolekulare Bindungen vonMolekülstrukturen in vivo zu untersuchen. Die dreidimensionale Molekülstruktur ist für viele biochemische Prozessevon großer Bedeutung. Zu den Risiken der Terahertzstrahlung gibt es bereits erste Studien, wobei keine Änderungendes Erbguts festgestellt werden konnten [12]. Bedingt durch die ihre starke Absorption in Wasser kann es zu lokalenErwärmungen kommen. An Zellkulturen konnte ein Einfluss auf enzymatische Prozesse beobachtet werden [15], dieslässt sich jedoch nicht unmittelbar auf den Menschen übertragen.

Astronomie [Bearbeiten]

Auch in der Astronomie eröffnet die Terahertzstrahlung neue Möglichkeiten. So misst beispielsweise die ESA aufdiese Weise die Oberflächentemperatur der Erde. Auch der Nachweis von einfachen chemischen Verbindungen wieKohlenstoffmonoxid, Wasser, Cyanwasserstoff und vielen anderen ist durch Messung der Emissionen, die beiRotationsübergängen der Moleküle entstehen, im Terahertzbereich möglich. Solche Instrumente (beispielsweiseGerman Receiver for Astronomy at Terahertz Frequencies, Great) sollen in das fliegende Teleskop SOFIA eingebautwerden. Auch das Weltraumteleskop Herschel ist mit entsprechenden Instrumenten ausgerüstet.

Hintergrundstrahlung für

T = 2,725 K

Wärmestrahlung eines

Körpers mit Erdtemperatur von

T = 287 K

1,5-THz-Breitband-Spiralantenne für dieAstronomie

Zeitaufgelöste Messungen [Bearbeiten]

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Terahertzpulse haben oft eine Dauer von weniger als einer Picosekunde und eignen sich daher zur Messung vonphysikalischen oder chemischen Prozessen auf dieser Zeitskala. Dazu wird das zu untersuchende Material durcheinen ebenso kurzen Laserpuls angeregt. Die Änderung der Transmission des Terahertzpulses wird gemessen inAbhängigkeit 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 [Bearbeiten]

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 UniversityPress, Cambridge 2002, ISBN 978-0-5218-1636-6.

Weblinks [Bearbeiten]

Marcus Haas: Kurzer Überblick . Bremen, siehe „Neue Technologien“Kurzer anwendungsbezogener Überblick . Fraunhofer-Institut an der TU KaiserslauternApplied Competence Cluster (ACC) Terahertz an der Ruhr-Uni BochumTHz-Zentrum (TerZ) an der U Regensburg (engl.)H. Bolivar: Anwendungspotenzial in der Medizin - Uni Siegen

Einzelnachweise [Bearbeiten]

1. ↑ a b c Ho-Jin Song: Present and Future of Terahertz Communications. September 2011, S. 256-263,doi:10.1109/TTHZ.2011.2159552 .

2. ↑ S. Cherry: Edholm's Law of Bandwidth. 2004, S. 58-60.link3. ↑ a b c d Radoslaw Piesiewicz et al.: Short-Range Ultra-Broadband Terahertz Communications: Concepts and

Perspectives. Dezember 2007, S. 24-39, doi:10.1109/MAP.2007.4455844 .4. ↑ Song, H.-J.; Ajito, K.; Muramoto, Y.; Wakatsuki, A.; Nagatsuma, T.; Kukutsu, N.: 24 Gbit/s data transmission in

300 GHz band for future terahertz communications. Juli 2012, S. 953-954, doi:10.1049/el.2012.1708 .5. ↑ 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-THzcommunication system with high data rate. 13. Oktober 2012, doi:10.1038/nphoton.2013.275 .

6. ↑ Michael J. Fitch and Robert Osiander: Terahertz Waves for Communications and Sensing. 2004, S. 348-355.link (PDF; 782 kB)

7. ↑ Martin Koch: Terahertz Communications: A 2020 vision. 2007, S. 325-338, doi:10.1007/987-1-4020-6503-3_18 .

8. ↑ 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)

9. ↑ a b c A. Giles Davis et al: Terahertz spectroscopy of explosives and drugs. März 2007, S. 18-26. link (PDF;621 kB)

10. ↑ a b 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 .

11. ↑ C. Baker et al: People screening using terahertz technology, Proc. SPIE, vol. 5790. 2005, S. 1-10. link(PDF-Datei; 567 kB)

12. ↑ a b c Siegel: Terahertz technology in biology and medicine. 204, S. 2438-2447,doi:10.1109/TMTT.2004.835916 .

13. ↑ Yu et al.: The potential of terahertz imaging for cancer diagnosis: A review of investigations to date. 2012,S. 33-45, doi:10.3978/j.issn.2223-4292.2012.01.04 .

14. ↑ Tewari et al.: In vivo terahertz imaging of rat skin burns. April 2012, S. 040503,doi:10.1117/1.JBO.17.4.040503 .

15. ↑ Wilmink et al.: Invited Review Article: Current State of Research on Biological Effects of Terahertz Radiation.2011, S. 1074-1122, doi:10.1007/s10762-011-9794-5 .

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