Terahertz (THz)
Der THz-Frequenzbereich liegt im elektromagnetischen Spektrum
zwischen der Elektronik und der Optik (Bild 1). Er umfasst mit etwa 0,1
THz bis 10 THz sowohl höchstfrequente Mikrowellen als auch sehr
langwelliges Infrarot. Jahrzehntelang war es äußerst aufwändig,
THz-Strahlung zu erzeugen sowie nachzuweisen. Fortschritte in
Mikrowellen- und Lasertechnik führten jedoch dazu, dass sich die
Forschung nach und nach mit immer leistungsfähigeren, kompakteren und
kostengünstigeren Emittern und Detektoren aus der Elektronik oder der
Optik näherte, um den Schatten zwischen Mikrowellen und Ferninfrarot
von der nieder bzw. höher frequenten Seite her zu erhellen.
Die zahlreichen THz-Anwendungsmöglichkeiten, die von der Medizintechnik
und der Sicherheitskontrolle für Flughäfen über die Fertigungs- oder
Bauteilüberwachung bis hin zu ultra-schnellen Kommunikationssystemen
reichen, führten zu einer schnellen Entwicklung von THz-Systemen, die
heute an der Schwelle zum Massenmarkt stehen. Im Gegensatz zu den
ebenfalls durchleuchtenden Röntgenstrahlen sind THz-Wellen aufgrund der
geringen Photonenenergie nicht ionisierend und deshalb
höchstwahrscheinlich mit den üblicherweise eingesetzten Intensitäten
ungefährlich.
Grundsätzlich lassen sich opto-elektronische THz-Spektroskopiesysteme
in zwei Kategorien einteilen: Spektrometer mit breitbandigen THz-Pulsen
(THz-Zeitbereichsspektroskopie, THz TDS) und Dauerstrichsysteme, d.h.
kontinuierliche Wellen konstanter Frequenz („continuous
wave“(CW)-Systeme). Die Zeitbereichsspektroskopie liefert nach einer
Referenzmessung sowie einer einzigen Abtastung mit einem ultrakurzen
THz-Puls ein Spektrum der untersuchten Probe. Mit speziellen
Algorithmen lässt sich zusätzlich auch die Materialstärke bestimmen. In
Analogie zum Ultraschall liefert die THz-Pulsantwort zudem Einblicke in
den inneren Aufbau (Grenzflächen, unbekannte Zwischenschicht, jedoch
keine Tomographie). CW-Systeme prüfen hingegen die dielektrischen
Eigenschaften der Probe nur bei jeweils einer einzigen Frequenz, lassen
sich jedoch durchstimmen. Eine separate Information über die
Materialstärke lässt sich dagegen nur eingeschränkt gewinnen. Dafür
liegt der Preis eines CW-Systems üblicherweise weit unter dem eines
Zeitbereichsspektrometers, da ein Femtosekundenlaser mit
Anschaffungskosten im unteren fünfstelligen Bereich anstatt der eher
kostengünstigen durchstimmbaren Diodenlaser eingesetzt werden muss.
Beide Systemarten ermöglichen bildgebende Messungen und werden in der
„Terahertz-Systemtechnik“ erforscht und entwickelt. Erst kürzlich
gelang es, ein Quasi-Zeitbereichsspektrometer zu demonstrieren, das die
Leistungsfähigkeit von THz-Pulsen mit der Kosteneffizienz von
Diodenlasern vereint – ein weiterer Durchbruch auf dem Weg zum mobilen,
industrietauglichen THz-Messgerät.
Die Arbeitsgruppe befasst sich sowohl mit der Charakterisierung von
Materialien der Halbleiterphysik mittels THz-Spektroskopie,
wie auch mit der Entwicklung von THz-Systemen und deren Einsatz in der industriellen
Fertigung.
