Terahertzwellen

Das elektromagnetische Spektrum umfasst einen weiten Bereich, von der Röntgenstrahlung bis zum UV-Licht über das sichtbare Licht bis hin zu Wärmestrahlung, Mikro- und Radiowellen. Aber zwischen der Infrarotstrahlung und den Mikrowellen befindet sich ein Bereich, der bisher nur sehr schwer zugänglich war obwohl er überaus faszinierende Einblicke liefern kann - es ist der Bereich der Terahertzwellen zwischen 100GHz und ca. 30THz (1 THz = 1012 Schwingungen pro Sekunde).

Das ändert sich jetzt. Zwar war es auch schon vorher möglich Terahertzwellen zu registrieren und zu produzieren aber das gelang nur mit großem Aufwand und war nicht wirtschaftlich. Ein Projekt, dass diesen Nachteil jetzt vom Tisch gefegt hat ist STARTIGER - Space Technology Advancements by Resourceful, Targeted and Innovative Groups of Experts and Researchers - eine Initiative der ESA.

Aber die Anwendungen der Submillimeterwellen sind bei weitem nicht auf Astronomische Beobachtungen begrenzt. Die besonderen Eigenschaften der Strahlung machen sie für ein breites Spektrum von Anwendungen interessant. Dazu gehören unter anderem neue bildgebende Verfahren in der Medizin, wo Röntgenuntersuchungen zum Teil ersetzt werden könnten, Material- und Strukturanalysen in der Luftfahrt oder auch die Detektion von Sprengstoffen oder keramischen Waffen an Flughäfen und nicht zuletzt neue Untersuchungsverfahren in der Biologie.

Die Kamera des Startiger-Projekts arbeitet dabei völlig passiv, d.h. es ist nicht erforderlich das zu untersuchende Objekt mit T-Strahlen zu beschießen weil jeder Körper ein eigenes Spektrum im Bereich der THz-Wellen hat, ganz unabhängig davon, ob es sich dabei um die Hand eines Patienten handelt, eine chemische Verbindung, Wasser oder ein ferner Stern.

Die Strahlung wird ganz allgemein von Materie ausgesandt, weil es sich dabei um die typischen Frequenzen für Schwingungen in Molekülen handelt, aber auch bestimmte Kristallschwingungen sind in diesem Frequenzbereich zu finden.

In der Astronomie verspricht man sich neue Erkenntnisse über die Prozesse die für die Bildung von Sternen und Galaxien verantwortlich sind. Die Unweltforschung erwartet neue Erkenntnisse über die Vorgänge in der Atmosphäre, insbesondere die chemischen Prozesse beim Abbau von Ozon.

Aber insbesondere in der Medizin tun sich neue Untersuchungsmethoden auf, so bietet sich hier ein Verfahren das ohne ionisierende Strahlung auskommt, so könnten Zahnmedizinische Röntgenuntersuchungen vielleicht in Zukunft durch eine T-Wellen-Kamera ersetzt oder zumindest ergänzt werden. Aber auch bei Hautkrebsdiagnose könnten T-Wellen hinweise liefern ob es sich bei der Hautanomalie tatsächlich um ein Melanom handelt.

Weil jeder Stoff sein ganz spezifisches Spektrum im Terahertzbereich hat, ist es nicht nur möglich wie bei Röntgenstrahlung unterschiedliche Dichten zu unterscheiden sondern tatsächlich unterschiedliche Materialien zu identifizieren, was zum Beispiel bei der Detektion von Plastiksprengstoffen oder Pulvern in Briefumschlägen wichtig sein kann.

Außerdem bietet sich für Chemie und Biologie ein neues Werkzeug, um Verbindungen und Makromoleküle - wie z.B. Proteine oder DNS - in Aufbau und Dynamik zu untersuchen

Und da Terahertzwellen auch Nebel durchdringen können, wird darüber nachgedacht das Fliegen insbesondere Im Landanflug mit dieser Technik noch etwas sicherer zu machen.

Aber THz hat auch seine Grenzen, so lässt sich die Strahlung durch Wasser und Metalle leicht abschirmen, was auch der Untersuchung des Menschen, der ja zum größten Teil aus Wasser besteht Grenzen setzt. Sie wird deshalb bisherige Anwendungen nicht vollständig ersetzen aber in weiten Bereichen ergänzen und neue Möglichkeiten eröffnen.

Bei vielen Anwendungen genügt eine Kamera wie die des Startiger-Teams - die übrigens in einem Entwicklungsmarathon von nur vier Monaten entwickelt wurde - jedoch nicht, man benötigt eine Quelle von T-Strahlung um Objekte aktiv durchleuchten zu können, doch auch hier hat die Strahlung noch Vorteile gegenüber der Röntgenuntersuchung, weil sie in Geweben keine Schäden verursachen kann.

Aber eine solche Lampe war erst mit den neuen Lasern möglich, die in der Lage sind ultrakurze Laserimpulse - mit einer Dauer von Femtosekunden (10-15 Sekunden) - im Infrarotbereich, in schneller Folge zu produzieren. Diese Laser können in einem Halbleiterkristall aus Galliumarsenid die Emission von Terahertzstrahlung anregen, diese Strahlung von etwa 100fs Dauer kann dann zur spektrografischen Untersuchung genutzt werden. Eine weitere Möglichkeit ist, es Laserlicht durch einen sogenannten nicht-linearen Kristall zu schicken. In dem Kristall bewegen sich unterschiedliche Frequenzen unterschiedlich schnell - deswegen nicht-linear - und überlagern sich teilweise so das Terahertzwellen als Differenzen aus der Überlagerung anderer Frequenzen entstehen.

Dabei kann ein Terahertz Pulse Imaging System (Terahertz-Puls-Bildgebungssystem, TPI) sowohl die durchgehende als auch die reflektierte Strahlung einer THz-Quelle detektieren und auswerten, da je nach Zusammensetzung ganz bestimmte Frequenzen absorbiert werden. Da die reflektierten Anteile vom TPI von tieferen Schichten im untersuchten Objekt länger brauchen um wieder registriert zu werden ist wie beim Ultraschal auch eine Räumliche Auflösung möglich.

Erste Laser die selbst im Terahertzspektrum arbeiten werden derzeit von Teraview Limited, einem Spin-off Toshibas, der Universität von Cambridge, und des National Institute for the Physics of Matter (INFM) in Italien gemeinsam entwickelt. Sie benötigen derzeit aber noch eine Arbeitstemperatur von 50K (-223C°), es wird aber daran gearbeitet die Temperatur zu erhöhen, um praktische Anwendungen zu ermöglichen.

Der Vorteil genau diesen interessanten Teil des elektromagnetischen Spektrums abzudecken ist aber gleichzeitig ein Problem, denn die Wellenlänge im Bereich von Millimetern lässt eine optische Auflösung lediglich bis hinunter zu 0,5mm zu, was nicht genug ist, wenn man z.B. einzelne Zellen untersuchen möchte.

An der Technischen Universität Delft in den Niederlanden hat man allerdings einen Weg gefunden, um dieser Grenze des Auflösungsvermögens ein Schnippchen zu schlagen. Ziel ist es, die Auflösung letztendlich um einen Faktor 1000 zu verbessern. Die Forscher haben zeigen können, dass es möglich ist mit THz-Wellen Auflösungen bis hinunter zu 8 mikrometern zu erreichen, wenn man das elektromagnetische Feld der T-Strahlung mit einer feinen Metallspitze verzerrt. Man kann sich das so vorstellen, dass man Licht durch ein Loch schickt, das viel kleiner ist als seine Wellenlänge, hat es das Loch passiert bleibt es etwa für die Länge einer Wellenlänge auf diesen Bereich beschränkt und divergiert danach um so stärker. So ist es möglich eine Probe unterhalb des Senders mit hoher Auflösung schrittweise abzutasten und zu untersuchen.

All diese Möglichkeiten und neuen Untersuchungsmethoden treiben die Forschung auf diesem Gebiet mit großer Geschwindigkeit voran. Es wird erwartet, dass die ersten praktischen Anwendungen schon innerhalb der nächsten zehn Jahre marktreif sein dürften.


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