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Forschungsprojekte

Terahertz-Wellen: Schnittstelle zwischen Elektronik und Optik

Zwischen den Mikrowellen und der Infrarot-Strahlung liegt ein Teil des elektromagnetischen Spektrums, dessen Anwendungsmöglichkeiten bisher kaum bekannt sind: Terahertz-Wellen. Das Wort "tera" ist dabei eine Vorsilbe, die für die große Frequenz von 10^12 Schwingungen pro Sekunde (= Hertz) steht. Diese Strahlung mit Wellenlängen zwischen 30 µm und 3 mm zeichnet sich durch recht ungewöhnliche Eigenschaften aus. Mit Hilfe moderner optischer Methoden kann diese jedoch effizient erzeugt und empfindlich nachgewiesen werden, wodurch sich neue Möglichkeiten in der technischen Nutzung und in der Grundlagenforschung eröffnen.

 

 

Einführung und Überblick

Der Terahertz (THz)-Spektralbereich, der Frequenzen zwischen 100 GHz und 10 THz abdeckt, wurde vormalig als Fernes Infrarot bezeichnet. In diesem Wellenlängenbereich gab es lange Zeit keine künstlichen Quellen neben der natürlichen thermischen Strahlung. Im Zuge der Erschließung durch elektronische Verfahren konnte die niederfrequente Seite um 90 GHz abgedeckt werden. Auf der hochfrequenten Seite gibt es leistungsstarke Infrarotlaser. Der THz-Frequenzbereich liegt also technisch im Grenzbereich zwischen Elektronik und Optik.

<b>Abb. 1:</b> 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.

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 war die Verfügbarkeit von Femtosekunden-(fs) Lasern. In Verbindung mit der Zeitbereichsspektroskopie (engl.: time-domain spectroscopy, TDS) war durch den kohärenten Nachweis ist ein leistungsstarkes Messverfahren selbst bei Raumtemperatur verfügbar. Die meisten breitbandigen Materialuntersuchungen werden mit diesen 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.

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

Millimeter- und Mikrowellen auf der langwelligen Seite der THz-Strahlung 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 Faserverbundstoffe. 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 diese beiden wichtigen Vorteile, 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, wie sie 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 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

Das Verfahren der Terahertz Zeitbereichs-Spektroskopie (engl.: terahertz time-domain spectroscopy, THz-TDS) hat maßgeblich zum Fortschritt der THz-Wissenschaften in der letzten Dekade beigetragen. Es arbeitet nach dem Pump-Probe-Prinzip. Dabei wird ein Femtosekundenpuls in zwei Teile aufgeteilt, wobei jeweils Einer zur Erzeugung und der Andere zur Detektion verwendet wird. Durch deren relative zeitliche Verzögerung kann der THz-Puls abgetastet werden. Mittels kohärentem Nachweis wird das elektrische Feld detektiert, also die THz-Welle in Amplitude und Phase erfasst. Dies ermöglicht durch eine Fourier-Analyse des aufgenommenen THz-Signals spektral breitbandige Aussagen über die zu untersuchende Probe zu treffen. Durch den kohärenten Nachweis wird trotz der geringen mittleren THz-Leistung standardmäßig ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis von besser 1000:1 erreicht.

<b>Abb. 3:</b> Auswertemethoden an einem THz-Puls: Laufzeit, Amplitude, Spektrum

In einer typischen Messanordnung wird der erzeugte THz-Puls nach der Reflexion an einer Probe bzw. nach der Transmission durch die Probe gemessen und mit dem Eingangspuls (Referenz) verglichen. Zur Auswertung werden primär die Messgrößen Amplitude, Verzögerung und Spektrum genutzt. Die Änderung der Amplitude gibt Auskunft über die Probenbeschaffenheit wie Porosität, Absorption, Dicke und Homogenität. Die optische Dicke der Probe (Brechungsindex n mal geometrischer Dicke d) verzögert den THz-Puls beim Durchgang durch die Probe. Durch Mehrfachreflexionen innerhalb der Probe können zusätzliche Echopulse auftreten, die abhängig von der Probendicke mehr oder weniger überlagert sind. Die Feldoszillationen im Anschluss an den Hauptpuls beinhalten die spektralen Informationen der Probe, die durch eine Fourier-Transformation der zeitlichen Wellenform zugänglich sind. Im vorliegenden Fall sind die Absorptionslinien des in der Luft befindlichen Wasserdampfes zu sehen.

 

 

Erzeugung und Nachweis von THz-Strahlung

Die Entwicklung von THz-Quellen und Detektoren nimmt in der THz-Forschung eine Schlüsselstellung ein. Letztlich kann die THz-Technik nur dann breite Anwendungsgebiete erschließen, wenn leistungsfähige, kostengünstige und kompakte Systeme zur Erzeugung und zum Nachweis von THz-Strahlung vorhanden sind. Das zeigt sich auch darin, dass das Interesse an der THz-Forschung ab den 1990ern erst durch die Entwicklung leistungsfähiger THz-Quellen initialisiert wurde. Seitdem wurde eine Fülle neuartiger THz-Quellen entwickelt, die weitgehend in zwei Klassen eingeteilt werden können, nämlich Quellen kontinuierlicher THz-Strahlung eines engen Frequenzbandes sowie Quellen ultrakurzer THz-Pulse großer Bandbreite.

Kontinuierliche THz-Strahlung kann sowohl elektronisch als auch optisch erzeugt werden. Die elektronischen Quellen haben großes Potential für kostengünstige, kompakte Quellen, arbeiten aber nur im unteren THz-Bereich bzw. überschreiten die THz-Schranke nur mit sehr geringer Ausgangsleistung.  Optische Quellen sind zum Beispiel THz-Gaslaser, Frequenzmischung in Halbleitern oder durch Laser gepumpte nichtlineare Kristalle.  Letztere nutzen nichtlineare Prozesse basierend auf der Erzeugung von Differenzfrequenzen zweier Laser sichtbaren Lichts oder des nahen Infrarots. Leider ist es immer noch technologisch schwierig, kontinuierliche THz-Strahlung quantitativ und präzise zu detektieren.

Die Klasse gepulster THz-Quellen andererseits hat in diesem Punkt den entscheidenden Vorteil, dass die dazugehörigen Detektoren nur sehr kurze Zeiten „offen“ sein müssen, so dass nur ein sehr geringer Teil der Hintergrundstrahlung den Detektor beeinflusst. Typische Tastverhältnisse sind 10000:1. Gepulste THz-Quellen werden in der Regel durch Lichtpulse ultraschneller Femtosekunden-Laser angeregt. Die Laserpulse werden entweder mit Hilfe der elektro-optischen Konversion in nichtlinearen Materialien, z.B. in dielektrischen Kristallen oder auf Halbleiteroberflächen, für die Erzeugung und den Nachweis von THz-Pulsen genutzt, oder sie werden zum Pumpen von photoleitenden Schaltern eingesetzt. Diese sind diejenigen Komponenten, die anfangs der 1990er das seitdem andauernde Interesse an der THz-Strahlung einleiteten. Sie sind auch heute noch besonders leistungsfähige Quellen und Detektoren für THz-Strahlung. Daher werden diese im Folgenden ausführlich vorgestellt.

Ein typischer THz-Puls besitzt eine Länge von ca. einer Pikosekunde und besteht aus nur einem einzelnen Zyklus. Dieser Puls wird zeitabhängig abgetastet. Die so erhaltene Wellenform kann mittels Fourier-Transformation in den Frequenzraum übertragen werden. Man erhält dadurch ein breitbandiges Spektrum. Für Pumppulse mit einer Länge von 100 fs sind Frequenzen zwischen 100 GHz und 4 THz detektierbar. Zusätzlich bietet die Femtosekunden-Zeitbereichsspektroskopie den Vorteil, dass die Phase der Strahlung genau definiert ist und nicht nur bis auf Vielfache von 360° gemessen werden kann. Dadurch kann man mittels Laufzeitmessungen den Brechungsindex von durchstrahlter Materie direkt bestimmen, sowie Dickenmessungen durchführen, was bei der Bildaufnahme mit THz-Strahlung vielfältige Möglichkeiten eröffnet.

<b>Abb. 4:</b> Arbeitsbereich

Photoleitende Schalter bzw. Antennen sind Leiterbahnstrukturen auf Halbleitern mit niedriger elektrischer Leitfähigkeit (hoher Dunkelwiderstand). Im Zentrum der Antennenstruktur befindet sich eine Lücke, so dass die beiden Elektroden der Antenne elektrisch gegeneinander isoliert sind. Bei Verwendung der photoleitenden Antenne als Sender werden die Elektroden elektrisch vorgespannt, so dass über der Lücke ein elektrisches Feld der Größenordnung 106 V/m anliegt, ohne dass jedoch ein nennenswerter Strom fließt. Wird nun ein Laserpuls geeigneter Wellenlänge in diese Lücke fokussiert, so erzeugt dieser Puls Ladungsträger, und es fließt ein Strom zwischen den Elektroden der Antenne. Er fließt so lange, wie Ladungsträger existieren, also zunächst über die Dauer des Laserpulses hinweg bis zum Abschluss der Ladungsträgerrekombination. Dieser zeitlich schnell veränderliche Strompuls in der Antenne führt zur Abstrahlung eines elektromagnetischen Pulses, dessen Maximalfrequenz durch den Kehrwert der Zeitkonstanten gegeben ist. Durch die Form der Antenne und deren Abstrahlcharakteristik kann das erzeugte Spektrum weiter beeinflusst werden. Um die Ladungsträgerlebensdauer klein zu halten, werden spezielle Halbleiterschichten verwendet wie z.B. bei tiefen Temperaturen gewachsenes Galliumarsenid (LT-GaAs) oder strahlengeschädigtes Silizium auf Saphir (RD-SOS). Photoleitende Antennen sind gewissermaßen Transistoren, die statt durch ein elektronisches Gate durch einen Lichtpuls geschaltet werden. Eine räumliche Bündelung der THz-Strahlung erreicht man durch Einsatz von Siliziumlinsen, die sich in direktem Kontakt mit dem Halbleiter befinden.

Beim Nachweis wird zwischen inkohärenter und kohärenter Detektion unterschieden. Beim den inkohärenten Verfahren wird eine Leistung der absorbierten Strahlung ermittelt („Powermeter“). Bei der kohärenten Detektion wird das elektrische Feld mit der dazugehörigen Phase der THz-Strahlung gemessen, wodurch eine sehr hohe Sensitivität zu erreichen ist.

 

<b>Abb. 5:</b> THz-Sender und THz-Empfänger

Ein kohärenter THz-Nachweis ist etwa unter Einsatz von heterodynen Verfahren möglich. Hierbei wird das Signal einer lokalen Quelle, die eine Frequenz nahe dem zu detektierenden Signal aufweist, mit dem nachzuweisenden Signal gemischt, um eine Signalverstärkung durch die entstehende Interferenz zu erreichen. Als Detektor wird ein direkter Empfänger benutzt, der ausreichend schnell ist, um der Feldoszillation zu folgen.

Die meisten kohärenten Nachweisverfahren basieren auf opto-elektronischen Methoden. Der große Vorteil dieser Techniken liegt darin, dass trotz der verhältnismäßig geringen mittleren THz-Leistung von ungefähr 1 µW eine extrem große Empfindlichkeit bei Raumtemperatur erzielt werden kann.

Analog zur Erzeugung von THz-Strahlung können photoleitende Schalter auch zum Nachweis verwendet werden, jedoch ersetzt man die Spannungsquelle durch ein empfindliches Amperemeter. Ein Strom fließt nur dann, wenn ein Laserpuls Ladungsträger erzeugt und diese gleichzeitig durch ein elektrisches Feld beschleunigt werden. Bei dem anliegenden elektrischen Feld handelt es sich um den einfallenden THz-Puls. Dieser ist (wegen der Abstrahlcharakteristik des Senders und ggf. Streueffekten in einer Probe) typischerweise länger als die Lebensdauer der Ladungsträger im Empfänger. Somit kann man sagen, dass im Empfänger derjenige Teil des THz-Pulses zu sehen ist, der gleichzeitig mit dem schaltenden Laserpuls eintrifft. Indem man nun die Ankunftszeit des THz-Pulses und des Laserpulses gegeneinander verzögert, kann man unterschiedliche Teile des THz-Pulses abtasten bzw. die THz-Wellenform Stück für Stück abrastern. Die Verzögerung geschieht mit einer Verschiebeeinheit über eine Verlängerung des Lichtweges auf der Sender- oder Empfängerseite. Dabei wird eine Zeitauflösung besser als 10 fs erreicht, wofür die Verzögerungsstrecke auf ca. 1 μm genau positioniert sein muss. Der vom Hub abgefahrene Weg kann mehr als 10 cm betragen, womit man dann eine hohe Frequenzauflösung unter 1 GHz erreicht.

Das elektro-optische Detektionsverfahren nutzt die Abhängigkeit der Doppelbrechung in einem Kristall von einem externen elektrischen Feld aus (Pockels Effekt). Der Brechungsindexellipsoid eines geeigneten Kristalls wird durch den THz-Puls verändert. Überlappt der Laserpulses räumlich und zeitlich mit der induzierten Doppelbrechung, wird seine Polarisation beim Durchgang geändert. Häufig verwendete Kristalle sind Zinktellurid (ZnTe) und Galliumphosphid (GaP). Durch die Kristalldicke können die Empfindlichkeit und die Nachweisbandbreite angepasst werden.

 

<b>Abb. 6:</b> Skizze eines typischen Versuchsaufbaus mit PL-Antennen

 

Die Komponenten eines THz-TDS Systems zeigt Abb. 6. Man erkennt den Laser, die Verzögerungsachse sowie photoleitende Antennen als Sender und Empfänger. Oft wird der senderseitige Laserstrahl periodisch moduliert, um Rauschen zu unterdrücken (Lock-in Technik). Zur Fokussierung der THz-Strahlung auf den Empfänger werden meist Parabolspiegel verwendet. Zusätzliche Linsen werden in der Anordnung eher vermieden, weil dort unerwünschte Reflexionen an den Linsenoberflächen auftreten. Soll nur ein kleiner räumlicher Bereich der Probe untersucht werden, kann man mit einem weiteren Satz Parabolspiegel einen Fokus erzeugen. Wird in einem solchen Aufbau die Probe zusätzlich rasterförmig senkrecht zur Strahlrichtung bewegt, kann man die Apparatur bereits zur Bildaufnahme mittels THz-Strahlung verwenden (THz-Imaging).

 

 

Anwendungen von THz-Strahlung

Viele technisch-orientierte Untersuchungen wurden mit Hilfe von THz-Messtechnik bereits durchgeführt. Grob teilt man diese in zerstörungsfreie Materialprüfung, in medizinisch-biologische Anwendungen sowie in Anwendungen in der Sicherheitstechnik ein. Mit THz-Wellen lassen sich chemische Verbindungen analysieren und Moleküle zu charakteristischen Rotationen und Schwingungen anregen. Die Liste der bereits untersuchten Proben umfasst fast alle Materialklassen einschließlich Halbleiter, Polymere, Biomoleküle, pharmazeutische Wirkstoffe, Drogen und Sprengstoffe. In den meisten technischen Anwendungen wird ein bildgebendes Verfahren gefordert, da Proben in ihrer Fläche nach untersucht und die Messergebnisse entsprechend ortsaufgelöst dargestellt werden müssen. Dafür kommen neben der rasternden Bildgebung entweder mehr-dimensionale Detektoren in Form von Antennen-Arrays oder eine CCD-Kamera mit entsprechenden elektrooptischen Kristallen zum Einsatz.

Aufgrund ihrer Eigenschaft, Verdecktes sichtbar zu machen, ist die THz-Messtechnik für den Sicherheitsbereich sehr interessant. Damit lassen sich Gegenstände wie z.B. Sprengstoffe oder Drogen unter Kleidung bzw. in nicht metallischen Behältern nachweisen. Für die Personenkontrolle werden zwei unterschiedliche Ansätze dabei parallel verfolgt: passive und aktive THz-Systeme, die sich darin unterscheiden, ob die natürliche THz-Strahlung verwendet wird oder eine künstliche THz-Quelle zum Einsatz kommt. Bei passiven Verfahren wird die von Körper ausgesendete oder reflektierte natürliche Strahlung mit Hilfe sehr empfindlicher Detektoren, meist auf Basis von Mikrobolometern, nachgewiesen. In diesem Fall sind keine spektroskopischen Aussagen möglich, d.h. man erhält keine Informationen über das Material der versteckten Objekte. 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 mit künstlich erzeugten THz-Wellen beleuchtet und das reflektierte Licht detektiert. Hier sind die erreichbaren Signale deutlich größer, sofern in direkter Reflexion gearbeitet wird, und nicht nur gestreute Signale zur Detektion kommt. Zur spektroskopischen Bildaufnahme ist eine große Dynamik des THz-Systems notwendig. Durch die Wellenlängenänderung der zur Beleuchtung eingesetzten THz-Strahlung oder durch breitbandige Quellen kann man prinzipiell spektroskopische Informationen erhalten. Neben Personen können auch andere Objekte wie Pakete und Briefe untersucht werden.

<b>Abb. 7:</b> Links: Foto eines Briefumschlages mit metallischem Inhalt und einer Plastiktüte gefüllt mit Laktose. Darüber wurde da gemessene THz-Transmissionsbild gelegt. Rechts: Aus dem Datensatz berechnete frequenzabhängige Transmission. Rot: Briefumshlag; Blau: Plastiktüte gefüllt mit Laktose

Die Verfügbarkeit einer einfachen Detektion bei gleichzeitiger Identifizierung von Biomolekülen (DNA, Polynukleotide, Gene, Proteine) und deren Veränderungen ist der Schlüssel zur Biotechnologie. Hier wird an markerfreien Verfahren gearbeitet, da die Markierung einen zusätzlichen und komplexen Präparationsschritt darstellt. Im THz-Bereich lassen sich ergänzende Resultate zu standardmäßigen FTIR-Messungen erreichen, die das Verständnis des Aufbaus und des Verhaltens von komplexen Molekülen deutlich erhöhen können.

Die zerstörungsfreie Prozess- und Qualitätskontrolle umfasst alle Industriebranchen. In diesem Zusammenhang sind spektroskopische Messungen vorwiegend in der chemischen und pharmazeutischen Industrie zur Substanzidentifizierung von besonderem Interesse. Aus der Literatur sind Untersuchungen z.B. von Polymorphie oder zur Unterscheidung von Tabletteninhaltsstoffen und unterschiedlich hydratisierten Substanzen bekannt. Eine andere Anwendung ist die Untersuchung im Körperinneren der Probe. Hierfür muss diese für THz transparent sein. Keramiken und Kunststoffe 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 z.B. 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 metallische Teile sehr empfindlich mit Metalldetektoren nachgewiesen werden können, steht für nichtmetallische Körper bisher nur die Röntgentechnik zur Verfügung. Aufgrund der Strahlenschutzproblematik versucht man diese durch THz-Technik zu ersetzen.

 

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