Terahertzstrahlung: Unterschied zwischen den Versionen
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Die '''Terahertzstrahlung''', auch '''Submillimeterwellen''' genannt, ist eine [[Elektromagnetische Wellen|elektromagnetische Welle]] und liegt im [[Elektromagnetisches Spektrum|elektromagnetischen Spektrum]] zwischen der [[Infrarotstrahlung]] und den [[Mikrowellen]].[[Datei:Spectre Terahertz.svg|mini|Einordnung der Terahertzstrahlung im [[Elektromagnetisches Spektrum|elektromagnetischen Spektrum]] zwischen [[Infrarotstrahlung|Infrarot]] und | Die '''Terahertzstrahlung''', auch '''Submillimeterwellen''' genannt, ist eine [[Elektromagnetische Wellen|elektromagnetische Welle]] und liegt im [[Elektromagnetisches Spektrum|elektromagnetischen Spektrum]] zwischen der [[Infrarotstrahlung]] und den [[Mikrowellen]]. | ||
Bei einer [[Wellenlänge]] kleiner als 1 mm (= 1000 µm) liegt ihr Frequenzbereich dementsprechend oberhalb 300 GHz. | [[Datei:Spectre Terahertz.svg|mini|Einordnung der Terahertzstrahlung im [[Elektromagnetisches Spektrum|elektromagnetischen Spektrum]] zwischen [[Infrarotstrahlung|Infrarot]] und Mikrowellen.<br />Die Bildsymbole von links nach rechts:<br /> Radioaktive Strahlung, Röntgenstrahlung, UV-Strahlung, sichtbares Licht, Infrarot, Mikrowellen, Radiowellen.]] | ||
Die Grenzen sind nicht einheitlich definiert und liegen bei 0,3 THz bis | Bei einer [[Wellenlänge]] kleiner als 1 mm (= 1000 µm) liegt ihr Frequenzbereich dementsprechend oberhalb 300 GHz. Die Grenzen sind nicht einheitlich definiert und liegen bei 0,3 THz bis | ||
6 THz<ref> | 6 THz,<ref>{{Literatur |Autor=L. S. von Chrzanowski, J. Beckmann, B. Marchetti, U. Ewert, U. Schade |Titel=Terahertz-Strahlung – Möglichkeiten für die Zerstörungsfreie Prüfung von Flüssigkeiten |Sammelwerk=[[Deutsche Gesellschaft für Zerstörungsfreie Prüfung e. V.|DGZfP]]-Jahrestagung 2010 - Di.3.B.2 |Datum=2010 |Online=http://www.ndt.net/article/dgzfp2010/Inhalt/di3b2.pdf}}</ref> 10 THz<ref>{{Internetquelle |autor=H.-W. Hübers |url=https://www.weltderphysik.de/gebiet/teilchen/licht/elektromagnetisches-spektrum/terahertz-wellen/ |titel=Terahertz-Wellen |werk=Welt der Physik der [[Deutsche Physikalische Gesellschaft|Deutschen Physikalischen Gesellschaft e.V.]] |abruf=2018-03-24}}</ref> und | ||
10 THz<ref> | 30 THz.<ref>https://www.mpg.de/10557881/terahertz-strahlung-quelle Tobias Kampfrath: „Terahertzstrahlung: Eine Quelle für sichere Lebensmittel“, in ''Forschung/Aktuelles'' der Web site der [[Max-Planck-Gesellschaft]].</ref> | ||
30 THz<ref>https://www.mpg.de/10557881/terahertz-strahlung-quelle Tobias Kampfrath: „Terahertzstrahlung: Eine Quelle für sichere Lebensmittel“, in ''Forschung/Aktuelles'' der Web site der [[Max-Planck-Gesellschaft]]</ref> | |||
Der Bereich der Terahertzstrahlung wird manchmal auch dem fernen [[Infrarotstrahlung|Infrarot]] zugeordnet. | Der Bereich der Terahertzstrahlung wird manchmal auch dem fernen [[Infrarotstrahlung|Infrarot]] zugeordnet. Terahertzstrahlung liegt in dem Bereich, den [[Überlagerungsempfänger]] fast nicht mehr, optische Sensoren aber noch nicht abdecken, und ist deswegen Gegenstand intensiver Anwendungsentwicklungen geworden. | ||
Terahertzstrahlung liegt in dem Bereich, den [[Überlagerungsempfänger]] fast nicht mehr, optische Sensoren aber noch nicht abdecken, und ist deswegen Gegenstand intensiver Anwendungsentwicklungen geworden. | |||
== Eigenschaften == | == Eigenschaften == | ||
Da die Terahertzstrahlung lange | Da die Terahertzstrahlung lange kaum zu erzeugen war, sprach man auch von der ''Terahertz-Lücke'' im elektromagnetischen Spektrum. Diese Lücke befand sich zwischen dem Frequenzbereich, den die [[Mikrowellen]]technik erschloss und dem Infrarotfrequenzbereich. Das Hauptproblem der Nutzung des Terahertz-Frequenzbereichs war die Herstellung von Sendern und Empfängern. Kompakte Sender mit ausreichender Ausgangsleistung sind bislang aufgrund geringer Stückzahlen sehr teuer. Auch die Empfängertechnik bedarf weiterer Entwicklung, um schwächere Signale erkennen zu können. Der Nachweis breitbandiger gepulster Terahertzstrahlung erfolgt beispielsweise im [[Pump-Probe-Aufbau]] mit photoleitenden Antennen oder unter Ausnutzung des elektrooptischen [[Pockels-Effekt]]s.<ref>{{Literatur |Autor=Ashish Y. Pawar, Deepak D. Sonawane, Kiran B. Erande, Deelip V. Derle |Titel=Terahertz technology and its applications |Sammelwerk=Drug Invention Today |Band=5 |Nummer=2 |Datum=2013-06-01 |Seiten=157–163 |Online=http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0975761913000264 |Abruf=2016-10-18 |DOI=10.1016/j.dit.2013.03.009}}</ref> Mit [[Bolometer]]n oder mit [[Golay-Zelle]]n wird kontinuierliche Terahertzstrahlung nachgewiesen.<ref>{{Literatur |Titel=Introduction to THz Wave Photonics {{!}} Xi-Cheng Zhang {{!}} Springer |Datum= |Online=http://www.springer.com/de/book/9781441909770 |Abruf=2016-10-18}}</ref> | ||
Terahertzstrahlung durchdringt viele dielektrische Materialien, beispielsweise Papier, Kleidung oder Kunststoff sowie organisches Gewebe | Terahertzstrahlung durchdringt viele dielektrische Materialien, beispielsweise Papier, Kleidung oder Kunststoff sowie organisches Gewebe. Es wirkt aufgrund der geringen [[Photon]]enenergie – im Bereich von wenigen Milli-[[Elektronenvolt]] – nicht [[Ionisierende Strahlung|ionisierend]]. In diesem Energiebereich liegen viele Molekülrotationen, was die Terahertzstrahlung für die Spektroskopie sehr interessant macht, um spezifische Stoffe nachzuweisen. [[Wasser]] und andere polare Stoffe [[Absorption (Physik)|absorbieren]] die Strahlen und werden dadurch erwärmt. Terahertzstrahlung wird von Wasser stark abgeschwächt und von Metall reflektiert. Der [[Absorptionskoeffizient]] von Wasser bei 1 THz beträgt 230 cm<sup>−1</sup>.<ref>{{Literatur |Autor=Adrian Dobroiu, Chiko Otani, Kodo Kawase |Titel=Terahertz-wave sources and imaging applications |Sammelwerk=Measurement Science and Technology |Band=17 |Nummer=11 |Datum=2006-09-28 |Seiten=R161–R174 |Online=http://stacks.iop.org/0957-0233/17/i=11/a=R01?key=crossref.b99ba766330de0784123aeddbe822b24 |DOI=10.1088/0957-0233/17/11/r01}}</ref> | ||
== Technologie == | == Technologie == | ||
=== Kontinuierliche Terahertzstrahlung === | === Kontinuierliche Terahertzstrahlung === | ||
Jeder Körper emittiert [[Wärmestrahlung]], | Jeder Körper emittiert [[Wärmestrahlung]], auch im Terahertzbereich. Da diese Strahlung [[Inkohärenz|inkohärent]] ist, muss ein solcher Sender als [[Rauschquelle]] betrachtet werden. Um die sehr geringe Rauschleistung, die Körper gemäß dem [[Plancksches Strahlungsgesetz|Planckschen Strahlungsgesetz]] aussenden, nachweisen zu können, setzt man hochempfindliche [[Radiometer|radiometrische]] Messgeräte ein. Radiometer können dabei ungekühlt als auch gekühlt (meist auf 4 [[Kelvin|K]]) aufgebaut werden. Bei gekühlten Radiometern wird meist auf supraleitende Mischerelemente wie [[Bolometer]] oder [[Josephson-Effekt#Technische Realisierung von Josephson-Kontakten|SIS]]-Mischer zurückgegriffen. Bei ungekühlten Radiometern können auch [[Galliumarsenid|GaAs]]-[[Schottky-Diode]]n zum Einsatz kommen. | ||
Zur Erzeugung kohärenter Terahertzstrahlung kommen verschiedene Sender in Frage. Eine Variante ist die Frequenzvervielfachung (meist mit GaAs-Schottky-Dioden), eine andere die Differenzfrequenzbildung zweier Lasersignale (beispielsweise von [[Distributed Feedback Laser]]n) an nichtlinearen Bauelementen, existieren [[Quantenkaskadenlaser]], Molekülgaslaser, [[Freie-Elektronen-Laser]], optisch-parametrische Oszillatoren und [[Backward-wave Oszillator|Rückwärtswellenoszillatoren]]. Wird ein hoher Frequenz-Durchstimmbereich benötigt, setzt man häufig Photo[[Mischer_(Elektronik)|mischer]] (''Low-Temperature-Grown GaAs'', ''Uni-travelling-Carrier Photodioden'', n-i-pn-i-p-Übergitter-Photodioden) ein, die die Differenzfrequenz zweier Laser in Wechselstrom umwandeln. | |||
Dieser wird durch eine geeignete Antenne abgestrahlt. | |||
{{Siehe auch|Dember-Effekt|Bloch-Oszillationen|Gunndiode}} | {{Siehe auch|Dember-Effekt|Bloch-Oszillationen|Gunndiode}} | ||
=== Gepulste Terahertzstrahlung === | === Gepulste Terahertzstrahlung === | ||
Ultrakurze [[Laser]]pulse mit einer Dauer von einigen [[Sekunde#Abgeleitete Maßeinheiten|Femtosekunden]] (1 fs = 10<sup>−15</sup> s) können in Halbleitern oder [[Nichtlineare Optik|nichtlinear optischen]] Materialien Terahertzpulse im [[Sekunde#Abgeleitete Maßeinheiten|Pikosekundenbereich]] (1 ps = 10<sup>−12</sup> s) erzeugen. Diese Terahertzpulse bestehen aus nur ein bis zwei Zyklen der elektromagnetischen Schwingung | Ultrakurze [[Laser]]pulse mit einer Dauer von einigen [[Sekunde#Abgeleitete Maßeinheiten|Femtosekunden]] (1 fs = 10<sup>−15</sup> s) können in Halbleitern oder [[Nichtlineare Optik|nichtlinear optischen]] Materialien Terahertzpulse im [[Sekunde#Abgeleitete Maßeinheiten|Pikosekundenbereich]] (1 ps = 10<sup>−12</sup> s) erzeugen. Diese Terahertzpulse bestehen aus nur ein bis zwei Zyklen der elektromagnetischen Schwingung – durch [[Elektrooptik|elektrooptische]] Methoden können sie auch <!--[[Kohärenz (Physik)|kohärent]], das heißt --was hat das mit Kohärenz zu tun?-->zeitaufgelöst gemessen werden. | ||
== Anwendungen == | == Anwendungen == | ||
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=== Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung === | === Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung === | ||
Da viele Materialien wie [[Papier]], [[Kunststoff]]e oder [[Keramik]]en für Terahertzstrahlung durchlässig sind, andere wie [[Metalle]] oder [[Wasser]] aber nicht, ergänzen Terahertzabbildungen andere Methoden wie optische oder [[Röntgen]]bilder. Zudem | Da viele Materialien wie [[Papier]], [[Kunststoff]]e oder [[Keramik]]en für Terahertzstrahlung durchlässig sind, andere wie [[Metalle]] oder [[Wasser]] aber nicht, ergänzen Terahertzabbildungen andere Methoden wie optische oder [[Röntgen]]bilder. Zudem sind damit auch spektroskopische Informationen räumlich aufgelöst zu erhalten. Dadurch werden Defekte im Inneren eines Körpers sichtbar, ohne diesen zerstören zu müssen. Solche im medizinischen Bereich ''nicht-invasiv'' oder ''antidestruktiv'' genannten Methoden haben gegenüber Röntgenstrahlung den Vorteil, dass Terahertzstrahlung keine [[Strahlenbiologie#Wirkung auf Zellen|Erbgutschäden]] verursacht, die bei der [[Ionisierende Strahlung|ionisierend wirkenden]] Röntgenstrahlung unvermeidlich sind. | ||
=== Kommunikation === | === Kommunikation === | ||
Drahtlose Kommunikation (vgl. [[Funknetz]]) arbeitet typischerweise bei Trägerfrequenzen im [[Mikrowellen]]bereich. [[WLAN]]s oder Mobilfunk ([[LTE-Advanced]]) erreichen Übertragungsraten von einigen 100 Mbit/s | Drahtlose Kommunikation (vgl. [[Funknetz]]) arbeitet typischerweise bei Trägerfrequenzen im [[Mikrowellen]]bereich. [[WLAN]]s oder Mobilfunk ([[LTE-Advanced]]) erreichen Übertragungsraten von einigen 100 Mbit/s – prinzipiell sind ca. 10 Gbit/s möglich.<ref name="thz-future">{{Literatur |Autor=Ho-Jin Song |Titel=Present and Future of Terahertz Communications |Sammelwerk=IEEE Transaction on Terahertz Science and Technology, Vol. 1, No. 1 |Datum=2011-09 |Seiten=256–263 |DOI=10.1109/TTHZ.2011.2159552}}</ref> Das Frequenzspektrum bis 275 GHz ist stark reguliert. Es bietet zu wenig ungenutzte Bandbreite, um dem steigenden Bedarf (Verdopplung alle 18 Monate.<ref>{{Literatur |Autor=S. Cherry |Titel=Edholm's Law of Bandwidth |Sammelwerk=IEEE Spectrum, Vol. 41, No. 7 |Datum=2004 |Seiten=58–60}}[http://spectrum.ieee.org/telecom/wireless/edholms-law-of-bandwidth link].</ref>) in Zukunft gerecht zu werden. | ||
| Titel = Edholm's Law of Bandwidth | Sammelwerk = IEEE Spectrum, Vol. 41, No. 7 | Seiten = 58–60 | |||
[[Datei:Atmosphärische_Durchlässigkeit_DE.svg|mini|[[Atmosphärisches Fenster|Durchlässigkeit der Atmosphäre]] für elektromagnetische Wellen]] | |||
Der Wasserdampf in der Atmosphäre absorbiert | THz-Strahlung bietet sich an, weil Frequenzen zwischen 300 GHz und 1 THz bisher keiner Regulation unterliegen. Höhere Trägerfrequenzen können mit großen Bandbreiten (10…100 GHz) arbeiten und ermöglichen so Übertragungsraten mit mehr als 100 Gbit/s.<ref name="concepts">{{Literatur |Autor=Radoslaw Piesiewicz u. a. |Titel=Short-Range Ultra-Broadband Terahertz Communications: Concepts and Perspectives |Sammelwerk=IEEE Antennas and Propagation Magazine, Vol. 49, No. 6 |Datum=2007-12 |Seiten=24–39 |DOI=10.1109/MAP.2007.4455844}}</ref> Es wurde bereits Datenraten von 24 Gbit/s bei 300 GHz<ref>{{Literatur |Autor=H.-J. Song, K. Ajito, Y. Muramoto, A. Wakatsuki, T. Nagatsuma, N. Kukutsu |Titel=24 Gbit/s data transmission in 300 GHz band for future terahertz communications |Sammelwerk=Electronic Letters, Vol. 48, No. 15 |Datum=2012-07 |Seiten=953–954 |DOI=10.1049/el.2012.1708}}</ref> und 100 Gbit/s bei 237,5 GHz (auf 4 Kanälen)<ref>{{Literatur |Autor=S. Koenig, D. Lopez-Diaz, J. Antes, F. Boes, R. Henneberger, A. Leuther, A. Tessmann, R. Schmogrow, D. Hillerkuss, R. Palmer, T. Zwick, C. Koos, W. Freude1, O. Ambacher, J. Leuthold, I. Kallfass |Titel=Wireless sub-THz communication system with high data rate |Sammelwerk= [[Nature Photonics]] |Datum=2012-10-13 |DOI=10.1038/nphoton.2013.275}}</ref> demonstriert. Die Überlagerungsempfangs-Technik ermöglicht die Nutzung verschiedener Trägerfrequenzen unterhalb 1 THz. Dies könnte kommerzielle Richtfunk-Verbindungen ermöglichen (für den Privatgebrauch sind diese Systeme derzeit zu groß und zu teuer). | ||
Der Wasserdampf in der Atmosphäre absorbiert THz-Strahlen und begrenzt ihre Ausbreitung. Unterhalb von 1 THz kommen nur drei Frequenzfenster mit einer Dämpfung von unter 60 dB/km,<ref name="concepts" /> für die Telekommunikation in Frage. Jenseits von 1 THz steigt die Absorption (von Wasserdampf und anderen Gasen<ref name="thz-future" />) in der Atmosphäre zu stark an, um in diesen Bereich hohen Datenraten zu übertragen. Diese Einschränkung definiert mögliche Anwendungsbereiche.<ref>{{Literatur |Autor=Michael J. Fitch, Robert Osiander |Titel=Terahertz Waves for Communications and Sensing |Sammelwerk=Johns Hopkins APL Technical Digest, Vol. 25, No. 4 |Datum=2004 |Seiten=348–355}}{{Webarchiv |url=http://www.sciner.com/DelMarPhotonics/THz_time-domain_spectrometer/Terahertz%20Waves%20for%20Communications%20and%20Sensing%20Fitch.pdf |text=Link |wayback=20131111224416}} (PDF; 782 kB)</ref><ref name="concepts" /> | |||
Die Dämpfung in der Atmosphäre spielt bei Datenkommunikation in Innenräumen keine große Rolle. Der Bedarf an höheren Bandbreiten steigt (u. a. HD-Videos, Streaming) ständig. Im Außenbereich sind die Anbindung von Haushalten an das Internet (letzte Meile) oder [[Backhaul]]-Links im Mobilfunkbereich denkbar. Eine weitere Möglichkeit ist die Kommunikation zwischen Satelliten oder eine satellitengestützte Internetverbindung für Flugzeuge. Die beschränkte Reichweite und die geringe Verbreitung von Empfängern mag die Technik in Hinsicht auf Abhörbarkeit für militärische Zwecke interessant machen.<ref>{{Literatur |Autor=Martin Koch |Titel=Terahertz Communications: A 2020 vision |Sammelwerk=Terahertz Frequency Detection and Identification of Materials and Objects |Datum=2007 |Seiten=325–338}} {{DOI|10.1007/978-1-4020-6503-3_18}}</ref> | |||
Neben bisher ( | Neben bisher (2020) fehlenden kompakten, leistungsfähigen und preiswerten Sendern und Empfängern sind für breite Anwendungen die besonderen Eigenschaften der Terahertzstrahlung von Belang. In Gebäuden spielen Reflexionen an Oberflächen und Mehrschicht-Systemen sowie Streuung eine größere Rolle als bei üblichen Wellenlängen. Die starke Richtwirkung,<ref name="thz-future" /><ref name="concepts" /> die bei gleichzeitig kleinen Antennen möglich ist, bringt Vor- und Nachteile mit sich. | ||
=== Sicherheitstechnik === | === Sicherheitstechnik === | ||
Die Sicherheitskontrollen an Flughäfen wurden nach Zwischenfällen | Die Sicherheitskontrollen an Flughäfen wurden nach Zwischenfällen ab den 2000er Jahren verschärft und der Einsatz von auf Terahertzwellen basierenden [[Körperscanner]]n verspricht, Kontrollen zu beschleunigen und zuverlässiger zu machen. Terahertzstrahlen durchdringen Kleidungsstücke und werden von der Haut reflektiert. Unter der Kleidung versteckte Waffen aus Metall, Keramik oder Plastik sind somit erkennbar.<ref>{{Literatur |Autor=Roger Appleby |Titel=Standoff Detection of Weapons and Contraband in the 100 GHz to 1 THz Region |Datum=2007-11 |Kapitel=IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 55, No. 11 |Seiten=2944–2956 |DOI=10.1109/TAP.2007.908543}}</ref> Die Auflösung ist hoch genug, um Gegenstände am Körper zu sehen. | ||
Bei der Suche nach Sprengstoffen oder Drogen | Bei der Suche nach Sprengstoffen oder Drogen sind unbekannte Stoffe am Körper oder in Behältnissen oberhalb von 500 GHz mit typischen Absorptionsspektren nachweisbar.<ref name="davies">{{Literatur |Autor=A. Giles Davis u. a. |Titel=Terahertz spectroscopy of explosives and drugs |Sammelwerk=Materials Today |Band=Vol. 11 |Nummer=No. 3 |Datum=2007-03 |Seiten=18–26 |Online=https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702108700166 |Format=PDF |KBytes=621 |Abruf=2018-03-24}}</ref> Bisher waren Messungen jedoch häufig lediglich unter (idealisierten) Laborbedingungen erfolgreich: Absorptionsmessungen fanden in Transmission (gutes Signal-Rausch-Verhältnis), an reinen Stoffproben oder bei niedrigen Temperaturen (schärfere Spektren) statt. Die Herausforderungen einer möglichen Umsetzung sind folgende:<ref name="kemp">{{Literatur |Autor=Michael C. Kemp |Titel=Explosives Detection by Terahertz Spectroscopy - A Bridge Too Far? |Datum=2011-09 |Kapitel=IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology, Vol. 1, No. 1 |Seiten=282–292 |DOI=10.1109/TTHZ.2011.2159647}}</ref> Ab 500 GHz absorbiert die Atmosphäre deutlich stärker, Kleidung ist zwar weitgehend transparent, aber an den Grenzflächen kommt es zu Reflexionen, in den Materialien kommt es zu [[Streuung (Physik)|Streuung]]. Bei mehreren Kleidungsschichten wird das Signal sehr schwach.<ref>{{Literatur |Autor=C. Baker u. a. |Titel=People screening using terahertz technology, Proc. SPIE, vol. 5790 |Datum=2005 |Seiten=1–10}} {{Webarchiv |url=http://www.aparatura.ro/download/products_extra_files/People%20screening%20using%20terahertz%20technology.pdf |text=Link |wayback=20160304042632}} (PDF-Datei; 567 kB)</ref> Bei Stoffmischungen überlagern sich die Absorptionsspektren und die Identifikation wird erschwert. Die Oberflächenstruktur beeinflusst zusätzlich das Reflexionsverhalten. Deshalb äußern sich viele Wissenschaftler<ref name="kemp" /> äußerst kritisch zu einer einfachen Umsetzung. | ||
Neben | Neben Körperscannern gibt es weitere Anwendungen in der Sicherheitsbranche, deren Umsetzung realistisch scheint.<ref name="davies" /> Postsendungen könnten auf gefährliche oder verbotene Substanzen hin untersucht werden, Zusatzstoffe in Sprengstoffen könnten Rückschlüsse auf Herstellungsprozesse liefern und helfen, deren Herkunft zu ermitteln. | ||
Medikamente könnten | Medikamente könnten in der Verpackung auf Echtheit und Veränderung während der Lagerung überprüft werden. | ||
Das größte Hindernis ist derzeit ( | Das größte Hindernis ist derzeit (2020) das Fehlen preiswerter, kompakter und durchstimmbarer THz-Quellen.<ref name="davies" /> | ||
=== Biologie und Medizin === | === Biologie und Medizin === | ||
Der große Brechungsindex von organischem Gewebe im THz-Spektrum<ref name="medgen">{{Literatur | Autor = Siegel | Titel = Terahertz technology in biology and medicine | Sammelwerk = Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on, Vol. 52, No. 10 | Seiten = 2438–2447 | Der große Brechungsindex von organischem Gewebe im THz-Spektrum<ref name="medgen">{{Literatur |Autor=Siegel |Titel=Terahertz technology in biology and medicine |Sammelwerk=Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on, Vol. 52, No. 10 |Datum=0204 |Seiten=2438–2447 |DOI=10.1109/TMTT.2004.835916}}</ref> erlaubt sehr kontrastreiche Aufnahmen. Dies kann konventionelle Aufnahmetechniken ergänzen. Die Strahlung ist nicht-ionisierend. | ||
Entgegen früherer Erwartungen ist sie nicht gefahrlos für medizinische und biologische Anwendungen einsetzbar. Wird die Strahlung in eine Energieform umgewandelt, wird Gewebe beschädigt. Terahertzstrahlung erzeugt bei Wasser Schockwellen. Bestrahlte man in Studien in Wasser gelöstes Aktin mit 80 µJ/cm², halbierte dies die [[Aktin]]-Menge. Aktin ist das wichtigste Eiweiß zur Stabilisierung des [[Zytoskelett|Zellgerüstes]]. Terahertzstrahlen stören die Bildung dieser Filamente. | |||
Der Absorptionseffekt des Wassers begrenzt die Eindringtiefe auf zehn Mikrometer. Die Strahlung wird in mechanische Energie umgewandelt. Diese zerfetzt Aktinfilamente durch Druckwellen.<ref>https://www.nature.com/articles/s41598-020-65955-5 Yamazaki, S., Harata, M., Ueno, Y. et al. Propagation of THz irradiation energy through aqueous layers: Demolition of actin filaments in living cells. Scientific Reports 10, 9008 (2020).</ref> | |||
Auch Ganzkörperscanner (analog zu CT oder MRT) sind nicht möglich, da die Strahlung von der Haut absorbiert wird ohne den Körper zu durchdringen. Zur Diagnose ist die Technik bei nicht-invasivem Einsatz auf die Oberfläche beschränkt. Mittels endoskopischer Sonden kann die Oberfläche innerer Organe untersucht werden. | |||
Erste Studien zeigen das Potenzial bei der [[Krebs (Medizin)|Krebsfrüherkennung]] auf der Haut oder mit Sonden bei Darm- oder Gebärmutterhalskrebs<ref name="cancer">{{Literatur |Autor=Yu u. a. |Titel=The potential of terahertz imaging for cancer diagnosis: A review of investigations to date |Sammelwerk=Quantitative Imaging in Medicine and Surgery, Vol. 2, No. 1 |Datum=2012 |Seiten=33–45 |DOI=10.3978/j.issn.2223-4292.2012.01.04}}</ref>. Bei operativen Eingriffen zur Entfernung von Tumorzellen kann die Grenze zwischen Tumorzellen und gesundem Gewebe sichtbar gemacht werden. Krebszellen unterscheiden sich von gesunden Körperzellen unter anderem durch ihren Wassergehalt.<ref name="medgen" /> | |||
Mit THz-Strahlen ist das Ausmaß einer [[Verbrennung (Medizin)|Verbrennungskrankheit]] deutlich besser als mit bisherigen Methoden der Verbrennungsdiagnostik bestimmbar<ref name="burn">{{Literatur |Autor=Tewari u. a. |Titel=In vivo terahertz imaging of rat skin burns |Sammelwerk=Journal of Biomedical Optics, Vol. 17, No. 4 |Datum=2012-04 |Seiten=040503 |DOI=10.1117/1.JBO.17.4.040503}}</ref>. | |||
Durch die kohärente Messung von Terahertzpulsen kann die Dicke einer Probe bestimmt werden, indem die Zeitverzögerung beim Durchlaufen der Probe gemessen wird. Das THz-Spektrum liegt im Bereich vieler Vibrations- und Rotationsübergänge organischer Moleküle. Es erlaubt, zwischenmolekulare Bindungen von Molekülstrukturen in vivo zu untersuchen. Das Wissen um die dreidimensionale Molekülstruktur ist für viele biochemische Prozesse bedeutsam. | |||
Zu den Risiken der Terahertzstrahlung gibt es erste Studien.<ref name="medgen" /> Bedingt durch die ihre starke Absorption in Wasser kommt es zu lokalen Erwärmungen. An Zellkulturen fielen Einflüsse auf enzymatische Prozesse auf<ref name="risk">{{Literatur |Autor=Wilmink u. a. |Titel=Invited Review Article: Current State of Research on Biological Effects of Terahertz Radiation |Sammelwerk=Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, Vol. 32, No. 10 |Datum=2011 |Seiten=1074–1122 |DOI=10.1007/s10762-011-9794-5}}</ref>, dies lässt sich jedoch nicht unmittelbar auf den Menschen übertragen. | |||
Zu den Risiken der Terahertzstrahlung gibt es | |||
=== Astronomie === | === Astronomie === | ||
Auch in der [[Astronomie]] eröffnet die Terahertzstrahlung neue Möglichkeiten. <!--So misst | Auch in der [[Astronomie]] eröffnet die Terahertzstrahlung neue Möglichkeiten. <!--So misst die [[Europäische Weltraumorganisation]] damit die Oberflächentemperatur der [[Erde]]. siehe diskussion-->Der Nachweis einfacher chemischer Verbindungen wie Kohlenstoffmonoxid, Wasser, Cyanwasserstoff und vielen anderen ist durch Messung der Emissionen, die bei Rotationsübergängen der Moleküle entstehen, im Terahertzbereich möglich. Solche Instrumente (beispielsweise ''German Receiver for Astronomy at Terahertz Frequencies'', Great) werden in das fliegende Teleskop [[SOFIA]] eingebaut. Auch im Weltraumteleskop [[Herschel-Weltraumteleskop|Herschel]] waren derartige Instrumente im Einsatz. | ||
<div style="clear:both;"></div> | <div style="clear:both;"></div> | ||
<gallery> | <gallery> | ||
Backbody2-725.png|[[Hintergrundstrahlung]] für ''T'' = 2,725 [[Kelvin|K]] | Backbody2-725.png|[[Hintergrundstrahlung]] für ''T'' = 2,725 [[Kelvin|K]] | ||
blackbody287.png|[[Plancksches Strahlungsgesetz|Wärmestrahlung]] eines Körpers mit Erdtemperatur von ''T'' = 287 K | blackbody287.png|[[Plancksches Strahlungsgesetz|Wärmestrahlung]] eines Körpers mit Erdtemperatur von ''T'' = 287 K | ||
THz Antenne.jpg|1,5-THz-Breitband-[[Spiralantenne]] für die Astronomie | THz Antenne.jpg|1,5-THz-Breitband-[[Spiralantenne]] für die Astronomie | ||
</gallery> | </gallery> | ||
=== Zeitaufgelöste Messungen === | === Zeitaufgelöste Messungen === | ||
Mittels Laseranregung (Femtosekundenpulse von | Mittels Laseranregung (Femtosekundenpulse von n) von Halbleitern können Terahertzpulse im sub-Picosekundenbereich erzeugt werden<ref>http://www.pro-physik.de/details/articlePdf/1108825/issue.html Harald Gießen: „Schnappschuss im Halbleiter“, in Physik Journal 1 (2002) Nr. 1, Seite 18f</ref>. Sie eignen sich zur Messung physikalischer oder chemischer Prozesse auf dieser Zeitskala. Ein Beispiel ist die ''Pump-Probe''-Messung zur Untersuchung der Dynamik von [[Ladungsträger (Physik)|Ladungsträgern]] in [[Halbleiter]]n. Die Änderung der Transmission des Terahertzpulses wird gemessen in Abhängigkeit von der Zeit, die seit der Anregung verging. | ||
== Literatur == | == Literatur == | ||
* {{Literatur | Autor=Kiyomi Sakai| Titel=Terahertz optoelectronics | Verlag=Springer| Ort=Berlin| | * {{Literatur |Autor=Kiyomi Sakai |Titel=Terahertz optoelectronics |Verlag=Springer |Ort=Berlin |Datum=2005 |ISBN=3-540-20013-4}} | ||
* {{Literatur | Autor=Daniel Mittleman| Titel=Sensing with Terahertz radiation | Verlag=Springer| Ort=Berlin| | * {{Literatur |Autor=Daniel Mittleman |Titel=Sensing with Terahertz radiation |Verlag=Springer |Ort=Berlin |Datum=2003 |ISBN=3-540-43110-1}} | ||
* {{Literatur | Autor=George H. Rieke| Titel=Detection of Light: From the Ultraviolet to the Submillimeter | Verlag=Cambridge University Press | Ort=Cambridge | | * {{Literatur |Autor=George H. Rieke |Titel=Detection of Light: From the Ultraviolet to the Submillimeter |Auflage=2. |Verlag=Cambridge University Press |Ort=Cambridge |Datum=2002 |ISBN=0-521-81636-X}} | ||
== Weblinks == | == Weblinks == | ||
* Marcus Haas: ''[http://wissenschaft.marcus-haas.de/technologie/terahertzwellen.html Kurzer Überblick].'' Bremen, siehe „Neue Technologien“ | * Marcus Haas: ''[http://wissenschaft.marcus-haas.de/technologie/terahertzwellen.html Kurzer Überblick].'' Bremen, siehe „Neue Technologien“ | ||
* ''{{Webarchiv | url=http://www.ipm.fraunhofer.de/de/Idee_Kompetenzen/terahertz.html | * ''{{Webarchiv |url=http://www.ipm.fraunhofer.de/de/Idee_Kompetenzen/terahertz.html |text=Kurzer anwendungsbezogener Überblick |wayback=20130405065051}}.'' Fraunhofer-Institut an der TU Kaiserslautern | ||
* [http://www.ruhr-uni-bochum.de/acc/terahertz/profil/ Applied Competence Cluster (ACC) Terahertz] an der [[Ruhr-Uni Bochum]] | * [http://www.ruhr-uni-bochum.de/acc/terahertz/profil/ Applied Competence Cluster (ACC) Terahertz] an der [[Ruhr-Uni Bochum]] | ||
* ''[http://www.physik.uni-regensburg.de/forschung/ganichev THz-Zentrum (TerZ) an der U Regensburg]'' ( | * ''[http://www.physik.uni-regensburg.de/forschung/ganichev THz-Zentrum (TerZ) an der U Regensburg]'' (englisch) | ||
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Aktuelle Version vom 31. Dezember 2021, 10:46 Uhr
Die Terahertzstrahlung, auch Submillimeterwellen genannt, ist eine elektromagnetische Welle und liegt im elektromagnetischen Spektrum zwischen der Infrarotstrahlung und den Mikrowellen.
Einordnung der Terahertzstrahlung im elektromagnetischen Spektrum zwischen Infrarot und Mikrowellen.
Die Bildsymbole von links nach rechts:
Radioaktive Strahlung, Röntgenstrahlung, UV-Strahlung, sichtbares Licht, Infrarot, Mikrowellen, Radiowellen.
Die Bildsymbole von links nach rechts:
Radioaktive Strahlung, Röntgenstrahlung, UV-Strahlung, sichtbares Licht, Infrarot, Mikrowellen, Radiowellen.
Bei einer Wellenlänge kleiner als 1 mm (= 1000 µm) liegt ihr Frequenzbereich dementsprechend oberhalb 300 GHz. Die Grenzen sind nicht einheitlich definiert und liegen bei 0,3 THz bis 6 THz,[1] 10 THz[2] und 30 THz.[3]
Der Bereich der Terahertzstrahlung wird manchmal auch dem fernen Infrarot zugeordnet. Terahertzstrahlung liegt in dem Bereich, den Überlagerungsempfänger fast nicht mehr, optische Sensoren aber noch nicht abdecken, und ist deswegen Gegenstand intensiver Anwendungsentwicklungen geworden.
Eigenschaften
Da die Terahertzstrahlung lange kaum zu erzeugen war, sprach man auch von der Terahertz-Lücke im elektromagnetischen Spektrum. Diese Lücke befand sich zwischen dem Frequenzbereich, den die Mikrowellentechnik erschloss und dem Infrarotfrequenzbereich. Das Hauptproblem der Nutzung des Terahertz-Frequenzbereichs war die Herstellung von Sendern und Empfängern. Kompakte Sender mit ausreichender Ausgangsleistung sind bislang aufgrund geringer Stückzahlen sehr teuer. Auch die Empfängertechnik bedarf weiterer Entwicklung, um schwächere Signale erkennen zu können. Der Nachweis breitbandiger gepulster Terahertzstrahlung erfolgt beispielsweise im Pump-Probe-Aufbau mit photoleitenden Antennen oder unter Ausnutzung des elektrooptischen Pockels-Effekts.[4] Mit Bolometern oder mit Golay-Zellen wird kontinuierliche Terahertzstrahlung nachgewiesen.[5]
Terahertzstrahlung durchdringt viele dielektrische Materialien, beispielsweise Papier, Kleidung oder Kunststoff sowie organisches Gewebe. Es wirkt aufgrund der geringen Photonenenergie – im Bereich von wenigen Milli-Elektronenvolt – nicht ionisierend. In diesem Energiebereich liegen viele Molekülrotationen, was die Terahertzstrahlung für die Spektroskopie sehr interessant macht, um spezifische Stoffe nachzuweisen. Wasser und andere polare Stoffe absorbieren die Strahlen und werden dadurch erwärmt. Terahertzstrahlung wird von Wasser stark abgeschwächt und von Metall reflektiert. Der Absorptionskoeffizient von Wasser bei 1 THz beträgt 230 cm−1.[6]
Technologie
Kontinuierliche Terahertzstrahlung
Jeder Körper emittiert Wärmestrahlung, auch im Terahertzbereich. Da diese Strahlung inkohärent ist, muss ein solcher Sender als Rauschquelle betrachtet werden. Um die sehr geringe Rauschleistung, die Körper gemäß dem Planckschen Strahlungsgesetz aussenden, nachweisen zu können, setzt man hochempfindliche radiometrische Messgeräte ein. Radiometer können dabei ungekühlt als auch gekühlt (meist auf 4 K) aufgebaut werden. Bei gekühlten Radiometern wird meist auf supraleitende Mischerelemente wie Bolometer oder SIS-Mischer zurückgegriffen. Bei ungekühlten Radiometern können auch GaAs-Schottky-Dioden zum Einsatz kommen.
Zur Erzeugung kohärenter Terahertzstrahlung kommen verschiedene Sender in Frage. Eine Variante ist die Frequenzvervielfachung (meist mit GaAs-Schottky-Dioden), eine andere die Differenzfrequenzbildung zweier Lasersignale (beispielsweise von Distributed Feedback Lasern) an nichtlinearen Bauelementen, existieren Quantenkaskadenlaser, Molekülgaslaser, Freie-Elektronen-Laser, optisch-parametrische Oszillatoren und Rückwärtswellenoszillatoren. Wird ein hoher Frequenz-Durchstimmbereich benötigt, setzt man häufig Photomischer (Low-Temperature-Grown GaAs, Uni-travelling-Carrier Photodioden, n-i-pn-i-p-Übergitter-Photodioden) ein, die die Differenzfrequenz zweier Laser in Wechselstrom umwandeln. Dieser wird durch eine geeignete Antenne abgestrahlt.
Gepulste Terahertzstrahlung
Ultrakurze Laserpulse mit einer Dauer von einigen Femtosekunden (1 fs = 10−15 s) können in Halbleitern oder nichtlinear optischen Materialien Terahertzpulse im Pikosekundenbereich (1 ps = 10−12 s) erzeugen. Diese Terahertzpulse bestehen aus nur ein bis zwei Zyklen der elektromagnetischen Schwingung – durch elektrooptische Methoden können sie auch zeitaufgelöst gemessen werden.
Anwendungen
Spektroskopie
Terahertz-Spektroskopie untersucht Substanzen mit schwachen Bindungen, beispielsweise Wasserstoffbrückenbindungen, oder Bindungen mit schweren Bindungspartnern, beispielsweise kollektive Anregung von Atomverbänden, das sind Phononen in Kristallen.
Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung
Da viele Materialien wie Papier, Kunststoffe oder Keramiken für Terahertzstrahlung durchlässig sind, andere wie Metalle oder Wasser aber nicht, ergänzen Terahertzabbildungen andere Methoden wie optische oder Röntgenbilder. Zudem sind damit auch spektroskopische Informationen räumlich aufgelöst zu erhalten. Dadurch werden Defekte im Inneren eines Körpers sichtbar, ohne diesen zerstören zu müssen. Solche im medizinischen Bereich nicht-invasiv oder antidestruktiv genannten Methoden haben gegenüber Röntgenstrahlung den Vorteil, dass Terahertzstrahlung keine Erbgutschäden verursacht, die bei der ionisierend wirkenden Röntgenstrahlung unvermeidlich sind.
Kommunikation
Drahtlose Kommunikation (vgl. Funknetz) arbeitet typischerweise bei Trägerfrequenzen im Mikrowellenbereich. WLANs oder Mobilfunk (LTE-Advanced) erreichen Übertragungsraten von einigen 100 Mbit/s – prinzipiell sind ca. 10 Gbit/s möglich.[7] Das Frequenzspektrum bis 275 GHz ist stark reguliert. Es bietet zu wenig ungenutzte Bandbreite, um dem steigenden Bedarf (Verdopplung alle 18 Monate.[8]) in Zukunft gerecht zu werden.
THz-Strahlung bietet sich an, weil Frequenzen zwischen 300 GHz und 1 THz bisher keiner Regulation unterliegen. Höhere Trägerfrequenzen können mit großen Bandbreiten (10…100 GHz) arbeiten und ermöglichen so Übertragungsraten mit mehr als 100 Gbit/s.[9] Es wurde bereits Datenraten von 24 Gbit/s bei 300 GHz[10] und 100 Gbit/s bei 237,5 GHz (auf 4 Kanälen)[11] demonstriert. Die Überlagerungsempfangs-Technik ermöglicht die Nutzung verschiedener Trägerfrequenzen unterhalb 1 THz. Dies könnte kommerzielle Richtfunk-Verbindungen ermöglichen (für den Privatgebrauch sind diese Systeme derzeit zu groß und zu teuer). Der Wasserdampf in der Atmosphäre absorbiert THz-Strahlen und begrenzt ihre Ausbreitung. Unterhalb von 1 THz kommen nur drei Frequenzfenster mit einer Dämpfung von unter 60 dB/km,[9] für die Telekommunikation in Frage. Jenseits von 1 THz steigt die Absorption (von Wasserdampf und anderen Gasen[7]) in der Atmosphäre zu stark an, um in diesen Bereich hohen Datenraten zu übertragen. Diese Einschränkung definiert mögliche Anwendungsbereiche.[12][9] Die Dämpfung in der Atmosphäre spielt bei Datenkommunikation in Innenräumen keine große Rolle. Der Bedarf an höheren Bandbreiten steigt (u. a. HD-Videos, Streaming) ständig. Im Außenbereich sind die Anbindung von Haushalten an das Internet (letzte Meile) oder Backhaul-Links im Mobilfunkbereich denkbar. Eine weitere Möglichkeit ist die Kommunikation zwischen Satelliten oder eine satellitengestützte Internetverbindung für Flugzeuge. Die beschränkte Reichweite und die geringe Verbreitung von Empfängern mag die Technik in Hinsicht auf Abhörbarkeit für militärische Zwecke interessant machen.[13]
Neben bisher (2020) fehlenden kompakten, leistungsfähigen und preiswerten Sendern und Empfängern sind für breite Anwendungen die besonderen Eigenschaften der Terahertzstrahlung von Belang. In Gebäuden spielen Reflexionen an Oberflächen und Mehrschicht-Systemen sowie Streuung eine größere Rolle als bei üblichen Wellenlängen. Die starke Richtwirkung,[7][9] die bei gleichzeitig kleinen Antennen möglich ist, bringt Vor- und Nachteile mit sich.
Sicherheitstechnik
Die Sicherheitskontrollen an Flughäfen wurden nach Zwischenfällen ab den 2000er Jahren verschärft und der Einsatz von auf Terahertzwellen basierenden Körperscannern verspricht, Kontrollen zu beschleunigen und zuverlässiger zu machen. Terahertzstrahlen durchdringen Kleidungsstücke und werden von der Haut reflektiert. Unter der Kleidung versteckte Waffen aus Metall, Keramik oder Plastik sind somit erkennbar.[14] Die Auflösung ist hoch genug, um Gegenstände am Körper zu sehen.
Bei der Suche nach Sprengstoffen oder Drogen sind unbekannte Stoffe am Körper oder in Behältnissen oberhalb von 500 GHz mit typischen Absorptionsspektren nachweisbar.[15] Bisher waren Messungen jedoch häufig lediglich unter (idealisierten) Laborbedingungen erfolgreich: Absorptionsmessungen fanden in Transmission (gutes Signal-Rausch-Verhältnis), an reinen Stoffproben oder bei niedrigen Temperaturen (schärfere Spektren) statt. Die Herausforderungen einer möglichen Umsetzung sind folgende:[16] Ab 500 GHz absorbiert die Atmosphäre deutlich stärker, Kleidung ist zwar weitgehend transparent, aber an den Grenzflächen kommt es zu Reflexionen, in den Materialien kommt es zu Streuung. Bei mehreren Kleidungsschichten wird das Signal sehr schwach.[17] Bei Stoffmischungen überlagern sich die Absorptionsspektren und die Identifikation wird erschwert. Die Oberflächenstruktur beeinflusst zusätzlich das Reflexionsverhalten. Deshalb äußern sich viele Wissenschaftler[16] äußerst kritisch zu einer einfachen Umsetzung.
Neben Körperscannern gibt es weitere Anwendungen in der Sicherheitsbranche, deren Umsetzung realistisch scheint.[15] Postsendungen könnten auf gefährliche oder verbotene Substanzen hin untersucht werden, Zusatzstoffe in Sprengstoffen könnten Rückschlüsse auf Herstellungsprozesse liefern und helfen, deren Herkunft zu ermitteln. Medikamente könnten in der Verpackung auf Echtheit und Veränderung während der Lagerung überprüft werden.
Das größte Hindernis ist derzeit (2020) das Fehlen preiswerter, kompakter und durchstimmbarer THz-Quellen.[15]
Biologie und Medizin
Der große Brechungsindex von organischem Gewebe im THz-Spektrum[18] erlaubt sehr kontrastreiche Aufnahmen. Dies kann konventionelle Aufnahmetechniken ergänzen. Die Strahlung ist nicht-ionisierend. Entgegen früherer Erwartungen ist sie nicht gefahrlos für medizinische und biologische Anwendungen einsetzbar. Wird die Strahlung in eine Energieform umgewandelt, wird Gewebe beschädigt. Terahertzstrahlung erzeugt bei Wasser Schockwellen. Bestrahlte man in Studien in Wasser gelöstes Aktin mit 80 µJ/cm², halbierte dies die Aktin-Menge. Aktin ist das wichtigste Eiweiß zur Stabilisierung des Zellgerüstes. Terahertzstrahlen stören die Bildung dieser Filamente. Der Absorptionseffekt des Wassers begrenzt die Eindringtiefe auf zehn Mikrometer. Die Strahlung wird in mechanische Energie umgewandelt. Diese zerfetzt Aktinfilamente durch Druckwellen.[19] Auch Ganzkörperscanner (analog zu CT oder MRT) sind nicht möglich, da die Strahlung von der Haut absorbiert wird ohne den Körper zu durchdringen. Zur Diagnose ist die Technik bei nicht-invasivem Einsatz auf die Oberfläche beschränkt. Mittels endoskopischer Sonden kann die Oberfläche innerer Organe untersucht werden. Erste Studien zeigen das Potenzial bei der Krebsfrüherkennung auf der Haut oder mit Sonden bei Darm- oder Gebärmutterhalskrebs[20]. Bei operativen Eingriffen zur Entfernung von Tumorzellen kann die Grenze zwischen Tumorzellen und gesundem Gewebe sichtbar gemacht werden. Krebszellen unterscheiden sich von gesunden Körperzellen unter anderem durch ihren Wassergehalt.[18]
Mit THz-Strahlen ist das Ausmaß einer Verbrennungskrankheit deutlich besser als mit bisherigen Methoden der Verbrennungsdiagnostik bestimmbar[21].
Durch die kohärente Messung von Terahertzpulsen kann die Dicke einer Probe bestimmt werden, indem die Zeitverzögerung beim Durchlaufen der Probe gemessen wird. Das THz-Spektrum liegt im Bereich vieler Vibrations- und Rotationsübergänge organischer Moleküle. Es erlaubt, zwischenmolekulare Bindungen von Molekülstrukturen in vivo zu untersuchen. Das Wissen um die dreidimensionale Molekülstruktur ist für viele biochemische Prozesse bedeutsam. Zu den Risiken der Terahertzstrahlung gibt es erste Studien.[18] Bedingt durch die ihre starke Absorption in Wasser kommt es zu lokalen Erwärmungen. An Zellkulturen fielen Einflüsse auf enzymatische Prozesse auf[22], dies lässt sich jedoch nicht unmittelbar auf den Menschen übertragen.
Astronomie
Auch in der Astronomie eröffnet die Terahertzstrahlung neue Möglichkeiten. Der Nachweis einfacher chemischer Verbindungen wie Kohlenstoffmonoxid, Wasser, Cyanwasserstoff und vielen anderen ist durch Messung der Emissionen, die bei Rotationsübergängen der Moleküle entstehen, im Terahertzbereich möglich. Solche Instrumente (beispielsweise German Receiver for Astronomy at Terahertz Frequencies, Great) werden in das fliegende Teleskop SOFIA eingebaut. Auch im Weltraumteleskop Herschel waren derartige Instrumente im Einsatz.
Hintergrundstrahlung für T = 2,725 K
Wärmestrahlung eines Körpers mit Erdtemperatur von T = 287 K
1,5-THz-Breitband-Spiralantenne für die Astronomie
Zeitaufgelöste Messungen
Mittels Laseranregung (Femtosekundenpulse von n) von Halbleitern können Terahertzpulse im sub-Picosekundenbereich erzeugt werden[23]. Sie eignen sich zur Messung physikalischer oder chemischer Prozesse auf dieser Zeitskala. Ein Beispiel ist die Pump-Probe-Messung zur Untersuchung der Dynamik von Ladungsträgern in Halbleitern. Die Änderung der Transmission des Terahertzpulses wird gemessen in Abhängigkeit von der Zeit, die seit der Anregung verging.
Literatur
- Kiyomi Sakai: Terahertz optoelectronics. Springer, Berlin 2005, ISBN 3-540-20013-4.
- Daniel Mittleman: Sensing with Terahertz radiation. Springer, Berlin 2003, ISBN 3-540-43110-1.
- George H. Rieke: Detection of Light: From the Ultraviolet to the Submillimeter. 2. Auflage. Cambridge University Press, Cambridge 2002, ISBN 0-521-81636-X.
Weblinks
- Marcus Haas: Kurzer Überblick. Bremen, siehe „Neue Technologien“
- Kurzer anwendungsbezogener Überblick (Memento vom 5. April 2013 im Internet Archive). Fraunhofer-Institut an der TU Kaiserslautern
- Applied Competence Cluster (ACC) Terahertz an der Ruhr-Uni Bochum
- THz-Zentrum (TerZ) an der U Regensburg (englisch)
- H. Bolivar: Anwendungspotenzial in der Medizin – Uni Siegen
Einzelnachweise
- ↑ L. S. von Chrzanowski, J. Beckmann, B. Marchetti, U. Ewert, U. Schade: Terahertz-Strahlung – Möglichkeiten für die Zerstörungsfreie Prüfung von Flüssigkeiten. In: DGZfP-Jahrestagung 2010 - Di.3.B.2. 2010 (ndt.net [PDF]).
- ↑ H.-W. Hübers: Terahertz-Wellen. In: Welt der Physik der Deutschen Physikalischen Gesellschaft e.V. Abgerufen am 24. März 2018.
- ↑ https://www.mpg.de/10557881/terahertz-strahlung-quelle Tobias Kampfrath: „Terahertzstrahlung: Eine Quelle für sichere Lebensmittel“, in Forschung/Aktuelles der Web site der Max-Planck-Gesellschaft.
- ↑ Ashish Y. Pawar, Deepak D. Sonawane, Kiran B. Erande, Deelip V. Derle: Terahertz technology and its applications. In: Drug Invention Today. Band 5, Nr. 2, 1. Juni 2013, S. 157–163, doi:10.1016/j.dit.2013.03.009 (sciencedirect.com [abgerufen am 18. Oktober 2016]).
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- ↑ 7,0 7,1 7,2 Ho-Jin Song: Present and Future of Terahertz Communications. In: IEEE Transaction on Terahertz Science and Technology, Vol. 1, No. 1. September 2011, S. 256–263, doi:10.1109/TTHZ.2011.2159552.
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- ↑ Tewari u. a.: In vivo terahertz imaging of rat skin burns. In: Journal of Biomedical Optics, Vol. 17, No. 4. April 2012, S. 040503, doi:10.1117/1.JBO.17.4.040503.
- ↑ Wilmink u. a.: Invited Review Article: Current State of Research on Biological Effects of Terahertz Radiation. In: Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, Vol. 32, No. 10. 2011, S. 1074–1122, doi:10.1007/s10762-011-9794-5.
- ↑ http://www.pro-physik.de/details/articlePdf/1108825/issue.html Harald Gießen: „Schnappschuss im Halbleiter“, in Physik Journal 1 (2002) Nr. 1, Seite 18f
