Einführung in die Terahertz-Band

Erfahren Sie mehr über das Terahertz-Band, seine Eigenschaften und die Anwendungen, in denen es nützlich ist.

Wenn Sie den Begriff "THz-Lücke" schon einmal gehört haben, aber nicht wussten, was er bedeutet, ist dieser Artikel für Sie.

Das Terahertz-Spektrum

Terahertz (THz)-Strahlung wird allgemein als der Bereich des elektromagnetischen Spektrums im Bereich von 100 GHz (3 mm) bis 10 THz (30 µm) definiert, der zwischen Millimeter- und Infrarotfrequenzen liegt. Das THz-Band hat mehrere Namen, wie Submillimeter, Ferninfrarot und Nah-Millimeter-Welle.

Bei 1 THz hat das abgestrahlte Signal folgende Eigenschaften:

• Wellenlänge: 300 μm im freien Raum
• Zeitraum: 1 ps,
• Photonenenergie: 4,14 meV

Zusätzlich hf/k_B =48 K Temperatur wobei h die Plancksche Konstante ist (6.62607004 × 10 ^-34 .) J.s), f ist die Frequenz und k_B ist die Boltzmann-Konstante (1,380649×10 ⁻²³ J/K).

Das THz-Band im elektromagnetischen Spektrum ist in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1. Schematische Darstellung der Lage des THz-Bands im elektromagnetischen Spektrum

Dieser Teil des elektromagnetischen Spektrums ist der am wenigsten untersuchte Bereich im Vergleich zu Nachbarregionen, d. h. den Mikrowellen- und optischen Bändern.

Daher wird der Begriff „THz-Lücke“ verwendet, um den Anfang dieses Bandes im Vergleich zu gut entwickelten benachbarten Spektralbereichen zu erklären. Dies hat Forscher verschiedener Schüler (wie Physik, Materialwissenschaften, Elektronik, Optik und Chemie) dazu veranlasst, verschiedene unerforschte oder weniger erforschte Aspekte von THz-Wellen zu untersuchen.

Eigenschaften von Terahertz-Wellen

Obwohl das Interesse an der THz-Region bis in die 1920er Jahre zurückreicht, wurden dieser Region erst in den letzten drei Jahrzehnten umfangreiche Studien gewidmet. Eine wesentliche Motivation hierfür sind die außergewöhnlichen Welleneigenschaften und die enormen Anwendungsmöglichkeiten im THz-Frequenzbereich.

THz-Wellen haben mittlere Charakteristiken der beiden Bänder, zwischen denen sie sich eingeklemmt haben.

Diese Eigenschaften lassen sich wie folgt zusammenfassen:

1. Durchdringung: Die Wellenlänge der THz-Strahlung ist länger als die Infrarotwellenlänge; daher haben THz-Wellen eine geringere Streuung und bessere Eindringtiefen (im Bereich von cm) als Infrarotwellen (im Bereich von µm). Daher sind trockene und nichtmetallische Materialien in diesem Bereich transparent, im sichtbaren Spektrum jedoch opak.
2. Auflösung: THz-Wellen haben im Vergleich zu Mikrowellen kürzere Wellenlängen; dies ergibt eine bessere räumliche Bildauflösung.
3. Sicherheit: Die Photonenenergien im THz-Band sind viel niedriger als bei Röntgenstrahlen. Daher ist THz-Strahlung nicht ionisierend.
4. Spektraler Fingerabdruck: Inter- und Intravibrationsmoden vieler Moleküle liegen im THz-Bereich.

Herausforderungen bei der Entwicklung des THz-Bands

Obwohl das THz-Band mehrere faszinierende Eigenschaften aufweist, gibt es einige Herausforderungen, die spezifisch für THz-Technologien sind. Der Hauptgrund dafür, dass das THz-Feld im Vergleich zu den Nachbarbändern unterentwickelt ist, ist das Fehlen effizienter, kohärenter und kompakter THz-Quellen und -Detektoren.

Diese Eigenschaften der Quellen finden sich in den gängigen Mikrowellen-Frequenzquellen wie Transistoren oder HF/MW-Antennen und in Geräten, die im sichtbaren und infraroten Bereich arbeiten, wie Halbleiter-Laserdioden. Es ist jedoch nicht möglich, diese Technologien für den Betrieb im THz-Bereich zu übernehmen, ohne dass Leistung und Effizienz deutlich reduziert werden.

Am unteren Ende des THz-Frequenzbereichs werden im Allgemeinen elektronische Halbleiterbauelemente verwendet; Allerdings haben solche Geräte Roll-Offs von 1/f ² durch reaktiv-resistive Effekte und lange Laufzeiten. Andererseits funktionieren optische Vorrichtungen wie Diodenlaser aufgrund des Fehlens von Materialien mit ausreichend kleinen Bandlückenenergien nicht gut an der THz-Bereichsgrenze.

Eine weitere Herausforderung im THz-Band sind hohe Verluste. THz-Wellen haben eine hohe Absorption in der atmosphärischen Situation und der feuchten Umgebung. Die atmosphärische Dämpfung über das elektromagnetische Spektrum ist in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2. Dämpfung auf Meereshöhe für verschiedene atmosphärische Situationen:Regen =4 mm/h; Nebel =100 m Sichtweite; STD =7,5 g/m ³ Wasserdampf; 2×STD =15 g/m ³ Wasserdampf. Bild von M. C. Kemp über IEEE Xplore

Es ist offensichtlich, dass die Signalverschlechterung im THz-Bereich erheblich stärker ist als im Mikrowellen- und Infrarotbereich. Das liegt zum Teil daran, dass die Wassermoleküle in diesem Bereich mitschwingen.

Die ungünstigen atmosphärischen Eigenschaften von THz-Wellen machen sie zu einem geeigneten Arbeitsfrequenzbereich für die folgenden zwei Fälle:

• Luft- und Raumfahrt: Im Weltraum herrscht nahezu Vakuum, sodass Signalabsorption und -dämpfung durch Wassertropfen keine Probleme bereiten. Auch die spektrale Signatur von interstellarem Staub liegt im THz-Bereich. Daher ist die THz-Technologie in der Radioastronomie weit verbreitet, wie zum Beispiel beim Start des Herschel-Weltraumobservatoriums durch die Europäische Weltraumorganisation.
• Kurzfristig: Bei Nahbereichsanwendungen ist die atmosphärische Dämpfung vernachlässigbar, insbesondere die Frequenzen mit hoher Absorption. Dies erleichtert das Entfernen/Erkennen der Wirkung dieser schmalen Linien. Daher ist die THz-Technologie ein sehr einfallsreiches Werkzeug für grundlegende Untersuchungen in verschiedenen Disziplinen wie Physik und Chemie. Außerdem ist es eine attraktive Option für die drahtlose Kommunikation über kurze Distanzen mit hohen Datenraten.

Anwendungen der Terahertz-Strahlung

THz-Strahlung kann in vielen potenziellen Anwendungen verwendet werden, darunter Terahertz-Bildgebung, Spektroskopie und drahtlose Kommunikation.

Die biomedizinische Bildgebung ist eine der Unterkategorien der THz-Bildgebung. THz-Wellen können bis zu einigen hundert Mikrometer in menschliches Gewebe eindringen; so kann die medizinische THz-Bildgebung für die Diagnose der Körperoberfläche wie die Erkennung von Haut-, Mund- und Brustkrebs sowie für die dentale Bildgebung angewendet werden. Außerdem haben THz-Systeme den potenziellen Markt für Sicherheitsanwendungen, die Erkennung fester explosiver Materialien und die Überprüfung von Postsendungen. Nicht zuletzt ist die THz-Bildgebung eine bequeme Methode für die Inspektion von Halbleitergehäusen.

Die THz-Spektroskopie ist eine sehr leistungsfähige Technik, um Materialeigenschaften zu charakterisieren und ihre Signatur in diesem Band zu verstehen. Die THz-Spektroskopie hat das Verständnis der Absorptionsmerkmale in vielen Einkristall-, Mikrokristall- und Pulverproben organischer Moleküle verbessert.

Abbildung 3 zeigt ein Beispiel von Messergebnissen, um die Schwingungsmoden von Maltosemolekülen zu identifizieren.

Abbildung 3. Das gemessene Schwingungsspektrum von Maltose in einem THz-Zeitbereichsspektroskopiesystem, das obere Diagramm zeigt das gemessene THz-Signal ohne Maltoseprobe. Pfeile im unteren Diagramm zeigen die Schwingungsfrequenzen von Maltosemolekülen. Einschub zeigt die Molekularstruktur von Maltose. Bild von Y. C. Shen et al. über Applied Physics Letters .

Die THz-Spektroskopie hat Anwendungen in der biochemischen Wissenschaft, wie z. B. bei der Analyse von DNA-Signaturen und Proteinstrukturen. Die Inline-Steuerung von Produktionsprozessen ist eine weitere potenzielle Anwendung der THz-Spektroskopie, die berührungslose und Echtzeitmessungen ermöglichen könnte. Die THz-Spektroskopie kann aufgrund der hohen Wasseraufnahme bei THz-Frequenzen positiv manipuliert werden, um hydratisierte Substanzen von getrockneten zu unterscheiden. In der Papierindustrie wurde beispielsweise die THz-Spektroskopie von Herstellern zur Überwachung der Dicke und des Feuchtigkeitsgehalts von Papieren verwendet.

Bei einigen Anwendungen, wie beispielsweise der zerstörungsfreien Prüfung, werden sowohl THz-Bildgebung als auch Spektroskopie verwendet. Bei einer kunsthistorischen Untersuchung helfen THz-Bildgebung und Spektroskopie beispielsweise dabei, Antiquitäten abzubilden, die Dicke der verschiedenen Schichten des Kunstwerks aufzudecken und Materialtypen aufzuzeigen.

Abbildung 4 zeigt ein sichtbares Foto der Madonna in Preghiera (links) und ein THz-Bild des Gemäldes basierend auf dem integrierten Spektrum zwischen 0,5 – 1 THz (rechts).

Abbildung 4. (a) sichtbares Foto der Madonna in Preghiera (b) THz-Bild der Madonna in Preghiera im integrierten Spektrum zwischen 0,5 und 1 THz. Bild von J. Dong et al. über Scientific Reports

Die THz-Bildgebung liefert Informationen über die Unterschichten des Gemäldes mit einem bahnbrechenden Detailgrad in der Größenordnung von mehreren zehn Mikrometern.

Darüber hinaus sind THz-Bildgebung und Spektroskopie zwei starke quantitative und qualitative nicht-invasive Methoden zur Untersuchung von pharmazeutischen festen Darreichungsformen, Tablettenbeschichtungen und pharmazeutischen Wirkstoffen. Abbildung 5 zeigt beispielsweise die Variation der Beschichtungsschichtdicke zwischen den Tabletten von acht Tabletten bei gleicher Beschichtungszeit im Beschichtungsprozess im THz-Bereich.

Abbildung 5. Die durchschnittliche Beschichtungsdicke jeder einzelnen Tablette gegen die Beschichtungszeit. Der Einschub zeigt die Beschichtungsdickenkarte (μm) von acht Tabletten mit derselben Beschichtungszeit von 120 min. Eine große Variation der Beschichtungsdicke von Tablette zu Tablette ist offensichtlich. Bild von Y. C. Shen über das International Journal of Pharmaceutics

Das Potenzial des Terahertz-Bands

Am Ende des 20. Jahrhunderts und im ersten Jahrzehnt des 21. Jahrhunderts, als die riesige Menge an THz-Laborexperimenten stattfand, konzentrierten sich die Forscher hauptsächlich auf verschiedene potenzielle THz-Anwendungen und es wurden sehr vielversprechende Ergebnisse erzielt. Tatsächlich waren diese faszinierenden experimentellen Ergebnisse eine große Motivation und treibende Kraft für viele Forscher, sich mit dem THz-Feld zu befassen und es aus verschiedenen Aspekten zu erforschen.

Aufgrund der kontinuierlichen Fortschritte auf dem Gebiet der THz-Forschung in den letzten Jahren finden THz-Systeme und -Anwendungen ihren Platz in einigen kommerziellen Anwendungen. Damit THz-Wellen jedoch in realen Szenarien konkurrieren und andere Technologien überwinden können, müssen verschiedene Probleme angegangen und/oder verbessert werden. Zum Beispiel sind leistungsstarke und kompakte THz-Quellen erforderlich, THz-Messsysteme sollten miniaturisiert werden, Methoden für eine schnellere THz-Strahlabtastung sind erforderlich und THz-Systeme sollten niedrigere Kosten haben.

Ein weiteres aufstrebendes Forschungsgebiet ist die drahtlose THz-Kommunikation. Dies ist besonders gefragt, da es eine drahtlose Hochgeschwindigkeitskommunikation über 5G hinaus ermöglicht. Daher sind verschiedene Studien erforderlich, um das volle Potenzial des THz-Bands zu reifen und auszuschöpfen.

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