Von der Terra Incognita in die Sicherheitstechnik

Als Terahertz-Strahlung bezeichnet man elektromagnetische Wellen im Frequenzbereich zwischen 0.1 und 10 THz (Wellenlänge 3 mm bis 30 µm). Bei diesen Frequenzen wird Licht von amorphen Materialien weit weniger gestreut als im sichtbaren oder nahinfraroten Spektralbereich. Viele Kunststoffe und Textilien, aber auch Papier und Karton, sind somit für Terahertz-Wellen transparent. Zudem liegen die Absorptionslinien zahlreicher Gase und organischer Festkörper – darunter auch Gifte und Sprengstoffe – bei Frequenzen zwischen 0.1 und 2 THz. Damit sind bereits die beiden wesentlichen Vorteile von Terahertz-Strahlung genannt: die Durchdringung „undurchsichtiger“ Materialien einerseits und eine hohe chemische Sensitivität andererseits.

Leider ist gerade der interessante Frequenzbereich von wenigen THz technisch nicht leicht zugänglich. Elektronische Quellen auf Basis von Frequenzvervielfachern werden bei Submillimeterwellen rasch ineffizient und fertigungstechnisch aufwändig. Direkte optische Quellen wie Quantenkaskaden-Laser sind selbst bei kryogenem Betrieb auf Frequenzen > 5 THz limitiert.

Als optoelektronische Terahertz-Erzeugung bezeichnet man indirekte Verfahren, bei denen nahinfrarotes Laserlicht auf eine Halbleiterstruktur fokussiert wird und dadurch einen Photostrom erzeugt, der seinerseits als Quelle für eine Terahertz-Welle dient. Man unterscheidet dabei zwischen gepulster Terahertz-Strahlung und Dauerstrich- (cw) Quellen. Vorteile gepulster Quellen sind eine hohe Bandbreite und kurze Messzeiten; Vorteile der cw-Technologie sind eine hohe Frequenzauflösung und die Verwendung preisgünstiger Diodenlaser. Alle der nachfolgend vorgestellten Ergebnisse wurden mit cw-Terahertz-Systemen (Abb. 1) erzielt.

Nachweis von Giftgasen

Viele Gasmoleküle besitzen scharf ausgeprägte Rotationsbanden im Terahertz-Bereich. Eine Identifikation von Gaskomponenten anhand ihres spektralen „Fingerabdrucks“ erfordert ein Terahertz-Spektrometer mit einer Frequenzabstimmung über mehr als eine Dekade (z. B. 50 bis 1300 GHz, Abb. 2a) und gleichzeitig einer Auflösung im MHz-Bereich. Lasertechnologie von Toptica wird bereits im Prototyp eines Gasspektrometers eingesetzt, das mittels präziser Absorptionsmessungen einen empfindlichen Nachweis von Spurengasen erlaubt – selbst in einer „schmutzigen“ Umgebung. Anvisiertes Einsatzgebiet ist die Messung der Luftreinheit in öffentlichen Einrichtungen wie etwa in U-Bahn Stationen. Hier gilt es, Industriegifte oder gar chemische Kampfmittel schnell und zuverlässig zu erkennen, ohne dass der spektrale Hintergrund aus Reinigungsmitteln, Klebstoffen, Abgasen, Parfüm oder Farben zu einem Fehlalarm führt. Im Laborversuch wurde das Spektrometer bereits erfolgreich an Gasen wie Blausäure, Salzsäure oder Ammoniak erprobt; erste Feldversuche stehen im Frühjahr 2009 bevor.

Prozesskontrolle in der Papierproduktion

Bei der industriellen Papierproduktion muss eine Vielzahl unterschiedlicher Parameter wie Temperatur, Feuchte und Flächendichte überwacht werden, um die Qualität der rasch bewegten Papierbahn sicherzustellen. Die Messung der Flächendichte erfolgt dabei üblicherweise durch eine Durchstrahlung mit radioaktiven Emittern. An alternativen Techniken ohne Strahlenrisiko wird derzeit intensiv geforscht. Auch hier könnten Terahertz-Messverfahren den Schlüssel zum Erfolg bieten. Mit einer photoleitenden Antenne als Empfänger lässt sich nicht nur die Amplitude, sondern auch die Phase der Terahertz-Welle bestimmen. Bringt man eine Papierprobe in den Terahertz-Strahl ein, dann variieren sowohl die transmittierte Intensität als auch die Phase des Terahertz-Feldes mit der Papier-Flächendichte. Die Phase zeigt dabei eine direkte Proportionalität zur Flächendichte (Abb. 2b).

Terahertz-Bildgebung

Viele Kunststoffe sind im Terahertz-Bereich transparent, und so können selbst verdeckte Strukturen untersucht und visualisiert werden. Eine sicherheitstechnisch relevante Applikation ist die Inspektion der Plastikabdeckung von Airbags in Personenfahrzeugen (Abb. 3a/b). Die Sollbruchstelle wird von einer Nut gebildet, die hinreichend dünn sein muss, um (nur) im Fall eines Unfalls aufzubrechen. Diese kritische Komponente ließ sich bislang nur mittels destruktiver Tests untersuchen.

Terahertz-Strahlung erlaubt hingegen eine berührungsfreie Vermessung der Sollbruchstelle, mit ­einer Tiefenauflösung im Mikrometerbereich. Bislang wird Terahertz-Bildgebung allerdings als punktweiser Scan durchgeführt und die Aufnahmezeiten sind vergleichsweise lang (einige 10 Minuten). Abhilfe könnte ein Hybrid-System bieten, das derzeit im Rahmen eines BMBF-Förderprojekts konzipiert wird. Zentrale Idee ist die Kombination einer leistungsstarken, festfrequenten elektronischen Quelle mit einer empfindlichen laser-basierten Detektion. Im Laboraufbau hat diese Anordnung bereits erste Bilder geliefert (Abb. 3c). Ziel ist nun die Erweiterung auf ein echtzeitfähiges Multi-Pixel-System. Für eine solche Terahertz-Kamera ist ein breites Anwendungsspektrum denkbar, etwa die Untersuchung von Lebensmitteln selbst durch Verpackungen hindurch, die Strukturanalyse von Pharmazeutika oder die Qualitätsprüfung von Halbleiterbauteilen.

Der Einsatz der Terahertz-Strahlung in der Spektroskopie oder Bildgebung eröffnet also äußerst interessante Szenarien – in und jenseits der Sicherheitstechnik. Gerade die laser-basierten Terahertz-Quellen bergen dabei großes Potenzial zum kompakten, industrietauglichen Aufbau. Die ersten Ergebnisse weisen in eine vielversprechende Zukunft.