Terahertz-Frequenz durchdringt Materie

| Autor / Redakteur: Dr. Björn Globisch, Dr. Lars Liebermeister, Robert Kohlhaas und Simon Nellen * / Hendrik Härter

Messen mit Terahertz: Ein fasergekoppeltes Sender- und Empfängermodul des Fraunhofer HHI.
Messen mit Terahertz: Ein fasergekoppeltes Sender- und Empfängermodul des Fraunhofer HHI. (Bild: Fraunhofer HHI)

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Mit Terahertz lassen sich Kunststoffe, Keramik und elektrisch nichtleitende Beschichtungen durchdringen und messen. Das Fraunhofer HHI bietet interessante Entwicklungen für die Prüftechnik.

Die Terahertz- (THz-) Strahlung hat die technologisch sehr attraktive Eigenschaft, Materialien wie Kunststoffe, Keramik und elektrisch nichtleitende Beschichtungen zu durchdringen. Das eröffnet eine Vielzahl von Anwendungen im Umfeld der zerstörungsfreien Prüfung von industriell hergestellten Produkten. Im Gegensatz zu kapazitiven, induktiven und auf ultraschall-basierten Messverfahren, ist die THz-Messtechnik kontaktlos und nahezu temperaturunabhängig.

Der Frequenzbereich von Terahertz ist die Erweiterung des infraroten Spektralbereichs zu längeren Wellenlägen. Früher wurde daher häufig die Bezeichnung fernes Infrarot (FIR) verwendet. Die Energie der THz-Strahlung ist so gering, dass sie für den Menschen völlig ungefährlich ist und daher keine erhöhten Schutzmaßnahmen erforderlich sind.

Die effiziente Erzeugung und Detektion von THz-Strahlung war über einen langen Zeitraum hinweg die größte Herausforderung bei THz-Messsystemen. Der Grund liegt vor allem darin, dass etablierte Konzepte aus den angrenzenden Spektralbereichen im THz-Frequenzbereich nicht anwendbar sind. Während rein elektronische Oszillatoren für Frequenzen oberhalb von 0,5 THz sehr ineffizient werden, können Laser und LEDs für Frequenzen <5 THz nicht mehr bei Raumtemperatur betrieben werden. Diese Lücke im elektromagnetischen Spektrum muss durch neue Konzepte geschlossen werden.

Wie die Terahertz-Strahlen erzeugt werden

Ein besonders vielversprechender Ansatz, um THz-Strahlung zu erzeugen, ist ein optoelektronisches Verfahren. Bei dieser Methode wird ein optischer Laserpuls mithilfe eines lichtempfindlichen Halbleiters in einen THz-Puls umgewandelt. Dieser THz-Puls mit einer Dauer von weniger als einer Pikosekunde, also eine billionstel Sekunde, enthält Frequenzen zwischen 0,1 bis 6 THz.

Durch diesen zeitlich extrem kurzen Puls lässt sich die Flugzeit, analog zum konventionellen RADAR, mit besonders hoher zeitlicher Auflösung messen. Diese Technik wird daher auch als THz-Zeitbereichsspektroskopie bezeichnet. Der große Vorteil des optoelektronischen Verfahrens zum Erzeugen von Terahertz liegt in der Kompatibilität mit der glasfaserbasierten Telekommunikationstechnik. So können etablierte Techniken und Komponenten aus der Glasfaseroptik direkt für die THz-Messtechnik genutzt werden. Das ermöglicht erstmals kompakte, kostengünstige und vor allem industrietaugliche Systeme für die zerstörungsfreie Materialprüfung.

Ein glasfaserbasiertes THz-System besteht aus einem diskreten THz-Sender bzw. Empfängerkopf und dem eigentlichen THz-Spektrometer. In diesem befinden sich der Laser, eine optische Verzögerungsstrecke und die Ausleseelektronik. Durch die Faserkopplung lassen sich Sender und Empfänger flexibel zum Messobjekt ausrichten. Das Bild 1a zeigt schematisch ein THz-Transmissionsexperiment. Der vom Sender emittierte THz-Puls wird über Spiegel zum Messobjekt und nach der Wechselwirkung zum THz-Empfänger gelenkt.

Das Fraunhofer HHI hat in den vergangenen 10 Jahren intensiv an der Entwicklung fasergekoppelter THz-Systeme gearbeitet. In den Bildern 1b und c sind das Spektrometer sowie ein fasergekoppeltes THz-Sender bzw. Empfängermodul des Fraunhofer HHI zu sehen. Die Schlüsselkomponente ist an dieser Stelle der Halbleiter, der mit Laserlicht einer Wellenlänge von 1,5 µm angeregt werden kann und dadurch effizient THz-Strahlung erzeugt bzw. detektiert.

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