Terahertz-Messtechnik

Terahertz-Messtechnik

Terahertz-Strahlung vereint einige Vorteile der angrenzenden spektralen Bereiche und zeichnet sich durch ein hohes Durchdringungsvermögen aus. Sie ist energiearm und daher nicht gesundheitsschädlich. Sie durchdringt die meisten Kunststoffe sowie Keramik Papier, und Halbleiter. Hingegen wird sie von Wasser absorbiert und von Metallen reflektiert. Zudem existieren viele Rotationsübergänge von interessanten Molekülen, so beispielsweise von organischen Substanzen, Medikamenten, illegalen Drogen und Sprengstoffen, die man mit Terahertz-Strahlung identifizieren und detektieren kann. Durch die Entwicklung in den letzten Jahren kann die Terahertz-Messtechnik heute in der Laboranalytik, Prozessmesstechnik, Qualitätssicherung oder Sicherheitstechnologie angewendet werden.

Von den zahlreichen in der Literatur vorgestellten Terahertz-Techniken sind die Zeit-bereichsspektroskopie (TDS, time domain spectroscopy) und das FMCW-Radar (frequency modulated continuous wave) die zurzeit am weitesten entwickelten Techniken.

Während die TDS-Technik durch den Einsatz von Kurzpulslaser auf einem optischen Ansatz basiert, greift das FMCW-Radar auf etablierte elektronische Ansätze der Milli-und Mikrometer-Technik zurück. Entsprechend weisen beide Verfahren unterschiedliche Eigenschaften auf.

Durch die Verwendung von Kurzpulslasern werden extrem kurze Terahertz-Pulse (kürzer als 1ps) mit einem sehr breiten Spektrum (von 0,1 bis über 4 THz) erzeugt. Dadurch eignet sich diese Technik vor allem für spektroskopische Untersuchungen (es wird ein weiter Spektralbereich mit einer einzigen Messung untersucht) und für Dickenmessung (durch die kurzen Pulse können dünne Schichten sehr genau bestimmt werden). Die Messzeit für einen einzelnen Punkt beträgt dabei zwischen 100ms und 1s – je nach Probenbeschaffenheit.

Das FMCW-Radar basiert auf einem spannungskontrollierten Mikrowellen-Oszillator (VCO voltage controlled oscillator), dessen Ausgangsstrahlung mittels Frequenzvervielfachern in die verschiedenen Frequenzbänder transferiert wird. Somit stehen Frequenzbereiche um 100 GHz, 150 GHz, 300 GHz und 850 GHz zur Verfügung. Durch das schnelle elektronische Abstimmen des VCO sind hier mehr als 1000 Messungen pro Sekunde möglich. Somit ist dieses Verfahren vor allem für die Bildgebung und Dickenmessung prädestiniert. Aufgrund der gegenüber dem TDS-Verfahren geringeren Bandbreite kann jedoch nur eine reduzierte Tiefenauflösung erreicht werden.

Anwendungszentrum

Um das Potenzial zu demonstrieren, wurde am Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM das Anwendungszentrum für Terahertz-Technik TeraTec eingerichtet. Hier wird Firmen eine breite Palette verschiedener Terahertz-Systeme zur Erprobung oder als Dienstleistung zur Verfügung gestellt.