Die Terahertz-Technologie und ihre möglichen Anwendungen · Der THz-Frequenzbereich von etwa 0,2...

Die Terahertz-Technologie und ihre möglichen Anwendungen

Fachgespräch, Analyse, Ausblick Andreas Hoffknecht Dirk Holtmannspötter Axel Zweck Herausgeber: Zukünftige Technologien Consulting der VDI Technologiezentrum GmbH Graf-Recke-Str. 84 40239 Düsseldorf im Auftrag und mit Unterstützung des Bundesministerium für Bildung und Forschung

Diese Technologieanalyse entstand im Rahmen des Vorhabens „Technologiefrüherken-nung für das Bundesministerium für Bildung und Forschung” (Förderkennzeichen NT 2113A) der Abteilung Zukünftige Technologien Consulting der VDI Technologiezen-trum GmbH im Auftrag und mit Unterstützung des Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), Referat 513. Das BMBF war an der Abfassung der Aufgabenstel-lung und der wesentlichen Randbedingungen beteiligt. Das BMBF hat das Ergebnis der Studie nicht beeinflusst; der Auftragnehmer trägt allein die Verantwortung. Projektleitung: Dr. Dr. Axel Zweck

Durchführung: Dr. Andreas Hoffknecht

Dr. Dirk Holtmannspötter

Dank gilt den Teilnehmern des Fachgespräches und allen anderen Experten, die wertvol-le Anregungen gegeben haben. Zukünftige Technologien Nr. 64 Düsseldorf, im Dezember 2006 ISSN 1436-5928 Für den Inhalt zeichnen die Autoren verantwortlich. Die geäußerten Auffassungen stimmen nicht unbedingt mit der Meinung des Bundesministerium für Bildung und For-schung überein. Außerhalb der mit dem Auftraggeber vertraglich vereinbarten Nutzungsrechte sind alle Rechte vorbehalten, auch die des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen photomechanischen Wiedergabe (Photokopie, Mikrokopie) und das der Übersetzung. Titelbild: Mögliche Anwendungen der Terahertz-Technologie: Oben links: Lokale hochbitratige Funksysteme könnten eingesetzt werden, um das soge-nannte „last mile“-Problem zu lösen (Illustration nach M. Koch, vgl. S. 37). Oben rechts: THz-Bild einer verschlossenen Streichholzschachtel mit einer Büroklam-mer als Inhalt (A. W. Hübers, vgl. S. 12).

Zukünftige Technologien Consulting (ZTC) der VDI Technologiezentrum GmbH

Graf-Recke-Straße 84 40239 Düsseldorf

Die VDI Technologiezentrum GmbH ist im Auftrag und mit Unterstützung des Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) tätig.

Vorwort

Ziel der Technologiefrüherkennung für das Bundesministerium für Bildung und For-schung ist es für die künftige technische und wirtschaftliche Entwicklung Deutschlands besonders relevante Technologieoptionen aus der Vielfalt wissenschaftlicher Entwick-lungen herauszuarbeiten. Das rechtzeitige Erkennen zukunftsrelevanter Technologieop-tionen ermöglicht Innovationsprozesse frühzeitiger anzustoßen und ist somit ein Beitrag zur Beschleunigung der Frühphase von Innovationsprozessen.

Ein Hilfsmittel zur Identifikation neuer Themen ist die Literaturbeobachtung. Für das Thema der vorliegenden Technologieanalyse, Terahertz-Technologie, ergab unsere bibliometrische Beobachtung einen deutlichen Anstieg der wissenschaftlichen Aktivität. Zugleich ließ sich beobachten, dass die Zahl wissenschaftlicher Konferenzen, die sich ganz oder teilweise diesem Thema widmeten, zunahm. Ein ähnliches Ansteigen des Inte-resses ließ sich aus der Beobachtung der weltweiten Forschungsförderung ablesen.

Eine Besonderheit der Terahertz-Technologie ist, dass sie im Zusammenhang mit der auch in Deutschland intensiv geführten Diskussion um Sicherheit als ein potentieller technologischer Beitrag diskutiert wird. Die Terahertz-Technologie wurde und wird in der Presse als möglicher Ersatz für Röntgenstrahlung im Bereich Sicherheitstechnik dis-kutiert. Auch andere Anwendungen, wie in der Medizin fanden früh Eingang in die Presseberichterstattung.

Diese gleichzeitigen Hinweise von Technologieangebots- und Bedarfsseite treffen im frühen Stand der technisch-wissenschaftlichen Entwicklung einer Technologie nicht oft zusammen und waren daher fast zwingender Anlass zu einer intensiveren Bewertung des Technologiefeldes Terahertz-Technologie im Rahmen der Technologiefrüherkennung.

Tatsächlich zeigt die Terahertz-Technologie ein vielfältiges Anwendungspotenzial. An-wendungen im Bereich der Sicherheitstechnik scheinen sehr realistisch zu sein. Da hier der Kostendruck geringer ist, könnte die Sicherheitstechnik zu einem „Türöffner“ für dieTHz-Technologie werden. Die technologische Basis in Deutschland und die interna-tionale Wettbewerbsfähigkeit sind hervorragend.

Dr. Dr. Axel Zweck

Leiter Zukünftige Technologien Consulting der VDI Technologiezentrum GmbH

Inhaltsverzeichnis 1 EINLEITUNG 1

2 VORTRÄGE 3

2.1 Terahertz-Technologien und -Anwendungen im Spannungsbogen 3 zwischen Photonik und Elektronik

T. Löffler, H. G. Roskos (Universität Fraknfurt)

2.2 Terahertz-Anwendungen in der Sicherheitstechnik 11

H.W. Hübers (DLR Berlin)

2.3 Anwendungspotenzial von passiven THz-Empfangssystemen 16

M. Siegel (Universität Karlsruhe)

2.4 Terahertz-Anwendungen in der medizinischen Bildgebung 22

K. Schramm (Klinikum Lahr-Ettenheim)

2.5 Biomolekulare Sensorik mittels THz Strahlung 27

P. Haring Bolívar (Universität Siegen)

2.6 Terahertz-Anwendungen in der industriellen Inspektion 33

R. Beigang (FhG IPM, Universität Kaiserslautern)

2.7 Terahertz-Kommunikationstechnik 37

M. Koch (Technische Universität Braunschweig)

3 ANWENGUNGSPOTENZIALE DER THZ-TECHNOLOGIE 41

3.1 Einführung 41

3.2 Qullen, Detektoren, Spektroskopie 42

3.3 Anwendungen in der Sicherheitstechnik 46

3.4 Anwendungen in der medizinischen Bildgebung 50

3.5 Anwendungen in der Biosensorik 52

3.6 Anwendungen in der industriellen Inspektion 52

3.7 Anwendungen in der Kommunikationstechnik 56

3.8 Anwendungen in der Nahfeldüberwachnung 57

4 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 59

ANHANG: TAGESORDNUNG 61

ANHANG: TEILNEHMERLISTE 63

ANHANG: LITERATURANALYSE 67

ANHANG: PATENTANALYSE 69

ANHANG: FÖRDERAKTIVITÄTEN 71

1 EINLEITUNG

Der THz-Frequenzbereich von etwa 0,2 THz bis 10 THz ist die letzte größere Lücke im elektromagnetischen Spektrum, die noch nicht intensiv technisch genutzt wird.

Niedrigere Frequenzen gehören zum Mikrowellenbereich und sind durch die Hochfrequenzelektronik und deren Anwendung in der Rundfunk- und Kommunikationstechnik erschlossen. Höhere Frequenzen gehören zum Infrarotbereich. Sie werden durch die Lasertechnik mit typischen An-wendungen in der Lasermaterialbearbeitung und der optischen Kommu-nikationstechnik abgedeckt. Der THz-Frequenzbereich liegt also techno-logisch im Grenzbereich zwischen der Elektronik und der Optik und war bisher nur mit relativ hohem apparativem Aufwand für wissenschaftliche Grundlagenuntersuchungen zugänglich.

THz-Frequenz-bereich ist bisher technologisch nicht erschlossen

Technologischer Fortschritt und Anwendungfelder

Der technologische Fortschritt in der Elektronik und der Optik scheint mittelfristig erschwingliche Quellen sowohl im unteren als auch oberen THz-Frequenzbereich zu ermöglichen.

Gleichzeitig zeichnen sich für eine preisgünstigere und leistungsstarke THz-Technologie u.a. in der Sicherheitstechnik und der industriellen Inspektion potenzielle Märkte ab.

Nach einer OECD-Studie1 von 2004 hat der gesamte Markt sicherheits-technischer Produkte und Dienstleistungen weltweit ein Volumen von ca. 100-120 Mrd. USD. Das amerikanische Marktforschungsunternehmen Civitas hat in einer im Juni 2004 veröffentlichten Studie2 den globalen Homeland Security-Markt für 2005 mit 42,2 Mrd. USD beziffert.

In der industriellen Inspektion hatte nach einer Studie von Frost & Sulli-van3 allein der Markt für zerstörungsfreie Prüfsysteme 2003 ein Volumen von ca. 770 Mio. USD weltweit.

Neben der Sicherheitstechnik und der industriellen Inspektion sind noch weitere Anwendungsfelder, wie Kommunikationstechnik, medizinische Bildgebung, Biosensorik, und Nahfeldüberwachung in der Diskussion.

Vor dem Hintergrund dieser Entwicklung haben wir die Potenziale der THz-Technologie in Deutschland im Rahmen unserer Technologiefrüh-erkennungsaktivitäten für das Bundesministerium für Bildung und For-schung (BMBF) mit dem Ziel bewertet, den Handlungsbedarf des BMBF zu analysieren und Handlungsoptionen aufzuzeigen.

Analyse im Rahmen der Technologie-früherkennung für das BMBF

Die Bewertung wurde in Abstimmung mit den BMBF-Projektträgern für Nanotechnologien, Optische Technologien und Kommunikationstechno-logien durchgeführt. 1 The Securtiy Econmoy, ISBN 92-64-10772-X, OECD (2004) 2 The Homeland Security Market, Civitas Group LLC (2004) 3 World Nondestructive Test Equipment Markets, Frost & Sullivan (2004)

2 Die Terahertz-Technologie und ihre möglichen Anwendungen

Sie basiert wesentlich auf einem Fachgespräch mit ca. 35 Experten aus Industrie und Forschung, das Ende 2005 im BMBF in Bonn stattgefun-den hat. Anhand folgender konkreter Fragestellungen

• Welche Anwendungspotenziale bestehen?

• Wie ist der Entwicklungsstand der Anwendung?

Konzept der Analyse

• Welcher Forschungsbedarf besteht noch?

• Wo sind Durchbrüche möglich/zu erwarten?

• Gibt es möglicherweise „Show-Stopper“?

• Welche Zeithorizonte sind bis zur Marktreife absehbar?

• Welche Märkte sind mit diesen Anwendungen verbunden?

• Welches potenzielle Marktvolumen ist mit diesen Anwendungen verknüpft?

• Gibt es Markt-Eintrittsbarrieren?

• Welche Substitutionspotenziale bestehen gegenüber etablierten Technologien?

• Gibt es Alleinstellungsmerkmale für THz-Anwendungen?

• Welche konkurrierenden Technologien sind im Auge zu behalten?

• Wie ist die Ausgangslage in Deutschland?

• Welche Verwertungspotenziale gibt es in Deutschland?

sollten die Anwendungspotenziale bewertet, der Entwicklungsstand und der Zeithorizont eingeschätzt, der Forschungsbedarf identifiziert und die Ausgangslage und Verwertungspotenziale in Deutschland diskutiert wer-den. Die Ergebnisse des Fachgesprächs wurden zunächst in einem Proto-koll zusammengefasst. Dieses Protokoll mit ausgearbeiteten offenen Fra-gen wurde an einen erweiterten Kreis von ca. 120 Experten mit der Bitte um Kommentare versand. Ergänzt wurde die vorliegende Analyse durch eine Literatur- und Patentrecherche sowie durch eine Analyse der inter-nationalen Fördersituation.

Der vorliegende Band ist entsprechend des zugrunde liegenden Prozesses aufgebaut. Für Kapitel 2 haben uns die Vortragenden eine Ausarbeitung Ihrer Vorträge zur Verfügung gestellt. Kapitel 3 basiert auf einer Kurz-darstellung des Themas, die wir zur Vorbereitung des Fachgesprächs erarbeitet haben, dem Protokoll des Fachgesprächs sowie auf den Rück-meldungen des erweiterten Expertenkreises. Kapitel 4 fasst schließlich die wichtigsten Ergebnisse zusammen und gibt einen Ausblick. Die Ta-gesordung und die Teilnehmerliste des Fachgesprächs, die Ergebnisse der Literatur- und Patentanlyse sowie ein Überblick zu Förderaktivitäten finden sich im Anhang.

Aufbau des vorliegenden

Bandes

2 VORTRÄGE

2.1 Terahertz-Technologien und -Anwendungen im Spannungsbogen zwischen Photonik und Elektro-nik

Dr. Torsten Löffler und Prof. Dr. Hartmut G. Roskos (Universität Frank-furt) Der Terahertz-Bereich des elektromagnetischen Spektrums (300 GHz bis 10 THz) ist nach wie vor durch einen hohen Bedarf an Technologieent-wicklung und zugleich durch viel versprechende potenzielle Anwendun-gen gekennzeichnet. Die besonderen technologischen Herausforderungen sind darin begründet, dass man in verschiedener Hinsicht an physika-lisch-technische Grenzen stößt. So erfordert die Skalierung elektroni-scher Bauelemente zu höheren Frequenzen hin immer kleinere Abmes-sungen und erreicht Grenzen der Machbarkeit; zum anderen sind etablier-te Laserkonzepte nicht einfach aus dem Sichtbaren und Infraroten über-tragbar, weil es schwierig ist, die notwendige Besetzungsinversion auf-zubauen (die energetischen Abstände der Laser-Niveaus sind bei Raum-temperatur nicht mehr groß gegenüber der thermischen Energie). Ähnli-ches gilt für Detektoren.

Im Folgenden seien die wichtigsten Bauelemente, die heute zum Einsatz kommen, kurz vorgestellt, wobei Großgeräte wie Freie-Elektronen-Laser oder Synchrotron-Strahlungsquellen nicht berücksichtigt sind. Wir unter-scheiden zwischen Verfahren, die auf optoelektronischem Mischen beru-hen und den direkten Verfahren. Zunächst zu den letzteren:

Quellen

• Höchstfrequenzdioden (Schottky-Dioden, Gunn-Dioden) sowie transistorbasierte Oszillatoren und Verstärker sind bei hoher Leistung (Wattbereich) bis zu etwa 100 GHz verfügbar. Mit Ver-vielfacherketten können Frequenzen von bis zu 1,5 THz erreicht werden. Die Ausgangsleistung fällt aber mit wachsender Frequenz stark ab und ist bei hohen Frequenzen für viele Zwecke nicht mehr ausreichend.

• Halbleiterlaser (p-Germanium-Laser, THz-Quantenkaskaden-Laser, etc.) stehen bei höheren Frequenzen bis etwa 5 THz zur Verfügung, benötigen aber kryogene Temperaturen und sind nur eingeschränkt zum Dauerstrichbetrieb fähig. Abb. 1 gibt einen Ü-berblick über den Stand von THz-Quantenkaskadenlasern, mit de-nen möglicherweise der Sprung zum Betrieb bei Raumtemperatur oder in der Nähe gelingt.


• Sehr etabliert sind Gaslaser, die Rotationsübergänge von Molekü-len als Laserübergänge nutzen. Als Pumpquelle dienen üblicher-weise CO2-Laser. Die Laser arbeiten bei Raumtemperatur; sie sind nicht nennenswert frequenzabstimmbar. Allerdings kann man (un-ter Wechseln der Gassorte) eine Vielzahl von Laserübergängen bei diskreten Frequenzen über einen großen Bereich des THz-Spektrums hinweg nutzen.

• Eine wichtige Alternative stellt die Vakuumelektronik dar (zu der im Mikro- und Millimeterwellenbereich das Gyrotron der Mikro-wellenöfen ebenso wie die Strahlungsquellen von Radaranlagen zählen). Kryogene Betriebstemperaturen sind nicht nötig. Eine wel-lenlängenabstimmbare und recht kompakte THz-Strahlungsquelle ist der Rückwärtswellen-Oszillator (BWO: Backward-Wave Os-cillator). Der THz-Vakuumelektronik wird viel Potenzial einge-räumt; allerdings scheint die Forschung in diesem Bereich nicht mit höchstem Nachdruck verfolgt zu werden.

Die Einführung von Quantenkaskadenlasern stellte eine wissenschaftliche Revolu-tion im Bereich von Halbleiterlasern dar, die darauf beruht, dass alle beteiligten Energieniveaus im Leitungsband (oder Valenzband) liegen. Damit wurde nicht nur ein zusätzliche Optimierung der Laserübergänge und der Zu- und Ableitungen mit-tels Quantum Engineering möglich, sondern auch das „Recycling“ der Ladungsträ-ger, die nun nicht nur einen, sondern in kaskadierten Strukturen viele Laserübergän-ge machen können und so eine hohe Verstärkung der elektromagnetischen Strahlung ermöglichen. Als im Jahre 2002 der erste THz-Quantenkaskadenlaser vorgestellt wurde [1], zeigte sich dieser Vorteil schnell in einer hohen Ausgangsleistung und,im Vergleich zu anderen Halbleiterlasern, hohen Betriebstemperatur. Man erreicht gegenwärtig 117 K im Dauerstrichbetrieb und 164 K im Pulsbetrieb [2]. Der Aufbau des Lasers, mit dem diese Rekordwerte erzielt wurden, ist links im Bild dargestellt. Abb. (a) aus [2] zeigt zwei Perioden der GaAs/Al0.15Ga0.85As-Leitungsbandstruktur. Der Laserübergang erfolgt bei etwa 3 THz zwischen den Zuständen 5 und 4 (rot und violett). Abb. (b) aus [2] stellt die Wellenleiterstruktur dar. Die Lasermode wird zwischen zwei Metallschichten (mit etwa 10 μm Abstand übereinander liegend) geführt, da-zwischen befinden sich die 178 Perioden der Kaskade (insgesamt mehr als 1400 Halbleiterschichten). Um 10 K werden Laserleistungen von einigen mW im Dauer-strichbetrieb erreicht und viele zehn mW Spitzenleistung gepulst. Die Frequenzab-stimmbarkeit ist gering. Mit verschiedenen Strukturen hat man Lasertätigkeit im Bereich 1-5 THz nachgewiesen.

Abb. 1: THz-Quanten-Kaskaden-Laser

Vorträge 5

Leistungsdetektoren

• Für den Betrieb bei Raumtemperatur stehen im Wesentlichen drei kommerziell erhältliche Typen von THz-Strahlungsdetektoren zur Verfügung. Dies sind in der Reihenfolge abnehmender Sensitivität (in der Klammer ist die Detektivität im Frequenzbereich der höchs-ten Sensitivität angegeben): Golay-Zellen (200 pW/Hz½), pyroe-lektrische Detektoren (2 nW/Hz½) und Schottky-Detektoren (1 - 10 nW/Hz½ bei 0,5 - 1 THz). Golay-Zellen nutzen die Wärmeaus-dehnung von Gasen aus, pyroelektrische Detektoren die in manchen Kristallen bei Temperaturänderung auftretende Ladungstrennung. Beide decken den ganzen THz-Bereich ab, während der auf elektri-schen Feldeffekten basierende Schottky-Detektor zu höheren Fre-quenzen hin unempfindlich wird.

• Wesentlich höhere Sensitivitäten erzielt man mit Tieftemperatur-Detektoren. Kommerziell erhältlich sind Bolometer (Messgröße ist die Änderung des elektrischen Widerstandes bei Erwärmung) ent-weder auf der Basis von Halbleitern wie Indiumantimonid-Bolometer oder Silizium-Komposit-Bolometer (<1 pW/Hz½ bei 4 K) oder basierend auf Supraleitern wie Hot-Electron Bolometer (HEB, 50 fW/Hz½ bei 4 K). Während Si-Bolometer und Supralei-ter-HEBs nahezu den ganzen THz-Frequenzbereich abdecken, fällt die Sensitivität von InSb-Bolometern oberhalb 1 THz stark ab.

Für die Zukunft der Echtzeit-THz-Bildgebung von entscheidender Wich-tigkeit sind Detektorarrays, insbesondere solche, die zur Erhöhung der Sensitivität antennen-gekoppelt sind. Die Entwicklung von Arrays für THz-Frequenzen steckt noch in den Anfängen; allerdings kann man viel-versprechende Fortschritte bei Multipixel-Detektoren auf der Grundlage von Mikro-Bolometern und Schottky-Dioden beobachten. Die Empfind-lichkeit, Pixelzahl und Verfügbarkeit dieser Technologie ist aber im Ver-gleich zu anderen Spektralbereichen noch stark limitiert. Einen Überblick gibt Abb. 2.

Neben diesen Technologien werden im THz-Bereich insbesondere auch so genannte „optoelektronische“ Techniken eingesetzt. Dabei werden, ausgehend von Laserstrahlung im sichtbaren bzw. nahinfraroten Spekt-ralbereich, durch Frequenzkonversion (Mischen) sowohl Impulse als auch Dauerstrich-Strahlung im THz-Bereich erzeugt [6]. Auch wenn da-bei nur verhältnismäßig geringe THz-Strahlleistungen im μW-Bereich erzielt werden, liegt der große Vorteil darin, dass die komplementäre optoelektronische Detektion der erzeugten THz-Strahlung eine kohärente Abtastung des elektrischen Feldes der THz-Welle ermöglicht.


Nach wie vor stehen Detektor-Arrays im THz-Frequenzbereich nur in sehr begrenz-tem Umfang zu Verfügung. Einschränkungen bestehen insbesondere mit Hinblick auf die noch zu geringe Pixelzahl bzw. die zu geringe Empfindlichkeit je Pixel. Als Ausweg hat man in jüngster Zeit versucht, Wärmebildkameras (entwickelt für Wel-lenlängen um 10 µm, entsprechend 30 THz) auf der Basis von Mikrobolometer-Arrays oder pyroelektrischen Sensoren auch im THz-Bereich zu verwenden. Die erreichten Empfindlichkeiten pro Pixel liegen aber nur im µW-Bereich. So wurde z. B. am MIT eine Echtzeit-THz-Kamera auf Basis eines kommerziell erhältlichen Mikrobolometer-Arrays (BAE systems; Typ. SCC500L; 160 x 120 Pixel) vorge-stellt (die Abb. links zeigt Echtzeitaufnahmen, die mit Hilfe eines 2,5-THz Gasla-sers mit 10 mW Ausgangsleistung erzielt wurden, aus [3]). Die Firma Spiricon bietet eine pyroelektrische Kamera mit 124 x 124 Pixeln an, welche auch im THz-Bereich empfindlich ist. Die Empfindlichkeit wird mit 45 nW/Hz½ je Pixel angege-ben. Die zurzeit am meisten versprechende Technologie wird am NIST (National Institu-te of Standards and Technology) entwickelt. Hier werden antennengekoppelte Mikrobolometer in Luftbrückentechnologie hergestellt (Abb. rechts, aus [3]). Damit wird bei Raumtemperatur eine Empfindlichkeit von 25 pW/Hz½ je Pixel bei 95 GHz erreicht. Für diese Frequenz wurden ein 120-Pixel-Array realisiert und erste bildge-bende Messungen demonstriert [4]. Eine Übertragung des Konzeptes auf 650 GHz ist geplant.

Abb. 2: THz-Detektor Arrays

Dabei wird eine extrem große Empfindlichkeit selbst bei Raumtempera-tur erreicht. Da die Messtechnik Zugang zum elektrischen Feld der THz-Strahlung (und eben nicht nur zur Leistung) eröffnet, erlaubt sie die Be-stimmung von Amplitude und Phase der Welle. Dies hat unter anderem zur Konsequenz, dass bei Spektroskopieanwendungen sowohl der Real- als auch der Imaginärteil des Brechungsindexes des untersuchten Materi-als ermittelt werden kann und dies über einen weiten spektralen Bereich von einigen THz hinweg. Die THz-Optoelektronik hat sich insbesondere für wissenschaftliche Anwendungen als besonders interessant herausge-stellt. Sie hat in der letzten Dekade maßgeblich zum Fortschritt der THz- Wisenschaften beigetragen. Optoelektronische THz-Messsysteme sind kommerziell bei mehreren Firmen erhältlich [7].

Vorträge 7

Im Bereich der THz-Anwendungen dominiert derzeit die Sicherheits-technik. Es besteht der Wunsch aktive und passive THz-Kamerasysteme zu entwickeln, welche in der Lage sind, nach Möglichkeit multi-spektrale Bilder von Personen und Objekten aus bis zu 25 m Entfernung mit Echt-zeit-Videoraten aufzunehmen. Dabei sind passive Systeme im mm-Wellen-Bereich (z. B. bei 90 GHz) schon relativ weit entwickelt [8]. Ob man im THz-Bereich auch auf passive Systeme oder aber auf aktive (mit THz-Beleuchtung) zurückgreifen wird, muss sich noch herausstellen.

Neben solchen sicher sehr prominenten Anwendungsfeldern wie der Si-cherheitstechnik gibt es eine Vielzahl weiterer Nutzungsmöglichkeiten von THz-Strahlung, beispielsweise im Bereich der industriellen Quali-täts- und Prozesskontrolle oder der Sensorik (so etwa im Automobilbe-reich). Wir konnten zum Beispiel kürzlich zeigen, dass mittels THz-Dunkelfeld-Messtechniken die Detektion von Defekten an metallischen Oberflächen mit hoher Sensitivität möglich ist (Details siehe Abb. 3).

Die Methode der THz-Dunkelfeld-Bildgebung wird immer dann vorteilhaft ver-wendbar sein, wenn Proben auf ihre Streuungs- bzw. Beugungseigenschaften hin untersucht werden. Grundsätzlich ist dieses in Transmissions- [9] und Reflexionsge-ometrie [10] möglich. Da die Methode durch Ausblenden der ballistisch transmit-tierten bzw. spekular reflektierten THz-Strahlung quasi hintergrundsfrei arbeitet, können enorm hohe Empfindlichkeiten für Beugungs- bzw. Streuphänomene er-reicht werden. Die Abbildungen zeigen: a) einen typischen Messaufbau für THz-Dunkelfeld-Bildgebung in Reflexionsgeometrie mit Einzelpixel-Rasteraufzeichung; b) Messergebnisse, die mit der von uns entwickelten „Out-of-Focus-Methode“ an Walzstahloberflächen mit Dellen bzw. Ausbuchtungen erzielt wurden [10]. Die Verwendung der langwelligen THz-Strahlung (statt sichtbarem Licht) bringt den Vorteil mit sich, dass die natürliche Oberflächenrauhigkeit der Metalloberfläche nicht zum Streusignal beiträgt, sondern nur die vergleichsweise breitflächigeren Defekte. Die Sensitivität reicht aus, selbst Defekttopographien von nur wenigen Mikrometern Höhe zu identifizieren.

Protru-sion:

Dent:

Detector position:(b)

Abb. 3: Die Methode der „THz-Dunkelfeld-Bildgebung“


Diese und andere Anwendungen lassen erkennen, in welchen Bereichen nach wie vor dringender Bedarf an Technologieentwicklung besteht. Ins-besondere sind zu nennen:

• Die Entwicklung von leistungsfähigen (mindestens mW-Bereich), kompakten, bedienerfreundlichen und raumtemperaturfähigen Quellen für den Bereich von 300 GHz bis 10 THz.

• Die Entwicklung von Detektorarrays hoher Empfindlichkeit mit ausreichend großer Pixelzahl, für den Bereich von 300 GHz bis 10 THz.

• Außer auf diesen Komponenten der THz-Technologie sollte das Augenmerk aber auch auf der Entwicklung von optimierten Mess- und Bildgebungssystemen liegen. Um einen hohen dynamischen Bereich bzw. Bildgebung bei Videoraten erzielen zu können, sind die zu verwendenden Komponenten optimal aufeinander abzu-stimmen. Hier könnten z. B. Hybrid-Systeme mit leistungsfähigen elektronischen oder Laser-Quellen und hochsensitiver optoelektro-nischer Detektion interessant sein. Ein Konzept für ein solches Sys-tem ist in Abb. 4. dargestellt.

Optoelektronische Methoden bieten sowohl im Pulsbetrieb [11] als auch im Dauer-strichbetrieb [12] eine elegante Möglichkeit zur flächigen Multipixel-Detektion mittels großflächiger elektrooptischer Kristalle. Dies in Verbindung mit der Tatsa-che, dass vergleichsweise leistungsstarke elektronische und Laser-Quellen zu Ver-fügung stehen, wirft die Frage auf, inwieweit die beiden Technologien nicht kombi-niert werden können. Konzeptionell erfordert dies eine Synchronisation des VIS/NIR Lasersystems mit der THz-Quelle. Für Femtosekundenlaser und mm-Wellen (75 GHz) ist bereits 1996 gezeigt worden, dass die Synchronisation mach-bar ist [13]. Eine Übertragung des Konzepts auf den THz-Frequenzbereich (0.6 -0.8 THz) wird mit dem Ziel der Realisierung eines Multi-Pixel-Systems (also einer aktiven Echtzeit-THz-Kamera) zurzeit in einem gemeinsamen DFG-Projekt der AGs Roskos, Frankfurt, und Haring, Siegen, untersucht. Die Abbildung zeigt das vorgesehene Konzept für den Fall eines Zwei-Farben-Diodenlasersystems, einer elektronischen THz-Quelle und eines großflächigen elektro-optischen Detektormo-duls.

cw 2 color laser Difference frequency Dw

opt

Synchronisation to wsignal = w - DwTHz opt

cw THz SourceFrequency wTHz

VIS/NIR Kamera

with Lock-In

Electronic

EO

Crystal

Polar iser

Object

VIS/NIR

CMOS/CCD

Camera

Abb. 4: Ein alternatives Konzept: THz-Hybrid-System

Vorträge 9

Auf Basis dieser technologischen Entwicklungen ist dann eine weitere Untersuchung möglicher Anwendungsfelder möglich. Hier sind zu nen-nen:

• Sicherheitstechnik: Dies sollte sowohl die Untersuchung von Per-sonen auf Waffen und Sprengstoffe aus der Ferne (Stand-Off De-tection) als auch die Kontrolle von Gepäckstücken und Gegenstän-den auf gefährlichen Inhalt beinhaltet.

• Anwendungen in der Medizintechnik wurden ursprünglich als „Killer“-Anwendung propagiert. Inzwischen hat man allerdings realisiert, dass bis zu einer evtl. Marktreife noch erheblicher For-schungs- und Entwicklungsbedarf besteht. Nichtsdestotrotz beste-hen weiterhin gute Aussichten, dass THz-Techniken in Zukunft ein Platz in der Diagnose bestimmter Krebsarten (Hautkrebs, Darm-krebs, Gebärmutterkrebs) haben kann, wenn ein direkter oder endo-skopischer Zugang zu den betroffenen Körperteilen möglich ist. Auch besteht weiterhin die Hoffnung, dass die THz-Technologie mittelfristig für die Kariesfrüherkennung eingesetzt werden kann.

• Neben diesen herausragenden und sehr prominenten Anwendungen wird die THz-Technologie vermutlich aber auch in viel bodenstän-digeren Bereichen wie der industriellen Prozess- und Qualitäts-kontrolle (siehe Beispiel in Abb. 3) oder in der Sensorik bei Robo-tik- oder Automobilanwendungen einen Platz finden.

Zusammenfassend ergibt sich der Eindruck, dass nur durch eine genü-gend breit angelegte Weiterentwicklung der technologischen Grundlagen die Erschließung der in den letzten Jahren identifizierten und viel ver-sprechenden Anwendungsfelder gelingen kann. Während derzeit die grundsätzliche Machbarkeit im Vordergrund steht, muss die Technolo-gieentwicklung längerfristig den Kostenfaktor in Angriff nehmen, sind doch die meisten der heute verfügbaren THz-Technologien vergleichs-weise kostenintensiv.

Referenzen: [1] R. Köhler, A. Tredicucci, F. Beltram, H. Beere, E. Linfield, A. Davies, D. Rit-

chie, R. Iotti, F. Rossi, „Terahertz semiconductor-heterostructure laser”, Nature 417, 156 (2002).

[2] B. S. Williams, S. Kumar, Q. Hu und J. L. Reno, “Operation of terahertz quan-tum-cascade lasers at 164 K in pulsed mode and at 117 K in continuous-wave mode”, Opt. Express 13, 3331 (2005).

[3] A. W. M. Lee und Q. Hu, “Real-time, continuous-wave terahertz imaging by use of a microbolometer focal-plane array”, Opt. Lett. 30, 2563 (2005).

[4] A. J. Miller, A. Luukanen und E. N. Grossman, “Micromachined antenna-coupled uncooled microbolometer for terahertz imaging arrays”, Proceedings of SPIE, April, 2004.

[5] A. Luukanen, A. J. Miller und E. N. Grossman, “Active millimeter-wave video rate imaging with a staring 120-element microbolomer array”, Proceedings of SPIE, April, 2004.


[6] Siehe z. B.: “Photonic THz technology", Ed. A. Lisauskas, T. Löffler and H. G. Roskos, Special edition of Semicond. Sci. Technol. 20, Juli 2005.

[7] www.teraview.co.uk; www.picometrix.com; www.aispec.com.

[8] www.qinetiq.com; www.tadarvision.com; www.thruvision.com.

[9] T. Löffler, T. Bauer, K. Siebert, H. G. Roskos, A. Fitzgerald und S. Czasch, “Terahertz dark-field imaging of biomedical tissue”, Optics Express 9, 616 (2001).

[10] N. Hasegawa, T. Löffler, M. Thomson, H. G. Roskos, “Remote identification of protrusions and dents on surfaces by THz reflectrometry with spatial beam filter-ing and out-of-focus detection”, Appl. Phys. Lett. 83, 3996 (2003).

[11] Q. Wu, T. D. Hewitt und X.-C. Zhang, “Two-dimensional electro-optic imaging of THz beams”, Appl. Phys. Lett. 69, 1026 (1996).

[12] A. Nahata, J. T. Yardley und T. F. Heinz, “Two-dimensional imaging of continu-ous-wave terahertz radiation using electro-optic detection”, Appl. Phys. Lett. 81, 963 (2002).

[13] T. Löffler, T. Pfeifer, H.G. Roskos und H. Kurz, „Stable optoelectronic detection of free-running microwave signals with 150-GHz bandwidth“, Microelectronic Engineering 31, 397 (1996).

Vorträge 11

2.2 Terahertz-Anwendungen in der Sicherheits-technik

Dr. H. W. Hübers, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V., Institut für Planetenforschung, Rutherfordstr. 2, 12489 Berlin

Nachweis und Identifizierung verborgener Objekte und Substanzen sind von herausragender Bedeutung für Sicherheitsinspektionen von Perso-nen, bei Gepäckprüfungen oder im Postverkehr. Die Personenkontrolle beschränkt sich bisher vorwiegend auf den Nachweis von metallischen Gegenständen, die mit Hilfe geeigneter Detektoren nachgewiesen werden können, und der zusätzlichen manuellen Abtastung. Berührungslose Kon-trollen im öffentlichen Bereich wie beispielsweise an Flughäfen oder bei Großveranstaltungen, mit denen auch nichtmetallische Objekte identifi-ziert werden, können einen wichtigen Beitrag zur Verbesserung von Si-cherheit und Mobilität leisten [1].

Die Identifikation von Waffen und Substanzen wie Pharmazeutika, Dro-gen und Sprengstoffen, die verborgen am menschlichen Körper getragen werden oder in Briefen o.ä. versteckt sind, ist im Terahertz (THz)-Spektralbereich besonders gut möglich [2]. Dafür sind verschiedene Gründe ausschlaggebend:

• THz-Strahlung durchdringt Kleidung und viele Verpackungsmate-rialien (z. B. Plastik, Papier).

• Viele Substanzen (z. B. Sprengstoffe oder Pharmazeutika) haben charakteristische Spektren im THz-Bereich.

• THz-Strahlung ist nicht-ionisierend und somit für den Menschen ungefährlich.

Die ersten beiden Punkte sind beispielhaft in den Abb. 5 und 6 erläutert. Abb. 5 zeigt THz Bilder einer verschlossenen Streichholzschachtel, in der sich wahlweise ein Streifen Klebeband, eine Büroklammer und eine Aspirin Tablette befindet, letztere befestigt durch Klebeband. Alle Kom-ponenten sind deutlich zu erkennen. Um allerdings die Aspirin Tablette als solche zu identifizieren, ist spektrale Information (s. Abb. 6) notwen-dig. Das Aspirin Spektrum unterscheidet sich deutlich von allen anderen gezeigten Spektren. Ebenso haben Sprengstoff Spektren eindeutige Cha-rakteristika, an Hand derer eine Identifikation möglich ist. Ein weiterer Vorteil von THz-Systemen insbesondere gegenüber mm-Wellen-Systemen ist die Möglichkeit aufgrund der kleineren Wellenlänge der THz-Strahlung eine prinzipiell bessere räumliche Auflösung zu erreichen bzw. bei gleicher räumlicher Auflösung mit entsprechend kleineren Opti-ken, die andernfalls häufig die Größe des Systems bestimmen, auszu-kommen.


Abb. 5: THz-Bilder einer verschlossenen Streichholzschachtel mit unterschiedlichem Inhalt (v. l. n. r. Klebestreifen, Büroklammer und Aspirin Tablette).

Abb. 6: THz-Spektren verschiedener pharmazeutischer Produkte (links, [3]) und von Explosivstoffen (rechts, [4]).

In Tabelle 1 sind verschieden Spektralbereiche hinsichtlich sicherheits-technisch relevanter Eigenschaften gegenübergestellt. Es ist zu berück-sichtigen, dass diese Tabelle eine gewisse Vereinfachung darstellt. Den-noch zeigt sie, dass THz-Systeme Alleinstellungsmerkmale im Bereich des Nachweises verborgener Gegenstände insbesondere auf größere Ent-fernung („Stand-off“ Detektion) und bei der spektralen Identifikation verborgener Substanzen haben.

Transmission von Kleidung, Ver-packungsmaterial, …

Räumliches Auflösungsver-mögen < 5 m > 5 m

Spektrale Identifikation

Gesundheits-unschädlich

THz Ja Ja Ja Ja Ja

Mikrowellen Ja Ja Nein Nein Ja

Infrarot Nein Ja Ja Ja Ja

Röntgen Ja Ja Ja Nein Nein

Tab. 1: Vergleich verschiedener Spektralbereiche hinsichtlich sicherheitstechnisch relevanter Eigenschaften.

Vorträge 13

Dieses Potenzial hat dazu geführt, dass international vielfältige Entwick-lungen in die Wege geleitet wurden, um THz-Technologie für Sicher-heitsanwendungen nutzbar zu machen. Beispiele sind die Firmen Thruvi-sion Ltd., Teraview Ltd., Picometrix und Physical Sciences Inc., die mit unterschiedlichen technologischen Ansätzen einige der oben genannten Anwendungen erschließen wollen.

Im Rahmen des europäischen Sicherheitsforschungsprogramms „Enhan-cement of the European Industrial Potential in the Field of Security Re-search“ (PASR) [5] wurde im Jahr 2004 das Projekt „Active Terahertz Imaging for Security (TeraSec)“ als eines von sechs Projekten (insgesamt 179 Anträge) zur Förderung ausgewählt. TeraSec ist ein Konsortium von 14 Partnern aus Forschungseinrichtungen (3), Universitäten (5) und In-dustrie (6) aus sechs europäischen Ländern. Neben dem Deutschen Zent-rum für Luft und Raumfahrt e. V., das das Projekt koordiniert, kommen weitere fünf Partner aus Deutschland. Im Rahmen von TeraSec werden drei Ziele verfolgt: Erstens soll ein Stand-Off Detektionssystem für ver-borgene Waffen entwickelt werden. Dieses basiert auf Dauerstrich-Strahlungsquellen (Quantenkaskadenlaser, kompakte Gaslaser und ver-vielfachte Mikrowellenoszillatoren) und hochempfindlicher Heterodyn-Detektion mit supraleitenden Detektoren. Zweitens wird ein Scanner zur Inspektion von Briefen u. ä. entwickelt. Dieser basiert auf einem gepuls-ten Zeitbereich-Spektroskopiesystem mit optoelektronischer THz Erzeu-gung und Nachweis. Der dritte Schwerpunkt ist die Entwicklung von Schlüsseltechnologien. Dazu gehören Quantenkaskadenlaser, Detektor-Arrays sowie kompakte Femtosekundenlaser und photonische Glasfa-sern. Für das Stand-Off Detektionssystem sind leistungsstarke, kohärente Strahlungsquellen und empfindliche Detektoren die Schlüsselkomponen-ten. In den Abb. 7 und 8 sind die wichtigsten Merkmale dieser Kompo-nenten sowie notwendige Verbesserungen und Weiterentwicklungen zu-sammengefasst. Mit Ausnahme des auf Silizium basierenden Lasers gilt für alle Technologien, dass keine prinzipiellen Probleme mehr zu lösen sind, sondern dass qualitative Verbesserungen und in vielen Fällen eine kostengünstigere Herstellung erforderlich sind, um die Komponenten in großem Umfang nutzen zu können. Ein Überblick über den Stand der Technik wird in Ref. [6] gegeben.

Für die Auswahl der eingesetzten THz-Messmethode sind verschiedene Kriterien ausschlaggebend. Zunächst ist abzuwägen, ob die spektrale Information oder die bildhafte Information erste Priorität hat. Ist ersteres der Fall, sind breitbandige Systeme mit möglichst kontinuierlicher Fre-quenzabdeckung notwendig, während es für die reine Bildgebung u.U. ausreichend ist, eine oder einige wenige Frequenzen auszuwählen.


Abb. 7: Überblick über THz-Strahlungsquellen.

Abb. 8: Überblick über THz-Detektoren.

Mit zunehmender Frequenz sinkt in der Regel die Transmission der meis-ten Verpackungs- und Kleidungsmaterialien. Andererseits kann die Aper-tur des Systems, die die räumliche Auflösung bestimmt, mit zunehmen-der Frequenz kleiner gewählt werden bzw. wird bei unveränderter Aper-tur die räumliche Auflösung in größerer Entfernung besser. Ob das Sys-tem aktiv, d. h. mit eigener Beleuchtungsquelle ausgestattet, oder rein

Vorträge 15

passiv ist, d. h. die Eigenemission des Objekts bzw. die reflektierte Um-gebungsstrahlung misst, hängt von der spezifizierten Reichweite und der zulässigen Komplexität des Systems ab. Aktive Systeme sind einerseits aufgrund der integrierten Beleuchtungsquelle technologisch komplexer, andererseits kann mit Ihnen eine größere Reichweite und ein besserer Kontrast erzielt werden.

Neben der Bearbeitung der technologischen Probleme ist es zwingend geboten, die Einbindung von THz basierten Systemen in ein umfassendes Sicherheitskonzept zu gewährleisten. Dazu gehören beispielsweise die Simulation von Sicherheitsprozessen, Kostenstrukturanalysen, Sensorfu-sion, Bilderkennung etc., aber auch ethische Aspekte, die mit der Durch-leuchtung von Menschen zusammenhängen. Wenn beides gelingt, kann THz-Technologie einen wichtigen Beitrag zur Gewährleistung und Ver-besserung von Sicherheit und Mobilität leisten.

Referenzen [1] K. Nittinger und M. Kuchenbecker (Hrsg.), Sicher unterwegs, gut informiert,

besser vernetzt, ISBN 3-8167-6783-4, S. 16 ff (Stuttgart 2005). [2] Ein Überblick über den Stand von Wissenschaft und Technik wird in den Konfe-

renzbänden der SPIE Konferenzserien Terahertz for Military and Security Appli-cations (z. B. SPIE 5070, 5410) und Passive Millimetre-Wave and Terahertz I-maging and Technology (z. B. SPIE 5619, 5989) gegeben.

[3] K. Kawase, Y. Ogawa, Y. Watanabe und H. Inoue, Optics Express 11, 2549 (2003).

[4] M. C. Kemp, P. F. Taday, B. E. Cole, J. A. Cluff, A. J. Fitzgerald und W. R. Tribe, Proc. SPIE 5070, S. 44 ff (2003).

[5] http://europa.eu.int/comm/enterprise/security/index_en.htm[6] A. Lisauskas, T. Löffler und H. G. Roskos (Hrsg.), Special Issue: Photonic Tera-

hertz Technology, Semicond. Sci. Technol. 20, (2005).

http://europa.eu.int/comm/enterprise/security/index_en.htm


2.3 Anwendungspotenzial von passiven THz-Empfangssystemen

Prof. Dr. M. Siegel, Institut für Mikro- und Nanoelektronische Systeme, Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik, Universität Karls-ruhe (TH), Hertzstrasse 16, 76187 Karlsruhe

Der Nachweis von Strahlung im fernen Infrarot-Bereich sowie im THz-Bereich des elektromagnetischen Spektrums erlangte in der zweiten Hälf-te des 20. Jahrhunderts eine große Bedeutung mit dem Bau von bodensta-tionierten Radioteleskopen in Höhenlagen bzw. der Entwicklung von flugtauglichen Empfangssystemen. Damit konnten, zumindest teilweise, die Probleme überwunden werden, die durch die starke Absorption der THz-Strahlung in der Erdatmosphäre auftreten. Durch diese neue Tech-nologie erfolgten wesentliche Entdeckungen über unser Universum, wie schwarze Löcher, Neutronensterne, Galaxien mit extremer Rotverschie-bung [2].

Die Ursachen für die späte Entwicklung der Detektoren für den THZ-Bereich liegen darin begründet, dass die Erdatmosphäre die THz-Strahlung sehr stark absorbiert und nur wenige sehr schmalbandige Fens-ter mit erhöhter Transmission auftreten (siehe Abb. 9). Weiterhin müssen alle Detektoren in diesem Bereich gekühlt werden, um eine ausreichende Empfindlichkeit zu erreichen. Die Detektorentwicklung wurde durch die Anforderungen der Astrophysiker vorangetrieben und da keine industriel-len Anwendungen absehbar waren, blieb es eine exklusive Nischentech-nologie.

Folgende Gründe haben zu einer beispielhaften Entwicklung von Detek-toren und Empfangssystemen im Bereich von 300 GHz bis 3 THz ge-führt. Erstens erfordert der Nachweis von kalten Objekten im Weltall, wie Asteroiden, kosmischem Staub, neuen Sternen und Planeten, ein De-tektionssystem im THz-Bereich, da das Maximum der Strahlungsemissi-on aufgrund der Schwarzkörperstrahlung in diesem Frequenzbereich liegt. Zweitens liegt das spezifische Rotationsspektrum von Molekülen und der meisten Gasspezies in diesem Frequenzbereich. Drittens tritt eine extrem starke Doppler-Rotverschiebung der Strahlung durch die Expan-sion des Universums auf.

Vorträge 17

Abb. 9: Dämpfung der Erdatmosphäre bei verschiedenen Wellenlängen [1].

Durch die Weiterentwicklung der Infrarot-Detektoren in den langwelli-gen Bereich des Spektrums einerseits und andererseits der Radiodetekto-ren vom GHz-Bereich in den THz-Bereich, wurden Systeme für den Nachweis von Strahlung im Bereich von 300 GHz bis 5 THz verfügbar. Es konnten völlig neue und unerwartete Effekte und analytische Metho-den in der Biologie, Chemie, Materialkunde sowie in den angewandten Bereichen der Medizin und zerstörungsfreien Materialprüfung gezeigt werden. Teilweise arbeiten diese Systeme mit zusätzlichen Strahlungs-quellen, um eine Untersuchung in Transmission oder Reflexion durchzu-führen. Die Erfahrungen der astrophysikalischen Untersuchungen haben gezeigt, dass passive Empfangssysteme, also Systeme zum Nachweis von THz-Strahlung ohne zusätzlich Bestrahlung mit einer externen Quelle, eine große Perspektive haben.

Passive Empfangssysteme basieren auf dem physikalischen Sachverhalt, dass jeder Körper mit einer Temperatur oberhalb des absoluten Null-punktes Strahlung emittiert. Abb. 10 zeigt das Emissionsspektrum eines Schwarzkörpers für verschiedene Temperaturen. Das Rayleigh-Jeans-Gesetz beschreibt die Schwarzkörperstrahlung im langwelligen Spektral-bereich. Objekte bei Raumtemperatur strahlen vorwiegend im THz-Bereich. Da verschiedene Materialien unterschiedliche Emissionskoeffi-zienten aufweisen, können entsprechend Gegenstände aus diesen Materi-alien nachgewiesen werden. Da THz-Strahlung Kleidung und Verpa-ckungsmaterialien durchdringt, können diese Gegenstände auch in Ver-stecken bzw. unter der Kleidung nachgewiesen werden.

Die Helligkeit der Objekte ist im THz-Bereich ca. 2 Größenordnungen höher als bei 100 GHz. Zusätzlich erfolgt ein Leistungsgewinn gegen-über passiven mm-Wellensystemen durch die größere Bandbreite des Empfangssystems. Im Vergleich zu mm-Wellensystemen sind THz-Systeme wesentlich kompakter und erreichen eine höhere örtliche Auflö-sung.


Abb. 10: Strahlungsspektrum eines Schwarzkörpers [3].

Mit diesen passiven THz-Systemen eröffnen sich völlig neue Anwen-dungsgebiete in der Sicherheitstechnik und Diagnostik. In der Sicher-heitstechnik können Waffen, Drogen, Sprengstoff und Pharmazeutika, die am Körper verborgen werden oder in Verpackungen versteckt sind, nachgewiesen werden. Damit eröffnen sich völlig neue Möglichkeiten zur Erhöhung der Sicherheit auf Flughäfen, Bahnhöfen, Gebäuden und Großveranstaltungen. In der Diagnostik können in der Medizin, Biologie und Chemie spezifische Signale von Substanzen bzw. chemischen Reak-tionen nicht-invasiv nachgewiesen werden. In der Materialentwicklung und zerstörungsfreien Materialprüfung ergeben sich ebenfalls neue Per-spektiven, z. B. beim Nachweis von THz-Strahlung bei der Plasma-Wand-Wechselwirkung im Fusionsreaktor.

Um die oben genannten Anwendungen insbesondere im Sicherheitsbe-reich zu ermöglichen, werden Empfangssysteme benötigt, die eine Tem-peraturauflösung im Bereich von einigen Millikelvin haben. Die Beson-derheit der passiven Systeme besteht darin, dass die Hintergrundstrah-lung das Rauschen bestimmt. Es müssen also nicht die empfindlichsten Detektoren eingesetzt werden. In der Radiastronomie wird das Hinter-grundrauschen durch die 2-K-Strahlung des Weltalls bestimmt. Um über-haupt einen Strahlungsnachweis zu ermöglichen, muss der Detektor käl-ter sein als das Objekt. Dabei ist es unerheblich, mit welcher Technologie der Detektor gefertigt wurde. Um THz-Bilder in Realzeit mit Videoraten aufzunehmen, werden Focal-Plane-Arrays aus Detektoren benötigt. Die Detektoren müssen dabei eine Zeitkonstante im µs-Bereich haben. De-

Vorträge 19

tektoren mit solchen Eigenschaften wurden bereits als Einzeldetektoren für die Radioastronomie entwickelt.

Abb. 11 zeigt einen aktuellen Vergleich von THz-Detektoren. Die emp-findlichsten und schnellsten Detektoren basieren auf der Supraleiter-technologie. Abb. 12 zeigt einen Detektor mit breitbandiger Antenne sowie den nanostrukturierten Detektor aus einer supraleitenden Schicht.

Abb. 11: Vergleich der Rauschtemperatur verschiedener Detektorsysteme [3].

Abb. 12: Hot-Electron-Bolometer mit integrierter THz-Antenne (links) und Blick auf das nanostrukturierte Bolometer im Zentrum der Antennenstruktur (rechts) [4].

Der Nachweis der THz-Emission von Methanol bei 2,5 THz mit einem supraleitenden Hot-Electron-Bolometer ist in Abbildung 13 gezeigt. Da-mit konnte die vollständige Funktionalität unserer Detektoren nachge-wiesen werden. Um die erforderlichen Videoraten zu erreichen, müssen die Detektoren in Arrays mit integrierter Ausleseelektronik hergestellt werden. Abb. 14 zeigt ein 288 Pixel-Array mit integrierten SQUID-Verstärkern, das für ein Radioteleskop hergestellt wurde.

Die erforderliche Kühltechnik für den Betrieb der Detektoren bei tiefen Temperaturen ist kommerziell verfügbar und muss entsprechend an die Erfordernisse des Empfangssystems angepasst werden.


Abb. 13: Emissionsspektrum von Methanol gemessen mit einem Hot-Electron-Bolometer bei 2,5 THz [4].

Abb. 14: 288 Pixel-Array mit Supraleiter-Bolometern und integrierten SQUID-Verstärkern [5].

Zusammenfassend kann eingeschätzt werden, dass alle Teilkomponenten für passive THz-Empfangssysteme bereits für die Radioastronomie ent-wickelt wurden. Die spezifischen Anforderungen einer THz-Kamera mit Realzeit-Videoraten mit einer Hintergrundstrahlung von T = 300 K er-fordern Anpassungen der bekannten Lösungen. Die wesentlichen Arbei-ten sollten sich dabei auf die optischen Komponenten, die Systemintegra-tion und Focal-Plane-Arrays mit schnellen Detektoren konzentrieren. Durch eine enge Zusammenarbeit von Gruppen und Firmen mit System-erfahrung, Optikern und Detektorenspezialisten sollte sich in extrem kur-zer Zeit ein passives Empfangssystem realisieren lassen. Hauptanwen-dungsgebiete der passiven THz-Empfangssysteme sind neben der Radio-

Vorträge 21

astronomie die Sicherheitstechnologie zum Auffinden verborgener Waf-fen, Gegenstände und Sprengstoffe auf große Distanzen mit Echtzeit-Videoraten. Ein besonderer Vorteil der passiven THz-Empfangssysteme besteht darin, dass keine Akzeptanzprobleme in der Öffentlichkeit zu erwarten sind.

Referenzen: [1] http://envisat.esa.int/instruments/mipas/descr/concept.html#introduction [2] J. Zmuidzinas und P. L. Richards, Proc. IEEE, Vol. 92, No. 10, October 2004. [3] P. Siegel, IEEE, Trans. Microwave Theory Tech., Vol. 50, 910, 2002. [4] A. Semenov, H.-W Hübers, M. Siegel, IEEE MTT-S International Microwave

Symposium, Philadelphia, PA, June 8–13, 2003 (USA). [5] V. Zakosarenko, S. Anders, T. May, R. Boucher, H.-G. Meyer, E. Kreysa, N.

Jethava, G.Siringo,”Time domain multiplexing for superconducting bolometers read out by integrated SQUIDs”, 11th International Workshop on Low Tempera-ture Detectors (LTD-11), Tokyo, Japan.


2.4 Terahertz-Anwendungen in der medizinischen Bildgebung

Dr. Karsten Schramm, Klinik für Hals-, Nasen- und Ohrenheilkunde und Plastische Kopf- und Halschirurgie, Klinikum Lahr, Klostenstr. 19, 77933 Lahr Eine Vielzahl der gut- und bösartigen Gewebeneubildungen (Tumore) beim Menschen entsteht neben dem Organsystem „Haut“ insbesondere im Bereich des von Schleimhaut überkleideten Mund-/Rachenraumes, des Kehlkopfes, der Speiseröhre und des Darms. Derzeit beinhaltet die klinische Diagnostik dieser Tumore neben den nicht-invasiven bildge-benden Verfahren wie Ultraschallsonographie, Computertomographie, Magnetresonanztomographie, Positronenemissionstomographie die di-rekte und invasive Endoskopie (starre Ösophagoskopie, Laryngoskopie, ggf. Bronchoskopie, siehe Abb. 15). Mit ihrer Hilfe werden Probenent-nahmen im suspekten Gebiet durchgeführt, um in der nachfolgenden histopathologischen Aufarbeitung die Dignität des Tumors und dessen Ausbreitungsgrenzen bestimmen zu können. Maßgebend für die Entnah-mestelle der jeweiligen Probe ist die aufsichtsmikroskopische, makroskopische Beschaffenheit bzw. Auffälligkeit der Schleimhautober-fläche.

Besondere Probleme stellen sogenannte submukös wachsende Tumore dar, da hier das entartete Gewebe von gesunder Schleimhaut bedeckt ist und somit für das Auge des Untersuchers unsichtbar bleibt. So kann dem Untersucher in einigen Fällen trotz der Entnahme von verdächtigem Ge-webe die wahre Tumorausdehnung verborgen bleiben.

Abb. 15: Operative Situation einer Endoskopie zur

Probengewinnung in Vollnarkose

Neuere Verfahren wie die Gewebeautofluoreszenz oder 5-Amino-lävulinsäure-induzierte photodynamische Diagnostik sind nach bisheri-gen Erfahrungen nicht ausreichend zuverlässig und erlauben insbesonde-re keine Bestimmung der Tiefenausdehnung von Tumoren. Die Hochfre-quenz-Ultraschall-sonographie bietet nach bisherigem Wissensstand in der Diagnostik der Dermis eine Visualisierung in vivo mit einer axialen und lateralen Auflösung von 80 µm und 200 µm und einer Eindringtiefe von 7 mm. Eine Differenzierung von benignen und malignen Verände-rungen ist jedoch auch mit dieser Technik nicht möglich. In der Entwick-lung der Optischen Kohärenztomographie (OCT) sind vertikale Auflö-sungen von 10 µm bei einer Gewebeeindringtiefe von 1 mm erreicht worden, allerdings sind inflammatorische und regenerative Prozesse von malignen Entartungen schwer zu unterscheiden. Die Konfokale Laserras-termikroskopie stellt ein hochauflösendes Echtzeit-Imagingverfahren dar, welches die Beobachtung von Zellen und Zellkernstrukturen ermöglicht bei einer lateralen und axialen Auflösung von 1 - 2 µm und 3 - 5 µm. Die Tiefenpenetration liegt bei nur 250 - 300 µm.

Vorträge 23

Zusammengefasst existieren bislang keine etablierten bildgebenden Un-tersuchungsmethoden, die es erlauben, pathologische und tumorverdäch-tige Schleimhautareale ohne Entnahme von Proben und deren histologi-sche Aufarbeitung eindeutig zu identifizieren. Eine dem postoperativen histopathologischen Befund entsprechende präoperative Bestimmung der Tumorausdehnung durch eine geeignete Bildgebung (sog. „Optische Bi-opsie“) ist daher bis heute nicht realisiert. Der medizinische Nutzen und marktwirtschaftliche Wert hinsichtlich der Entwicklung einer derartigen Technik lässt sich mit Blick auf die Zahlen der jährlichen Neuerkrankun-gen der verschiedenen Fachbereiche (siehe Abb. 16) schnell erahnen.

Die Vorteile einer „Optischen Biopsie“ gegenüber der herkömmlichen Probenentnahme wären:

• kein Gewebetrauma

• keine Gefahr der Tumorstreuung

• beliebige Anzahl von „Biopsien“ möglich - Steigerung der diagnos-tischen Sensitivität

• keine Quetsch-, Fixierungs- oder Färbeartefakte

• intraoperative Diagnosestellung und Therapie in einem Schritt möglich

• geringer Kostenaufwand (Fixierung, Färbung, Personal)

Hauptanwendungsbereiche einer "Optischen Biopsie"

- Dermatologie: Malignes Melanom (häufigster bösartiger Hauttumor)Inzidenz: ♂/ ♀ 12.000/Jahr

- HNO: Kehlkopf- /Mundhöhlen- Speiseröhren-malignomeInsidenz Larynx-Ca.: ♂ 20.000/Jahr; ♀ 8.500/Jahr

- Innere Medizin: Schleimhauttumore des DarmsInzidenz: ♂ 24.000/Jahr; ♀ 28.000/Jahr

- Urologie: BlasentumoreInzidenz: ♂ 10.000/Jahr; ♀ 12.000/Jahr

- Gynäkologie: GenitaltumoreInzidenz: 13.000/Jahr

Abb. 16: Aktuelle Zahlen zur Inzidenz der häufigsten Tumore im Haut-/ Schleimhaut-bereich, aufgeschlüsselt in Fachbereiche und Geschlecht.


Seit Anfang der 90er Jahre konnte THz-Strahlung durch Entwicklung geeigneter Energiequellen und Detektoren einer systematischen Erfor-schung eröffnet werden. In jüngster Zeit sind unter Verwendung speziel-ler kurzgepulster Laser erste bildgebende und tomographische THz-Analysesysteme entwickelt worden. Verschiedene Eigenschaften und Vorteile der THz-Strahlung, welche schnell mögliche biomedizinische Anwendungsgebiete vorstellbar werden ließen, förderten in der Vergan-genheit die Erforschung dieser Frequenzen. So hat THz-Strahlung im Vergleich zu Röntgenstrahlen eine 1-millionenfach geringere Photonen-energie (4 meV bei 1 THz) und führt somit weder zu thermischen noch zu strahlungsrelevanten Veränderungen im Gewebe. Die durch THz-Strahlung aus dem Gewebe erhaltenen Informationen liegen in der spezi-fischen Signalveränderung der verwendeten Strahlung durch das unter-suchte Material. Insbesondere der Anteil an Wasser im Untersuchungsob-jekt führt zu einer starken Absorption der THz-Strahlung. Einerseits liegt hierin ein großes diagnostisches Potenzial, andererseits ist hierdurch die maximale Eindringtiefe der THz-Strahlung in natives Gewebe bislang auf einige Millimeter limitiert.

Bisherige Untersuchungen von biologischem Gewebe wurden insbeson-dere an pathologischen Schnitten bzw. chemisch veränderten Gewebe-proben (z. B. formalinfixiert) durchgeführt (siehe Abb. 17).

Abb. 17: THz-Gewebeanalysen einer formalinfixierten Probe eines Basalzell-Karzinoms. Woodward et al. 2001.

Die veröffentlichten Daten von Untersuchungen an Hautpräparaten (nor-male Dermis vs. Basalzell-Karzinom) deuten darauf hin, dass sich tumo-röse Gewebeveränderungen mit diesem neuartigen Verfahren durch

Vorträge 25

Bildgebung darstellen und von gutartigen Veränderungen im Gewebe unterscheiden lassen (s. Abb.18 und Abb.19).

Abb. 18: THz-spektroskopische Darstellung der Ausdehnung eines Basalzellkarzinoms (ex-vivo). R.M. Woodward et al. 2003.

THz-spektroskopische Untersuchung von Schleimhautproben (ex-vivo)

Probe eines Mundhöhlen-Karzinoms

Schramm et.al. (in praparation); Phys. Med. Biol.

Tumor

gesundeSchleimhaut

Wasser

Tumor

gesundeSchleimhaut

Abb. 19: THz-Spektroskopie an Proben eines Mundhöhlenkarzinoms versus Proben gesunder Schleimhaut in Transmission.

Als Erklärung dient bislang die Annahme, dass der Unterschied im Was-sergehalt von gesundem und pathologisch verändertem Gewebe aus-schlaggebend für den Kontrast in der bildlichen Darstellung ist.

Die Wechselwirkungen der THz-Strahlung mit biologischen Geweben und ihre Einflüsse auf die Möglichkeiten der bildlichen Darstellung sind bislang nur in Grundzügen verstanden. Hierdurch ergeben sich noch viele offene Grundlagenfragen:


• Wie breitet sich THz-Strahlung in biologischem Gewebe aus?

• Gibt es gewebespezifische THz-Signale? Wenn ja, unterscheiden sich tumorös entartete Gewebe typischerweise in ihrem Signalver-halten von gesunden Geweben gleichen Typs? Hierzu ist der Auf-bau von Datenbanken spektroskopischer Gewebesignale (Absorpti-ons-koeffizienten und Brechungsindices je nach Gewebetyp) not-wendig.

• Welche Ortsauflösung ist mit dieser Technik zu erreichen?

• Ist eine Kombination der THz-Technologie mit anderen konkurrie-renden Verfahren wie OCT sinnvoll?

• Gibt es schädigende Einflüsse der THz-Strahlung auf biologische Gewebe, z. B. bei längerer Einwirkzeit (Ermittlung von Grenzwer-ten etc.)?

Vorträge 27

2.5 Biomolekulare Sensorik mittels THz-Strahlung

Prof. Dr. Peter Haring Bolívar, Institut für Höchstfrequenztechnik und Quantenelektronik, Universität Siegen Die Biotechnologie ist eine zunehmend bedeutende Technologie mit ei-nem enormen Marktpotenzial. Die Perspektiven umfassen dabei u. a. die Entwicklung extrem effektiver diagnostischer Verfahren, die Detektion von Viren und Bakterien, die effiziente Entwicklung von pharmazeuti-schen Produkten, die Gentherapie und vieles mehr, was viele Bereiche unserer modernen Gesellschaft, insbesondere in der Medizin, revolutio-nieren wird. Dabei ist ein essentieller Schlüssel zur Biotechnologie, die Verfügbarkeit von flexiblen, zuverlässigen, einfachen und effizienten Mechanismen zur Detektion und Indentifizierung von Biomolekülen (DNA=Polynukleotide=Gene, m-RNA, Proteins) und deren Veränderun-gen (Mutationen, single nucleotide polymorphisms SNPs, …). Eines der wesentlichen Analyseverfahren für die Detektion von Biomolekülen und deren Interaktionen sind die so genannten Biochips, die in einer massiv parallelen Anordnung biomolekulare Analysen erlauben. Diese Techno-logie umfasst ein direktes Markvolumen von derzeit um die 1 Mrd. US $ [1], wobei assoziierte Produkte ein deutlich größeres Volumen aufweisen (siehe Tab. 2). Markprognosen variieren stark (z.B. 3,6 Mrd. US $ in 2006 [2] oder 40 Mrd. US $ in 2010), aber extrem hohe Wachstumsraten werden immer wieder bestätigt. Dabei werden Biochips in der heutigen Zeit beinahe ausschließlich in der Forschung und in der pharmazeuti-schen Entwicklung eingesetzt. Eine radikale Vereinfachung und Verbes-serung dieser Biochips und auch anderer biomolekularen Analysesysteme ist jedoch notwendig, um den Anwendungsbereich biomolekularer Sen-soren zu erweitern. Besonders attraktiv ist es dabei, Systeme soweit zu vereinfachen, dass Analysen für alltägliche Diagnosen in Arztpraxen möglich werden. In diesem Kontext hat die THz-Technologie ein hohes Potenzial.

Million $ 00 01 06 AAGR 00-06

Microarray scanners 500 1,000 2,500 20% Antibody labels 300 500 600 4% Fluorescent labels 600 1,100 2,000 13% Automated pipetting systems 400 600 890 8% S/W for data analysis 400 550 750 6% Reactive wash reagents for minimising non specific binding

250 350 420 4%

Tab. 2: Übersicht des Marktvolumens von Biochips und assoziierten Produkten


Seit geraumer Zeit werden im Bereich der chemischen und biochemi-schen Analytik zahlreiche sensorische Applikationsmöglichkeiten [3] von THz-Strahlung untersucht. Die mit THz-Strahlung assoziierten E-nergien liegen im Bereich von wenigen Millielektronenvolt (1 THz = 33.3 cm-1 = 4 meV) wodurch eine nichtthermische Schädigung von Zel-len oder Molekülen ausgeschlossen werden kann. Darüberhinaus sind in diesem Bereich zahlreiche diskrete Vibrations-, Torsions- und Librati-onsmoden von Molekülen in Flüssigkeiten und in Festkörpern zu beo-bachten. Eine Detektion und Identifizierung von Molekülen und deren Konformation ist daher prinzipiell möglich. Dies ist insbesondere bei größeren Molekülen wie Biomolekülen interessant um biochemische Prozesse markierungsfrei analysieren zu können.

Analysen von chemischen und biologischen Systemen haben eine lange Historie in diesem Spektralbereich. Vor mehr als vier Jahrzehnten wur-den mittels aufwendigen Backward Wave Oszillatoren erste Analysen durchgeführt (für eine historische Übersicht siehe [4]). Dennoch wurde erst Mitte der 90er Jahre die THz-Analytik mit dem Aufkommen von Femtosekundenlaser-basierten THz-Technologien und der THz-Bildgebung auf eine wesentlich breitere Basis gesetzt. Eine Vielzahl von spektroskopischen Untersuchungen chemischer und biochemischer Sys-teme wurde durchgeführt. In der Anfangszeit wurden einfache Systeme analysiert, um beispielsweise die intermolekulare Dynamik in Wasser oder nichtpolaren Lösungsmitteln abfragen zu können [5]. Derzeitige spektroskopische Analysen sind vielfältig und haben u. a. gezeigt, dass strukturelle Zustände von Proteinen über THz-Signale abgefragt werden können [6], der Hybridisierungszustand zur markierungsfreien geneti-schen Analyse von DNA abgetastet werden kann [7] und das Rezeptor-bindungen ebenfalls zu THz-Signalunterschieden führen [8].

Die weitaus größte Zahl der Arbeiten zur chemischen und biochemischen Sensorik im THz-Frequenzbereich befasst sich mit spektroskopischen Freistrahl Analysen an makroskopischen Proben. Dies ist für Grundla-genuntersuchungen sicherlich interessant. So ein Ansatz ist jedoch für analytische und diagnostische Systeme in der Biotechnologie aufgrund der großen notwendigen Materialmenge prohibitiv. In ausgewählten Fäl-len werden daher integrierte Sensoren zur Erhöhung der Sensitivität ent-wickelt. Aufgrund der Konzentration der THz-Strahlführung bei integ-rierten Ansätzen ist eine signifikante Änderung eines THz-Signals auch mit den üblicherweise extrem dünnen monomolekularen Filmen, die in der biotechnologischen Analytik Anwendung finden, möglich. Neben unseren Arbeiten im Bereich integrierter resonanter THz-DNA-Arrays (siehe unten) sind jedoch bisher wenige Arbeiten für mikrointegrierte THz-Biosensoren durchgeführt worden.

Mehrer Arbeiten (z. B. [9]) haben die Absicht, THz-wellenleiterbasierte Sensoren in mikrofluidischer Umgebung zu realisieren, wobei bisher nur Wellenleiterpropagation demonstriert wurde, jedoch noch kein Einsatz

Vorträge 29

als Sensor. Der Vorteil von solchen traditionellen Wellenleiterkonzepten ist die etablierte Integrationstechnologie, die den Einbau darauf basieren-der Sensoren in eine mikrofluidische Umgebung erleichtert. Der Nachteil dieser Wellenleiterarten ist die geringe Integrationsdichte, die limitierte erreichbare Sensitivität und die hohe Dämpfung, die die elektromagneti-sche Welle in einer flüssigen Umgebung erfährt. Um die Sensitivität von biomolekularen THz-Analysegeräten signifikant zu erhöhen, werden der-zeit weitere alternative Verfahren der Wellenleitung studiert. Interessante photonische Kristall-basierte Sensorkonzepte werden theoretisch in der Arbeitsgruppe von Dave Citrin erarbeitet, beispielsweise für Analysen an Nanoliter Volumina [10]. Wellenleiter mit extrem geringen Verlusten sind mittels Parallelplatten-Wellenleiterstrukturen demonstriert worden [11], woduruch diese THz Integrationstechnologie für die Sensorent-wicklung attraktiv wird. Im letzten Jahr wurden Arbeiten an Sommer-feld-Wellenleitern erstmalig aufgenommen, die interessante Perspektiven für die Biosensorik eröffnen [12].

Resonante THz-Sensoren

Viele Arbeiten konzentrierten sich auf das System DNA, weil dieses biomolekulare System stabil ist und extrem gut kontrolliert werden kann. Hierbei sei jedoch angemerkt dass die prinzipielle Sensorentwicklung auf weitere chemische oder biochemische Systeme, die Resonanzen im THz-Frequenzbereich aufweisen, übertragbar ist. Von besonderem Interesse ist hierbei die Proteindetektion [8].

Wegen der exzellenten Spezifität komplementärer Biomoleküle beim Binden, beruhen die meisten biomolekularen Analyseverfahren zur schnellen Identifizierung eines Moleküls auf der Detektion der Bindung („Hybridisierung“) unbekannter Moleküle an bekannte Komplemente. Bio-Chip-basierte Ansätze [13], [14], welche eine große Zahl komple-mentärer Abfragemoleküle in Arrays anordnen, erlauben die massiv pa-rallele Analyse von Biomolekülen, beispielsweise um die genetische Zu-sammensetzung einer Probe zu analysieren. Solche Analysen erfordern jedoch die Markierung der zu untersuchenden Biomoleküle, typischer-weise mit Fluoreszenzfarbstoffen. Die Markierung stellt jedoch einen unerwünschten zusätzlichen und komplexen Präparationsschritt dar, der die Genanalyse erschwert und verlangsamt. Darüberhinaus kann es durch die Markierung zu Veränderungen in der molekularen Konformation führen, die die Präzision des biomolekularen Nachweises senken können [15]. Eine absolute Quantifizierbarkeit ist zudem schwierig, da die Emis-sionseffizienz von der Lage von Fluoreszenzmarkern abhängt, typische Markermoleküle ausbleichen können und die zusätzlich erforderlichen Bearbeitungsschritte Schwankungen in der Markierungseffizienz verur-sachen [16], [17], [18]. Eine Quantifizierung ist jedoch für viele Anwen-dungen, insbesondere in der Krebsforschung, extrem wichtig. Aus die-


sem Grund besteht ein enormes Interesse an markierungsfreien biomole-kularen Analyseverfahren.

Erste Arbeiten zur Detektion von biomolekularen Hybridisierungsevents - und damit zur Biodetektion und –identifizierung - konzentrieren sich, wie bereits dargestellt, auf die markierungsfreie Analyse von DNA. Aus-gangsbasis für diese THz-Untersuchungen war die theoretische Vorher-sage, DNA weise eine hohe Dichte an vibronischen Resonanzen im THz-Frequenzbereich auf [19], [20], [21]. Viele dieser vibronischen Moden sind an Inter-Helix-Anregungen gekoppelt (base roll, propeller twist, ...), wodurch sich der THz-Bereich hervorragend zur markierungsfreien De-tektion des DNA-Bindungszustandes eignet. Mittels zeitaufgelöster THz-Spektroskopie konnte darauf basierend demonstriert werden, dass THz-Transmission durch DNA stark von deren Bindungszustand abhängt [22], [23]. Dabei variiert der komplexe Brechungsindex je nach Hybridisie-rungszustand (hybridisiert = doppelsträngig = Anwesenheitsanzeige eines Moleküls, denaturiert = einzelsträngig = Abwesenheitsanzeige eines Mo-leküls), was das Potenzial von THz-Strahlung für die biomolekulare Sensorik nachweist. Diese Beobachtung wurde später auf andere biomo-lekulare Systeme übertragen [8].

Die erforderlichen Mengen an DNA in einer klassischen Freistrahl Spekt-roskopieanordnung sind jedoch prohibitiv im Verhältnis zu der er-wünschten Sensitivität biomolekularer Analyseverfahren. Eine Idee, die-ses Problem zu lösen, ist die Entwicklung resonanter THz-Sensoren. Grundsätzliche Idee dabei ist, dass die Variation des Brechungsindices eines Materials in einem Resonator zu einer Frequenzverschiebung der Resonatorfrequenz führt, die extrem empfindlich gemessen werden kann. Viele neuartige THz-Resonatorkonzepte wurden auf diese Weise reali-siert und optimiert [7], [24], [25], [26], [27]; zunächst Resonatoren, die auf planaren Mikrostreifen-Wellenleitern basieren und nur im niedrigeren THz-Frequenzbereich eingesetzt werden können (siehe Abb. 20) und in jüngster Zeit parallelplatten Resonatoren die auch zu höheren Frequenzen hin skaliert werden können [28].

Mit solchen Ansätzen konnte die Sensitivität für die biomolekulare De-tektion seit der ersten Beobachtung um mehr als 6 Größenordnungen in den Femtomolbereich erhöht werden [23]. Einzelbasen-Mutationen konn-ten detektiert werden. Insgesamt stellt sich ein enorm hohes Potenzial für die biomolekulare Detektion mittels THz-Systemen dar. In der Zukunft ist eine weitere Erhöhung der Sensitivität und der Integrationsdichte er-wünscht. Zudem ist ein wichtiges Ziel die Entwicklung von biomolekula-ren Sensoren, die direkt innerhalb einer flüssigen Umgebung arbeiten können.

Vorträge 31

Abb. 20: Beispiel eines planaren Mikrostreifen Racetrack-Resonators zur DNA-Detektion. Links: Querschnitt durch die biofunktionalisierten Wellenleiter. Rechts: Aufsicht auf ein Resonatorelement eines Arrays, inklusive photokonduktiver THz-Anregung und –Abfrage (aus [27]).

Referenzen: [1] Technology Insights October (2004). [2] Control and instrumentation (2004). [3] P. H. Siegel, “Terahertz technology in biology and medicine,” IEEE Trans. Mi-

crow. Theory Tech., Vol. 52, no. 10, pp. 2438–2447, Oct. (2004). [4] M.F. Kimmitt, Restrahlen to T-Rays – 100 Years of Terahertz Radiation, J. of

Biol. Phys. 29, 77–85 (2003). [5] J. E. Pedersen und S. R. Keiding, “THz time-domain spectroscopy of nonpolar

liquids,” IEEE J. Quantum Electron. 28, 2518–2522 (1992). [6] A. Markelz, S. Whitmore, J. Hillebrecht und R. Birge, “THz time domain spec-

troscopy of bimolecular conformational modes,” Phys. Med. Biol. 47 (21), 3797–3805 (2002).

[7] P. Haring Bolivar, M. Brucherseifer, M. Nagel, H. Kurz, A. Bosserhoff und R. Buttner, “Label-free probing of genes by time domain terahertz sensing,” Phys. Med. Biol. 47 (21), 3815–3821 (2002).

[8] S. P. Mickan, A. Menikhu, H. Liu, C. A. Mannella, R. MacColl, D. Abbott, J. Munch und X.-C. Zhang, “Label-free bioaffinity detection using terahertz tech-nology,” Phys. Med. Biol. 47 (21), 3789–3795 (2002).

[9] A. Treizebre, T. Akalin, B. Bocquet, Planar excitation of Goubau Transmission Lines for THz BioMEMS, IEEE Microw. and Guided Wave Lett. 15 (12), 886–888 (2005).

[10] H. Kurt, D.S. Citrin, Coupled-resonator optical waveguides for biochemical sensing of nanoliter volumes of analyte in the terahertz region, Appl. Phys. Lett. 87 (24): 241119 (2005).

[11] R. Mendis und D. Grischkowsky, Undistorted guided-wave propagation of sub-picosecond terahertz pulses, Opt. Lett. 26, 846 (2001).

[12] N. C. J. van der Valk und P. C. M. Planken, “Effect of a dielectric coating on terahertz surface plasmon polaritons on metal wires,” Appl. Phys. Lett. 87, (2005).

[13] M. Schena, et al., Proc Natl Acad Sci USA 93, 10614-10619 (1996). [14] M. Chee et al. Science 274, 610-614 (1996). [15] H Ozaki und LW McLaughlin, Nucleic Acids Res. 20, 5205 (1992). [16] Z Zhu, J Chao, H Yu, und AS Waggoner, Nucleic Acids Res. 22, 3418 (1994). [17] Z. Zhu, A.S. Waggoner, Cytometry 28, 206 (1997). [18] M.L. Larramendy, W. EI-Rifai und S. Knuutila, Cytometry 31, 174 (1998). [19] H. Fröhlich, Long-range coherence and energy storage in biological systems, Int.

J. Quan.Chem. 2, 641 (1968).


[20] L. L. Van Zandt und V. K. Saxena, Phys. Rev. A 39, 2672 (1989). [21] M. Bykhovskaia et al., Theor. Chem. Acc. 106, 22 (2001). [22] P. Haring Bolivar, M. Brucherseifer, M. Nagel, H. Kurz, A. Bosserhoff und R.

Büttner, XII Int. Conf. on Ultrafast Phenomena, Charleston (SC), USA (2000). [23] M. Brucherseifer, M. Nagel, P. Haring Bolivar, H. Kurz, A. Bosserhoff and R.

Büttner, Appl. Phys. Lett. 77, 4049 (2000). [24] M. Nagel, P. Haring Bolívar, M. Brucherseifer, H. Kurz, A. Bosserhoff und R.

Büttner, Integrated THz technology for label-free genetic diagnostics, Appl. Phys. Lett. 80, 154 (2002).

[25] P. Haring Bolívar, M. Brucherseifer, M. Nagel, H. Kurz, A. Bosserhoff und R. Büttner, Label-free probing of genes by time-domain terahertz sensing, Phys. Med. Biol. 47, 3815-3821 (2002).

[26] M. Brucherseifer, P. Haring Bolívar und H. Kurz, Combined optical and spatial modulation THz-spectroscopy for the analysis of thin-layered systems, Appl. Phys. Lett. 81, 1791 (2002).

[27] M. Nagel, F. Richter, P. Haring Bolívar und H. Kurz, “A functionalized THz sensor for marker-free DNA analysis”, Phys. Med. Biol. 48, 3625-3636 (2003).

[28] M. Nagel, P. Haring Bolivar und H. Kurz, “Modular parallel-plate THz compo-nents for cost-efficient biosensing systems”, Semic. Sc. and Techn. 20 (7), S. 281-S. 285 (2005).

Vorträge 33

2.6 Terahertz-Anwendungen in der industriellen Inspektion

Prof. Dr. René Beigang und Dr. Michael Herrmann, Fraunhofer IPM, Projektgrupppe TeraTec, Kaiserslautern Im Verlauf der letzten 10 bis 15 Jahre ist eine Vielzahl von photonischen Terahertz-Quellen entwickelt worden. Die Eigenschaften dieser Quellen reichen von extrem breitbandiger, gepulster Strahlung mit Impulslängen im Sub-Pikosekundenbereich bis hin zu schmalbandiger kontinuierlicher Strahlung mit veränderlicher Wellenlänge. Typische Beispiele für derar-tige Strahlungsquellen sind fs-Laser-basierte THz-Systeme (photoleiten-de Schalter, Oberflächenemitter, optische Gleichrichtung in ungepolten oder auch periodisch gepolten nichtlinearen Materialien), Quantenkaska-denlaser, optoelektronische cw Terahertz-Erzeugung (Photomischer) und optisch parametrische Oszillatoren. THz-Quellen mit derartigen Eigen-schaften (schematisch dargestellt in Abb. 21) können vorteilhaft für eine Vielzahl von Anwendungen in der industriellen Inspektion und Quali-tätskontrolle eingesetzt werden.

Eigenschaften typischer THz-Systeme: Quellen

Gepulst Kontinuierlich

kurze Impulse (< 1 ps) lange Imulse (>10 ps)breitbandig schmalbandig

0 2 4 6 8 10 12 14-0,4

-0,2

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Elec

tric

field

[a. u

.]

Delay [ps]

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

10-4

10-3

10-2

Spec

tral a

mpl

itude

[b. E

.]

Frequency [THz]

0 10 20 30 40 50 60-10

-5

0

5

10

Fiel

d am

plitu

de [a

. u.]

Delay [ps]

Variable THz-Quellen im Frequenzbereich von

50 GHz to 10 THz

PCS, Oberflächenemitter, Gleichrichtung,…

Opt. Gleichrichtung in PPLN, GaAs, OPOs, …

DFG, Photomixing,…

Direkte Laser: Gas, Ge, QCL, …. Backward Oszillatoren

Abb. 21: Typische Eigenschaften optischer THz-Systeme.

Die direkte Messung von Amplitude und Phase der THz-Strahlung er-laubt neben einer bildgebenden Darstellung auch die Bestimmung von spektroskopischen Daten. Die Messung der Zeitstruktur führt zusätzlich zu dreidimensionalen Informationen. Damit sind topografische und spektroskopische Messungen von vielen nichtmetallischen Materialien möglich. Die am häufigsten angewandten Messmethoden bestimmen entweder direkt die Intensität der THz-Strahlung nach Propagation durch eine (oder Reflexion an einer) Probe oder über eine kohärente Detektion den komplexen Brechungsindex. Bei zusätzlicher Kenntnis der zeitlichen


Verzögerung lassen sich im Prinzip gleichzeitig geometrische und spek-troskopische Eigenschaften von Materialien ermitteln. Als Probenmateri-alien kommen alle im THz-Bereich transparenten Materialien und polare Gase in Frage. Zusätzlich lassen sich Oberflächeneigenschaften von nicht transparenten Medien bestimmen.

Typische Anwendungsfelder sind in Abb. 22 aufgelistet.

Anwendungsfelder in der industriellen Inspektion

Kunststoff- und Verbundwerkstoffindustrie: Detektion von Materialinhomogenitätenund Fremdkörpern, Kontrolle von Mehrschichtsystemen, Delamination, Lunker

Holz- und Möbelindustrie: Detektion von Verklebungsfehlern

Lebensmittelindustrie: Detektion von Fremdkörpern, Messung der Schichtdicke der Schokoladenhülle von Pralinen

Metallindustrie und Autoindustrie: Detektion von Dellen in Blechen oder Metallteilen, Detektion von Lackschäden, Klebeverbindungen, Kunststoffe, beschichtete Oberflächen

Verpackungsindustrie: Endkontrolle von Vollständigkeit und/oder Füllstand

Pharmaindustrie: Produktpiraterie, Prozesskontrolle

Luftfahrtindustrie: Verbundwerkstoffe, Festtreibstoffe

Halbleiterindustrie: Flussmittelverteilung, Lötstellen

Abb. 22: Typische Anwendungsfelder in der industriellen Inspektion und Qualitätskon-trolle.

Besonders interessante Anwendungsfelder für die THz-Technologie sind die Kunststoffindustrie (einschließlich „Klebetechnologie“), die Pharma-industrie und auch die Lebensmittelindustrie. Mit Hilfe der THz-Technologie lassen sich z. B. Hohlräume und Fehlstellen in Verbund-werkstoffen berührungslos detektieren, es können Wirkstoffkonzentrati-onen und –verteilungen in Pharmaka bestimmt und Fremdkörper in Le-bensmitteln erkannt werden. Eine Vielzahl von derartigen Anwendungen ist im Prinzip bereits demonstriert worden. Der besondere Vorteil der THz-Technologie ist in vielen Anwendungsfällen die Tatsache, dass mit THz-Strahlung auch Untersuchungen in (nichtmetallischen) Verpackun-gen durchgeführt werden können. Die eingesetzten Verfahren, die auf THz-Technologie basieren, sind i. a. nicht-taktile Verfahren und haben damit Vorteile gegenüber z. B. Ultraschallmethoden, die auf eine An-kopplung der Ultraschallwellen an das zu untersuchende Objekt ange-wiesen sind. Schwierigkeiten treten immer dann auf, wenn Objekte eine hohe Wasserkonzentration aufweisen, da Wasser THz-Strahlung beson-ders stark absorbiert. Für Messungen in „wässriger Umgebung“ sind be-sondere experimentelle Methoden erforderlich („ATR-Spektroskopie“, Ausnutzung von evaneszenten Wellen etc.).

Der Einsatz von THz-Technologie ist immer dann sinnvoll, wenn die THz-Technolgie die einzige Lösung eines Messproblems ist, die THz-

Vorträge 35

Technologie deutliche Vorteile gegenüber andern Verfahren aufweist (messtechnisch und/oder finanziell) oder sinnvoll mit anderen Verfahren kombiniert werden kann. Dazu ist immer ein Vergleich mit anderen be-reits existierenden etablierten Verfahren erforderlich.

In Abb. 23 sind typische Ergebnisse für eine zweidimensionale Bildge-bung mit THz-Strahlung am Beispiel der Detektion von Fremdkörpern in Lebensmitteln gezeigt. Die Aufnahmen wurden in einer Transmissions-geometrie mit einer breitbandigen THz-Quelle gemacht.

0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 00

1 0

2 0

3 0

4 0

5 0

In te n s ity 0 .4 - 0 .5 T H z ( lo g .)

x [m m ]

y [m

m]

2 E -4

3 ,8 0 7 E -4

7 ,2 4 8 E -4

0 ,0 0 1 3 8 0

0 ,0 0 2 6 2 7

0 ,0 0 5 0 0 0

0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 00

1 0

2 0

3 0

4 0

5 0

In te n s ity 0 .4 - 0 .5 T H z ( lo g .)

x [m m ]

y [m

m]

2 E -4

3 ,8 0 7 E -4

7 ,2 4 8 E -4

0 ,0 0 1 3 8 0

0 ,0 0 2 6 2 7

0 ,0 0 5 0 0 0

Schokolade Plastik in Mehl

Abb. 23: Detektion von Fremdköpern in Lebensmitteln: auf der linken Seite Fremdkör-per in Schokolade (M. Koch, TU Braunschweig) und rechts Kunststoffteile in Mehl (TeraTec, IPM Freiburg).

Für eine industrielle Nutzung der THz-Technologie sind zusätzliche technologische und wissenschaftliche Problemstellungen zu lösen. Zur-zeit sind THz-Systeme, die auf optischen Techniken basieren, zu groß, zu teuer, zu langsam und zu aufwendig für die Anwender. Diese verbreitete pauschale Aussage muss allerdings modifiziert werden, da bereits gezeigt wurde, dass es für einzelne Problempunkte Lösungswege gibt und diese auch demonstriert wurden. In allen angesprochenen Problempunkten wurden in den letzten Jahren große Fortschritte erzielt. Jedoch ist immer noch die Entwicklung preisgünstiger und kompakter Systeme eine Grundvoraussetzung der industriellen Anwendung und bleibt daher ein vordringliches Ziel zukünftiger F. u. E. Arbeiten. Der Einsatz von fs-Faserlasern bietet dafür z. B. eine Lösungsmöglichkeit.

Die Entwicklung von schnellen Messverfahren mit dem Ziel einer Echt-zeitmessung („video rate“) ist ein weiteres Ziel von F. u. E. Arbeiten, damit THz-Systeme, z. B. auch in der Produktion, bei der Überwachung von Herstellungsprozessen eingesetzt werden können. THz-Systeme werden nicht immer die alleinige Lösung für Messprobleme liefern, son-dern es ist zu erwarten, dass die THz-Messtechnik häufig mit anderen Verfahren kombiniert werden muss.


Die Entwicklung von empfindlichen Nachweisverfahren ist insbesondere für den Einsatz von kontinuierlichen THz-Quellen von Bedeutung. Diese Quellen sind im Vergleich zu fs-Laser-basierten Quellen kostengünstiger zu realisieren, benötigen allerdings ein empfindlicheres Nachweisverfah-ren. Generell lässt sich sagen, dass nicht die maximale Leistung der THz-Quelle von Bedeutung ist, sondern das erreichbare Signal-Rausch-Verhältnis.

Die Problematik der Systemintegration wird bei der Anwendung von THz-Systemen eine wichtige Rolle spielen. Es wird sich zeigen, dass individuelle Lösungen für einzelne Anwendungen gefunden werden müs-sen, die auf geeigneten THz-Komponenten basieren.

In Abb.24 sind noch einmal die wesentlichen technologischen und wis-senschaftlichen Problemstellungen aufgelistet.

1. Kompakte preisgünstige THz-Quellen:

gepulst: fs-Faserlaser hoher Leistung

kontinuierlich: QCLscw Mischsystemehochfrequente elektr. Systemedirekte Laser

2. Empfindliche 1- und 2-dim. Detektionsverfahren

3. Entwicklung schneller Messverfahren („video rate“)

4. Kombination mit anderen Messverfahren

z. B.: Lichtschnitt: Oberflächenvermessung+ THz: zusätzlicher „Blick ins Innere“

5. Systemintegration

Technologische und wissenschaftliche Problemstellungen

Abb. 24: Technologische und wissenschaftliche Problemstellungen.

Eine kürzlich durchgeführte Marktstudie zeigt (FhG-Marktstudie „THz und angrenzende Technologien“, Oktober 2004), dass die THz-Technologie ein großes Marktpotenzial für industrielle Anwendungen besitzt, wenn die angesprochenen technologischen und wissenschaftli-chen Probleme gelöst werden können. Der Zeithorizont für die industriel-le Umsetzung sollte nicht zu langfristig angesetzt werden, da aktuelle Problemstellungen vorhanden sind, die prinzipiell mit THz-Technologie gelöst werden können.

Vorträge 37

2.7 Terahertz-Kommunikationstechnik

Prof. Dr. M. Koch, Institut für Hochfrequenztechnik, TU Braunschweig, Schleinitzstr. 22, 38106 Braunschweig Der Bandbreitebedarf von kurzreichweitigen drahtlosen Kommunikati-onssystemen ist in den letzten 20 Jahren stetig angestiegen. Heutige Sys-teme wie Bluethooth und Wireless-LAN arbeiten mit Trägerfrequenzen von wenigen Gigahertz (GHz). Das sich derzeit in der Entwicklung be-findliche Ultra Wide Band-System wird Frequenzen bis 10,6 GHz nutzen und voraussichtlich Datenraten von 1,3 Gigabit pro Sekunde übertragen können. Erste stationäre Punkt-zu-Punkt-Systeme bei 60 GHz sind be-reits kommerziell erhältlich.

Wenn man den steigenden Bandbreitebedarf der Vergangenheit in die Zukunft projiziert, wird klar, dass in 10 bis 15 Jahren lokale Kommuni-katiossysteme benötigt werden, die Datenraten von einigen 10 Gb/sec zur Verfügung stellen. Einige Anwendungen für diese Systeme sind bereits jetzt abzusehen. Exemplarisch sei hier nur die drahtlose Erweiterung von EPONs (Ehternet Passive Optical Networks) genannt. Anschaulichere Visionen kommen vom japanischen Telekomriesen NTT. Zum Beispiel könnten ganze Videos binnen weniger Sekunden an sogenannten Hotspots drahtlos auf Mobilgeräte wie den iPod geladen werden (siehe Schemazeichnung in Abb. 25).

Abb. 25:. Vision des japanischen Telekomriesen NTT: Ganze Videos könnten binnen weniger Sekunden an sogenannten Hotspots drahtlos auf Mobilgeräte herunter geladen werden.

Aber auch bei der hochqualitativen Fernsehübertragung (HDTV) von Sportveranstaltungen mit mehreren mobilen Kameras werden künftige hochbitratige Übertragungssysteme eine Rolle spielen. Neben diesen bereits jetzt identifizierten Anwendungen (market pull) werden sich an-dere Einsatzfelder erst ergeben, wenn die Technologie zur Verfügung steht (technology push). Lokale hochbitratige Funksysteme könnten auch eingesetzt werden, um das sogenannte „last mile“-Problem zu lösen oder abhörsichere militärische Verbindungen in einem Kampfgebiet zu reali-sieren.


Die heute häufig zur Vernetzung von Bürogeräten verwendete Infrarot-Technologie eignet sich aufgrund einer Vielzahl von fundamentalen Be-schränkungen nicht, um Kommunikationssysteme zu realisieren, welche solche hohen Datenraten ermöglichen. Vielmehr ist es wahrscheinlich, dass der eher konventionelle Weg, die Trägerfrequenzen von lokalen Funksystemen weiter zu steigern, zum Erfolg führen wird. Es darf daher als relativ sicher gelten, dass lokale Funksysteme in 10 bis 15 Jahren mit Frequenzen von einigen hundert GHz arbeiten werden.

Bereits jetzt lässt sich abschätzen, dass diese Systeme auf völlig neuen Konzepten basieren werden. Im Rahmen einer einfachen Linkbilanzana-lyse kann man errechnen, dass für Sende- und Empfangsantennen jeweils ein Antennengewinn von mindestens 25 dB benötigt wird. Dabei wurden eine Trägerfrequenz von 300 GHz, eine Bandbreite von 10 GHz, eine Übertragungsdistanz von 10 m und eine Sendeleistung von 1 mW ange-nommen. Ein hoher Antennengewinn könnte beispielsweise durch Grup-penstrahler erreicht werden, wie dies bei einigen 10 GHz bereits erfolg-reich demonstriert wurde. Er bedeutet eine sehr gerichtete Übertragung zwischen Sender- und Empfänger, so dass zwischen diesen letztendlich eine Sichtverbindung bestehen muss. Wird die Sichtverbindung blo-ckiert, zum Beispiel indem eine Person in den Strahlengang tritt, wird die Datenübertragung unterbrochen. Dieses Problem lässt sich lösen, indem auch indirekte Übertragungspfade, welche eine oder zwei Reflexionen an den Wänden beinhalten, ausgenutzt werden. In dem Moment, in dem die direkte Verbindung unterbrochen wird, müsste das Übertragungssystem nach indirekten Pfaden suchen und die Strahlkeule der Antennen entspre-chend ausrichten.

Das Ergebnis einer Ray-tracing-Simulation in einem fiktiven Raum, wel-ches in Abb. 26 gezeigt ist, belegt, dass ein sicherer Empfang gewährleis-tet werden kann, wenn solche indirekten Pfade ausgenutzt werden. In der Simulation wurde eine typische Bürosituation in einem 30 m2 großen Raum nachgestellt, die neben einer Möblierung auch Personen berück-sichtigt, die sich statistisch im Raum bewegen. Aufgetragen ist der im schlechtesten Fall zu erwartende Signalpegel in einer Höhe von 1 m über dem Fußboden. Es zeigt sich, dass der direkte Pfad (Abb. 26a) alleine eine unzureichende Empfangsstärke (niedriger Signalpegel blau darge-stellt) bietet, da immer eine Situation eintreten kann, in der eine Person die Verbindung blockiert. Hingegen sind Verbindungen, die auf einem der möglichen indirekten Pfade beruhen, nahezu überall im Raum gegen eine Abschattung gefeit (Abb. 26b, c).

Vorträge 39

a) b) c)

direkt einmal reflektiert zweimal reflektiert

x (m) x (m) x (m)

y (m

)

Sig

nalp

egel

(dB

)

Abb. 26: Signalpegel in einer Höhe von 1 m über dem Fußboden in einer typischen Büroumgebung bei Ausnutzung des direkten Pfades (a), einfach reflektierter Pfade (b) und zweifach reflektierter Pfade (c). Ein hoher Signalpegel ist rot dargestellt, ein unzu-reichender Pegel blau.

Die Reflexionen an den Wänden könnten signifikant unterstützt werden, indem diese teilweise mit dielektrischen THz-Spiegeln ausgekleidet wer-den. Wie Ray-Traycing-Simulationen zeigen, müsste nur ein kleiner Pro-zentsatz der Wände mit solchen Spiegeln bedeckt werden. Die Spiegel führen zu einem etwas höheren Signalpegel, so dass die sonst sehr gro-ßen Gruppenstrahler etwas kleiner dimensioniert werden können. Flexib-le dielektrische Kunststoffspiegel für den THz-Bereich sind bereits im Prinzip demonstriert worden. Sie müssten in ihren Eigenschaften jedoch noch beträchtlich verbessert und auf 300 GHz angepasst werden.

Die gerichtete Übertragung auch über indirekte Pfade stellt ein neues Konzept dar, welches sich fundamental von dem heutiger WLAN-Systeme unterscheidet. Es verlangt aber auch elektronisch schwenkbare Antennen (smart antennas), wie sie derzeit bei Frequenzen bis zu einigen zehn GHz entwickelt werden.

Die Umsetzung dieses Konzepts beinhaltet eine Vielzahl von technologi-schen Herausforderungen. Diese beginnen mit der Realisierung der be-reits angesprochenen elektronisch schwenkbaren Gruppenstrahler und deren Speisung und Ansteuerung und reichen über die Entwicklung von Such-, Codierungs-, und Datenübertragungsalgorithmen bis hin zu Mehr-fachzugriffsverfahren.

Eine große Herausforderung stellt auch die Entwicklung leistungsfähiger Lokaloszillatoren für Sende- und Empfangseinheiten dar. Unlängst hat NTT ein stationäres Punkt-zu-Punkt-Übertragungssystem bei 120 GHz demonstriert, bei welchem die Trägerwellen optoelektronisch durch La-seranregung von sogenannten „uni-traveling carrier photodiode“ erzeugt werden. Wenngleich die demonstrierten Datenraten von 10 Gb/s beein-druckend sind, räumt NTT ein, dass langfristig die rein elektronische Generation von hohen GHz-Frequenzen aussichtsreicher und effizienter ist. Auch bei elektronischen THz-Quellen wurde über Fortschritte berich-tet. So erreichten resonante Tunneldioden bei Raumtemperatur und einer Fundamentalfrequenz von 342 GHz Ausgangsleistungen von 23 µW, ein Wert, der durchaus ausreichen sollte, um eine einzelnes Antennenele-


ment in einem Gruppenstrahler zu speisen. Elektronische THz-Quellen könnten aber auch auf der etablierten MHEMT-Technologie (metamor-phe HEMT-Technologie) beruhen, wie sie bereits zur Erzeugung und Verstärkung von 220 GHz für bildgebende Radiometriessysteme genutzt wird.

In Japan und Amerika gibt es bereits erste Aktivitäten mit dem Ziel, kurzreichweitige THz-Kommunikationssysteme zu entwickeln. Wir soll-ten diese zukunftsweisende Informationstechnik nicht verschlafen. Jegli-che für die Entwicklung von elektronischen THz-Quellen notwendige Technologie ist in Deutschland vorhanden.

3 ANWENDUNGSPOTENZIALE DER THZ-TECHNOLOGIE

3.1 Einführung

Terahertz-Strahlung (THz-Strahlung) ist elektromagnetische Strahlung im Frequenzbereich von etwa 0,2 THz bis 10 THz. Niedrigere Frequen-zen gehören zum Mikrowellenbereich (Technologie - Hochfrequenz-elektronik) höhere Frequenzen gehören zum Infrarotbereich (IR) (Tech-nologie - Optik). Die zugehörigen Wellenlängen liegen bei ca. 1 mm (bei 0,3 THz) und erreichen ca. 30 µm (bei 10 THz).

Elektromagneti-sche Strahlung im Frequenzbereich von etwa 0,2 THz bis 10 THz.

Der THz-Frequenzbereich stellt die letzte größere Lücke im elektromag-netischen Spektrum zwischen den Radiofrequenzen und dem Ultravio-lettbereich dar, der noch nicht intensiv technisch genutzt wird.

Der Bereich unter 100 GHz ist durch die Hochfrequenzelektronik und deren Anwendung in der Rundfunk- und Kommunikationstechnik gut erschlossen. Frequenzen oberhalb von etwa 30 THz werden durch die Lasertechnik abgedeckt mit typischen Anwendungen in der Lasermateri-albearbeitung (CO2-Laser mit ca. 30 THz) und der optischen Kommuni-kationstechnik. Die THz-Strahlung liegt somit technologisch im Grenz-bereich zwischen der Elektronik und der Optik. Bislang war dieser Fre-quenzbereich nur mit relativ hohem apparativem Aufwand für wissen-schaftliche Grundlagenuntersuchungen in der Plasmadiagnostik, der At-mosphärenmesstechnik und der Radioastronomie zugänglich. Dies scheint sich allmählich zu ändern aufgrund neuer Ansätze zur Erzeugung von THz-Strahlung. Dadurch gewinnt THz-Strahlung zunehmend an In-teresse für technische Anwendungen.

Grenzbereich zwi-schen Elektronik und Optik

Im Hinblick auf mögliche technische Anwendungen sind die folgenden Eigenschaften der THz-Strahlung von besonderer allgemeiner Bedeu-tung:

• THz-Strahlung durchdringt viele Materialien gut, die für sichtbares Licht undurchlässig sind, darunter beispielsweise Textilien, Papier, Karton und zahlreiche Kunststoffe. THz-Strahlung gilt für ver-schiedenste Materialien als unschädlich und eignet sich daher zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung. Für eine Durchdringung von Metallen eignet sich THz-Strahlung allerdings nicht.

• THz-Strahlung wird von Wasser stark absorbiert. Dies gilt auch für die in der Luft enthaltene Feuchtigkeit oder Wasserdampf. Dies stellt eine generelle Einschränkung für Anwendungen in normaler Umgebungsluft dar. Andererseits birgt diese Feuchtigkeitsempfind-lichkeit auch das Potenzial für präzise Feuchtigkeitsmessungen. Für bestimmte Wellenlängen existieren Fenster mit geringerer Absorp-tion. Typische maximale Reichweiten in Luft können einige 100 Meter erreichen; in feuchtem Gewebe dagegen deutlich unter einem Millimeter.

42 Die Terahertz-Technologie und ihre möglichen Anwendungen • THz-Strahlung ist mit typischen Photon-Energien im Bereich eini-

ger meV nicht ionisierend. Sie wird daher als unschädlich für den menschlichen Organismus angesehen. Dies ist bedeutsam für et-waige medizinische Anwendungen oder den Einsatz bei Personen-kontrollen. Die Frage einer möglichen Empfindlichkeit von Protei-nen auf THz-Strahlung wird gegenwärtig untersucht.

• Die Anregungsenergien für Schwingungen und Rotationen von Molekülen liegen häufig im meV-Bereich. Diese Moleküle weisen somit einen spezifischen spektroskopischen „Fingerabdruck“ im THz-Bereich auf.

• Objekte mit Raumtemperatur emittieren thermische Strahlung auch im THz-Bereich. Dies ermöglicht passive Bildgebungsverfahren.

• Bei beugungsbegrenzten Abbildungsverfahren mit THz-Strahlung sind räumliche Auflösungen in der Größenordnung der jeweiligen Wellenlänge zu erwarten - also im Submillimeterbereich. Für be-stimmte Anwendungen ergeben sich hieraus Einschränkungen, ins-besondere im Vergleich zum IR aber auch Vorteile gegenüber Mik-rowellen. Im Vergleich zu IR-Strahlung weist THz-Strahlung eine geringere Rayleigh-Streuung auf.

3.2 Quellen, Detektoren, Spektroskopie

Quellen für Terahertz-Strahlung

Es gibt eine Fülle von Terahertz-Strahlquellen und eine Reihe von Merkmalen zu ihrer Klassifizierung. Eine erste Einteilung der Quellen geht von der Art der erzeugten THz-Strahlung aus und unterscheidet zwi-schen gepulsten Quellen und Dauerstrichquellen. Gepulste Quellen

Im Bereich der gepulsten Quellen kommt der Konversion von Femtose-kunden-Laserpulsen (fs-Laserpulse) durch photoleitende Antennen die höchste Bedeutung zu. Die zunehmende Verfügbarkeit von fs-Lasern gehört dabei mit zu den Gründen für den gegenwärtigen Anstieg von Arbeiten mit THz-Strahlung. Zur Konversion von fs-Laserpulsen werden auch Halbleiteroberflächen, Halbleiterquantenstrukturen oder die opti-sche Gleichrichtung in nichtlinearen Medien verwendet.

Als wichtige Dauerstrichquellen sind Photomischer auf Basis von photo-leitenden Antennen sowie auf Basis von nicht-linearen optischen Kristal-len zu nennen. Zu den Dauerstrichquellen gehören auch die sog. BWOs („Backward Wave Oscillators”), die allerdings nur von einer Firma in Russland hergestellt werden.

Dauerstrichquellen

Ausgehend von der Einordnung des THz-Frequenzbereiches zwischen dem Mikrowellen- und dem IR-Bereich lassen sich die THz-Quellen sehr grob in drei Gruppen aufteilen. Und zwar:

Anwendungspotenziale der THz-Technologie 43

1. Quellen, die ausgehend vom Mikrowellenbereich THz-Strahlung durch eine elektronische Aufwärtskonversion erzeugen:

• Schottky- oder Gunn-Dioden mit anschließender Frequenzver-vielfachung

• Bestimmte Arten von HEMT („High Electron Mobility“ Transis-toren)

2. Quellen, die ausgehend vom IR-Bereich THz-Strahlung durch eine optische Abwärtskonversion erzeugen:

• Photomischung

• CO2-Laser gepumpte Moleküllaser

3. Verfahren zur direkten Erzeugung von THz-Strahlung:

• Quantenkaskadenlaser (QCL)

• p-Ge-Laser.

Abbildung 27 stellt für einen Teil der aufgeführten Quellentypen sowohl typische Ausgangsleistungen als auch den abgedeckten Frequenzbereich dar.

Abb. 27: Typische Ausgangsleistungen für einige geläufige THz-Quellen.4

4 Douglas J. Paul: “Picturing people: non-intrusive imaging” (2003); www.foresight.gov.uk.

44 Die Terahertz-Technologie und ihre möglichen Anwendungen Detektoren für Terahertz-Strahlung

Bei der Detektion von THz-Strahlung wird zwischen der direkten Detek-tion, der Zeitfenster-Detektion (time-gated detection) und der heterody-nen Detektion unterschieden. Bei der heterodynen Detektion wird eine lokale Quelle, die eine Frequenz nahe dem zu detektierenden Signal auf-weist, mit dem Signal gemischt, um eine Verstärkung des Signals durch die entstehende Interferenz zu erreichen. Bei der Detektion mit einem Zeitfenster wird die Laufzeit des Photons verwendet, um zusätzliche In-formationen zu extrahieren. Dazu wird entweder eine Verzögerung ein-geführt oder die Messung bei verschiedenen Entfernungen bzw. unter verschiedenen Winkeln durchgeführt. Die direkte Detektion bezeichnet solche Nachweisverfahren, bei denen eintreffende Photonen vom Detek-tor unmittelbar absorbiert werden, ohne zusätzliche, qualitätsverbessern-de Techniken vor dem Nachweis.

Direkte Detektion, Zeitfenster-

Detektion und heterodyne

Detektion

Die Empfindlichkeit von THz-Detektoren kann durch die rauschäquiva-lente Leistung (NEP - Noise Equivalent Power) gemessen werden. Sie ist definiert als die optische Leistung, die erforderlich ist, um ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis von 1 in einer Bandbreite von 1 Hz zu erhalten.

Kryogene THz-Detektoren, wie das HEB (Hot Electron Bolometer) oder SIS-Mischer (Supraleiter-Isolator-Supraleiter) erreichen höhere typische Empfindlichkeiten von 10-12 bis 10-14 W/Hz1/2, erfordern dafür aber eine aufwändige Kühlung.

Einfacher zu handhaben sind Detektoren, die bei Raumtemperatur arbei-ten, wie Pyroelektrische Detektoren, Golay Zellen oder Schottky-Dioden, die jedoch geringere typische Empfindlichkeiten um 10-10 W/Hz1/2 errei-chen.

Photoleitende Antennen und elektro-optische Sensoren werden häufig als Detektoren in Spektroskopiesystemen verwendet.

Detektoren bei Raumtemperatur

Kryogene THz-Detektoren

Terahertz-Spektroskopie

Abbildung 28 zeigt beispielhaft den schematischen Aufbau eines Tera-hertz Time Domain Spektrometers (THz-TDS). Ein THz-TDS ist im Prinzip ein System zur kohärenten Erzeugung und Detektion einzelner THz-Pulse, die mit einer Wiederholrate bis nahe 100 MHz gemessen werden. Das Signal wird in der Form eines elektrischen Feldes gemessen. Durch Fouriertransformation können Amplituden- und Phaseninformati-onen in einem weiten Spektralbereich gewonnen werden.


Abb. 28: Prinzipschaubild eines THz-Time Domain Spektometers.

THz-TDS werden mittlerweile von drei Firmen kommerziell angeboten und zwar von:

• Picometrix, Inc., Ann Arbor, USA,

• TeraView Ltd., Cambridge, UK,

• THz Department, Tochigi Nikon Corp., Japan.

Derartige gepulste Systeme bieten den Vorteil, dass breite spektrale In-formation durch einen einzelnen Puls von Pikosekundenlänge gewonnen werden kann. Durch Variation der Verzögerung kann in Reflexion Tie-feninformation über die Probe ermittelt werden. Dauerstrichsysteme ha-ben den Vorteil einer jeweils höheren spektralen THz-Leistung auf der Probe und einer entsprechend höheren Frequenzauflösung, so dass sich Dauerstrichsysteme gut für die Messung von eher schmalbandigen Ei-genschaften in einem Spektrum eignen.

Bildgebende Verfahren mit Terahertz-Strahlung

Das einfachste bildgebende Verfahren mit THz-Strahlung verwendet ein Quelle-Detektor-Paar, mit dem die Probe Punkt für Punkt abgefahren wird, wobei an jedem Messpunkt Amplitude und Phase aufgezeichnet werden. Auf diesem Wege lassen sich Bilder makroskopischer Objekte aufzeichnen.

Bildgebung Punkt-für-Punkt

Zwei elaboriertere Verfahren sind die interferometrische Bildgebung und die Bildgebung mit einem FPA (Focal Plane Array). Der FPA-Ansatz ist vergleichbar mit einer normalen optischen CCD-Kamera, bei der jeder einzelne Detektor einem Bildpunkt (Pixel) entspricht. Aufgrund der Kos-ten von THz-Detektoren und der begrenzten Packungsdichte der Detekto-ren ist es derzeit nicht gangbar, ein dichtes Gitter aus THz-Detektoren aufzubauen. Stattdessen verwendet man z. B. eine Linienkamera, die wie bei einem Flachbett-Scanner die aufzunehmende Fläche abfährt.

Focal Plane Array

Interferometrische Bildgebung benutzt im Unterschied dazu die Intensi-täts- und Phaseninformation zwischen Paaren von Detektoren. Bei einer Anzahl von N Detektoren, gibt es N*(N-1)/2 Paare von Detektoren und dementsprechend N*(N-1)/2 Pixel im rekonstruierten Bild.

Inferometrische Bildgebung

46 Die Terahertz-Technologie und ihre möglichen Anwendungen Der wesentliche Unterschied zwischen diesen beiden Ansätzen besteht darin, dass bei der interferometrischen Methode das gesamte Bild auf einmal aufgenommen wird, während der FPA das Objekt abscannen muss, so dass dieses Aufnahmeverfahren langsamer ist. Andererseits müssen für die interferometrische Methode die Korrelationen zwischen den Detektorpaaren berechnet werden, was zusätzliche Hardware-Anforderungen mit sich bringt. Für die höhere Aufnahmegeschwindig-keit muss also der Preis einer aufwändigeren Bildprozessierung gezahlt werden.

3.3 Anwendungen in der Sicherheitstechnik

Die Terrorismusbekämpfung ist gegenwärtig ein politisches Ziel mit in-ternational hoher Priorität. Insbesondere in den USA wird diesem Prob-lem größte Aufmerksamkeit geschenkt. Im Mittelpunkt des Interesses stehen dabei die Abwehr von Selbstmordattentäter und die Identifikation von Sprengstoffen auf Flughäfen.

Terrorismusbe-kämpfung

Die Terahertz-Technologie gilt in diesem Zusammenhang als ein mögli-ches neues Werkzeug. Vier der eingangs aufgeführten Eigenschaften spielen hier zusammen: 1. Bestimmte Sprengstoffe, aber auch illegale Drogen, weisen ein charakteristisches THz-Spektrum auf. 2. THz-Strahlung kann viele der Materialien durchdringen, mit denen die gefähr-lichen oder verbotenen Stoffe verborgen werden sollen. Metalle können in Reflexion nachgewiesen werden. 3. Die Anwendung von THz-Strahlung birgt kein Gesundheitsrisiko bei der Überprüfung von Perso-nen. 4. THz-Strahlung weist eine höhere räumliche Auflösung im Ver-gleich zu Millimeterwellen auf.

Die folgenden Anwendungsoptionen werden gegenwärtig diskutiert:

• Personenkontrolle an Flughäfen, Bahnhöfen und anderen öffentli-chen Einrichtungen mit dem Ziel, versteckte Waffen, Sprengstoffe oder verbotene Substanzen zu finden. Solche Systeme könnten so konzipiert werden, dass sie von den zu kontrollierenden Personen durchlaufen werden, ohne dass sich Bedienpersonal in unmittelba-rer Nähe befindet.

• Sicherheitskontrolle von Postsendungen, Paketen, Gepäck und Frachtgut an den jeweiligen Hauptumschlagsplätzen, ebenfalls mit dem Ziel, versteckte Waffen, Sprengstoffe oder verbotene Substan-zen zu finden.

• Sicherheitsüberprüfung von Personen, die sich auf eine Kontrollsta-tion an einer Strasse zu bewegen mit dem Ziel, in der Kleidung ver-steckte verdächtige Objekte zu identifizieren, um Personen für eine gründlichere Durchsuchung auszuwählen.


• Passives System zum Abtasten von verdächtigen Personen durch die Polizei oder von beliebigen Personen entlang der Route von Patroullienfahrten mit dem Ziel, versteckte Waffen, Sprengstoffe oder improvisierte Sprengsätze aufzuspüren.

• Nachweis biologischer und chemischer (Kampf-)Stoffe in der Luft aus der Ferne.

Bei all diesen Anwendungsoptionen steht die THz-Technologie in Kon-kurrenz zu anderen Technologien. Im Folgenden werden je nach Anwen-dung die wichtigsten Alternativtechnologien sowie deren Vor- und Nachteile aufgeführt.

Gegenwärtig werden für die Personenkontrolle Metalldetektoren mit Be-dienpersonal eingesetzt. Alternativtechnologien sind neben der THz-Technologie die Röntgenrückstreutechnik und die Spurenanalytik. Die Hauptfaktoren für den Markterfolg sind hohe Sicherheit für die kontrol-lierten Personen und das Bedienpersonal, eine gute und bequeme Hand-habung sowie die Wahrung der Privatsphäre der kontrollierten Personen.

Personenkontrolle

Röntgengeräte sind der heutige Stand der Technik für den Bereich der Gepäckkontrolle an Flughäfen und Bahnhöfen. Neue Ansätze, mit denen etwaige THz-Systeme in Konkurrenz treten würden, sind dreidimensio-nale Röntgenverfahren, Spurensensorik und Gamma-Kameras. Ein Prob-lem für THz-Systeme besteht in der vollständigen Absorption von THz-Strahlung durch Metalle, weshalb eine Anwendung nur in Kombination mit einem Röntgengerät sinnvoll erscheint. Entscheidende Einflussfakto-ren für die Gepäckkontrolle sind ein ausreichender Durchsatz, eine ge-ringe Fehlalarmquote sowie die Nachweisfähigkeit von Sprengstoffen und Kampfstoffen aber auch von Nuklearmaterial.

Gepäckkontrolle

Neben Röngtengeräten kommen auch Gamma-Detektoren heute für die Kontrolle von Frachtgut an Flughäfen, Seehäfen und Güterbahnhöfen zum Einsatz. Wie bei der Gepäckkontrolle, stellen dreidimensionale Röntgenverfahren einen neuen Ansatz dar. Auch bestehen hier die glei-chen Erfolgsfaktoren wie bei der Gepäckkontrolle, allerdings kommt die Anforderung hinzu, dass die Technologie auf möglichst viele verschiede-ne Güter bzw. Transportbehälter anwendbar ist. Vor dem Hintergrund der großen Bedeutung von metallischen Containern erscheint es fragwürdig, ob THz-basierte Systeme neue Ansätze für diesen Bereich bereitstellen können.

Kontrolle von Frachtgut

Viele Anwendungen könnten auch mit Röntgenstrahlung realisiert wer-den, bei denen aber ein Akzeptanzproblem besteht, obwohl sämtliche Strahlengrenzwerte eingehalten werden können.

Röntgenstrahlung mit Akzeptanz-problem

Die THz-Technologie konkurriert mit Scannern auf Basis von Millime-ter-Wellen. Diese werden seit mehr als 10 Jahren für Sicherheitsanwen-dungen entwickelt (Farran/Smiths Heimann, Qinetiq, usw.). Erste Syste-me sind in der Erprobung. THz-Scanner für Sicherheitsanwendungen

Scanner auf Basis von Millimeter-Wellen

48 Die Terahertz-Technologie und ihre möglichen Anwendungen werden gegenwärtig von mehreren Unternehmen entwickelt. (ThruVisi-on, Teraview, Picometrix).

Für Anwendungen in der Sicherheitstechnik könnten selbst Detektoren mit Kühlung durch flüssiges Helium akzeptabel sein, da He-Kühler heute bereits relativ wartungsarm und deshalb von den Betriebskosten her ak-zeptabel sind.

Beim Vergleich der Konkurrenztechnologien kommt es hauptsächlich auf folgende Kriterien an: Empfindlichkeit, Geschwindigkeit, Auflösung, Kosten, Akzeptanz.

Aus technischer Sicht können die folgenden grundsätzlichen Ansätze und Architekturen unterschieden werden.

Aktiv vs. Passiv

Personen und Objekte senden bei Raumtemperatur thermische THz-Strahlung aus. Unter freiem Himmel kommt die Reflexion von THz-Strahlung aus dem Hintergrund hinzu. Da nicht-polare und nicht-metallische Materialien (Kleidung, Plastik, Glas, Papier) bei Frequenzen bis zu etwa 1 THz eine sehr niedrige Absorption aufweisen, ist es mög-lich, versteckte Objekte durch solche Materialien hindurch passiv abzu-bilden. Bei diesen passiven Verfahren wird also nur die natürlich emit-tierte THz-Strahlung detektiert. Bei aktiven Systemen kommt dagegen eine künstliche THz-Quelle zur „THz-Beleuchtung“ zum Einsatz.

Unterhalb der THz-Region sind entsprechende passive Systeme z.T. schon kommerziell verfügbar, in Erprobung bzw. in Entwicklung und zwar bei den Firmen: QinetiQ („passive millimeter wave camera“, De-monstratoren bei 35 GHz und 94 GHz), Trex Enterprises (bei 94 GHz) und Thruvision (keine Angabe zur genutzten Frequenz, Ankündigung des Markteintritts für Anfang 2006). Bei der Wahl zwischen Mikrowellen und THz-Strahlung muss eine Balance gefunden werden zwischen der Reichweite (wächst mit der Wellenlänge) und der Auflösung (sinkt mit der Wellenlänge).

Balance zwischen Reichweite und Auflösung nötig

Nah vs. Fern / Transmission vs. Reflexion

Je geringer die Entfernung zwischen dem untersuchten Objekt und Quel-le/Detektor, desto weniger fallen Absorption und Streuung in der Atmo-sphäre ins Gewicht. Eine Anwendungsoption mit solch geringer Entfer-nung ist beispielsweise die Überprüfung von Gepäck und Postsendungen. In diesem Fall sind sowohl Aufbauten in Transmission (Quelle und De-tektor gegenüberliegend, Objekt dazwischen wird durchleuchtet) als auch in Reflexion (Quelle und Detektor auf der gleichen Seite des Objektes) möglich.

Bei Anwendungen, in denen sich das zu untersuchende Objekt in einiger Entfernung befindet - wie etwa beim Nachweis biologischer und chemi-scher Agentien in der Luft, spielen dagegen Absorption und Streuung in

Absorption und Streuung in der

Atmosphäre


der Atmosphäre eine große Rolle und begrenzen die maximal erreichbare Entfernung. Außerdem sind Aufbauten nur in Reflexion möglich, d.h. Quelle und Detektor befinden sich an einem Ort beide auf derselben Seite des Objektes. Bei solchen Anwendungen ist die Verwendung breitbandi-ger Pulse problematisch, da diese aufgrund ihrer spektralen Breite nicht vollständig in einem der Transmissionsfenster (vgl. Abb. 29) liegen, so dass es zu verstärkter Absorption und einer Verlängerung des Pulses kommt.

Spektroskopie vs. Bildgebung

In der Sicherheitstechnik sind bildgebende Verfahren wichtig; punktuelle oder gemittelte spektroskopische Information dagegen häufig nicht aus-reichend. Für Sicherheitsanwendungen werden üblicherweise Bilderfas-sungszeiten wie bei Echtzeit-Videoaufnahmen gefordert, entsprechend typischerweise 30 Bilder pro Sekunde.

Echtzeit-Videoaufnahmen gefordert

Die vorgestellten Anwendungsoptionen für THz-Strahlung in der Sicher-heitstechnik befinden sich im Entwicklungs- bzw. Erprobungsstadium und müssen sowohl ihre prinzipielle Umsetzbarkeit als auch eine etwaige Überlegenheit gegenüber alternativen Verfahren erst noch nachweisen. Kritische Aspekte sind beispielsweise:

• Aufnahmezeiten in Videogeschwindigkeit.

• Absorption in der Atmosphäre bei größeren Distanzen.

• Abschirmung durch Schweiß, Regen, feuchte Kleidung.

• Maskierung gesuchter Substanzen durch Mischung mit unverdäch-tigen Substanzen zur Abschwächung der spektroskopischen Signa-tur.

• Fehlende oder schwache spektroskopische Signatur bei einzelnen Substanzen, die gerade in improvisierten Sprengsätzen verwendet werden - wie etwa Ammoniumnitrat.

• Lückenhafte Referenzdaten in Reflexion.

• Einfluss der Rückstreuung von Kleidung bei Messungen in Refle-xion.

• Nachweisgrenzen für Substanzen sind noch unbekannt.

• Für aktive Verfahren sind kostengünstigere, kompaktere, leistungs-fähigere Strahlquellen erforderlich.

• Große Focal Plane Arrays sind erforderlich (insbesondere für passi-ve Verfahren).

Eine zielgerichtete Entwicklung muss über reine Technologieentwick-lung hinausgehen und das gesamte Sicherheitsumfeld und den Bedarf der Endnutzer im Blick haben.

50 Die Terahertz-Technologie und ihre möglichen Anwendungen 3.4 Anwendungen in der medizinischen Bildgebung

In der medizinischen Bildgebung lassen sich zwei wesentliche Treiber erkennen. 1. Die Tendenz zu sicheren Verfahren, in denen keine ionisie-rende Strahlung zum Einsatz kommt. 2. Der Bedarf an Technologien, die die rein anatomischen Informationen der Bildgebung um funktionale Informationen über das untersuchte Gewebe erweitern können. Auf die-sen beiden Treibern beruht letztlich die Überlegung, das Potenzial von THz-Strahlung für die medizinische Bildgebung zu prüfen; denn erstens ist THz-Strahlung nicht-ionisierend, und zweitens erscheint es aufgrund der Rotations- und Schwingungspektren von Molekülen aller Art im THz-Bereich zumindest prinzipiell denkbar, dass sich auch Gewebefunk-tionen darstellen lassen könnten. Andererseits ist aufgrund der Feuchtig-keitsempfindlichkeit von THz-Strahlung eine medizinische Bildgebung im Volumen praktisch ausgeschlossen. Dementsprechend werden über-wiegend Untersuchungen der Haut diskutiert:

• Bildgebung der Haut

Medizinische Bild-gebung im Volumen

ausgeschlossen

• Überprüfung der Wundheilung durch den Verband hindurch

• Kosmetik: Feuchtigkeitsmessung der Haut (Optische und mechani-sche Verfahren sind derzeit noch wesentlich kostengünstiger.)

• Nachweis von Tumoren

Die nachfolgende Tabelle 3 stellt eine Reihe von Verfahren zur medizini-schen Bildgebung gegenüber, wobei nochmals darauf hingewiesen sei, dass die volumentauglichen Verfahren und die auf Oberflächen be-schränkten Verfahren (vgl. Zeile „Depth“) sehr unterschiedliche Anwen-dungsbereiche haben.

Plan

ar X

-ray

x-ra

y CT

Gam

ma

cam

era

Imag

e

Gam

ma

cam

era

SEPC

T

PET

Ultr

asou

nd B

-sca

n +

D

oppl

er Im

age

MRI

Imag

e

MRI

spec

trum

Hyp

erpo

laris

ed M

RI

Ther

mog

ram

OCT

Tera

hertz

-Pul

sed

Imag

ing

Tera

hertz

-Sp

ectro

scop

y

I

onising radiation ? Y Y Y Y Y N N N N N N N N

natomy or functional A A F F F A+F A+F F F F A(+F) A+F F

ata aquisit ion time <1 s few s 5 min 20 min 20 min 1 s 20 min 20 min 1 s <<1 s 10 s 1 min <1 sata reconstruction + ocess t ime

2 min 2 min <1 s 10 min 10 min <1 s 2 min <1 s <1 s <<1 s <1 s <1 s <10 s

Patient handling time 5 min 30 min 10 min 30 min 30 min 10 min 1 hr >1 hr 10 min 10 min 10 min 10 min 10 min

patial resolution <1 mm >1 mm >5 mm >5 mm >5 mm > 30μm >1 mm >1 mm >1 mm >1 mm > 15 μm > 20 μm > 20 μm

Depth > body > body > body > body > body > body > body > body > body 3 mm 3 mm 3 mm 3 mmensitivity 1 poor to 5 great)

2 4 2 3 4 3 4 2 4 4 3 4 5

ailability of uipment in NHS

hospitals 1 poor to 5 good)

5 2 3 2 1 5 1 1 1 2 2 1 1

pital cost of equipment

£ 70k £ 500k £ 300k £ 200k £ 0.5-2M £ 10k £ 0.8k £ 1.5M £ 0.9 M £ 50 k <£ 50 k £ 250 k £ 250 k

A

DDpr

S

S(Aveq

(Ca

Tab. 3: Vergleich verschiedener Modalitäten der medizinischen Bildgebung.5

5 Douglas J. Paul: “Picturing people: non-intrusive imaging” (2003); www.foresight.gov.uk.


Die Meinungen über das Marktpotenzial der medizinischen Bildgebung auf Basis von THz-Strahlung gehen weit auseinander. Auf der einen Sei-te finden sich Äußerungen, wonach THz-basierte Verfahren innerhalb der nächsten zehn Jahre auf einen Marktanteil von 10% kommen können, bei einem jährlichen Weltmarkt von 14,1 Mrd. US-$. Dem steht die Aussage gegenüber, dass „insgesamt [bezweifelt werden darf], ob es im Bereich der medizinischen Diagnostik ein signifikantes Marktpotenzial gibt.“

Marktpotenzial der medizinischen Bildgebung kon-trovers

Besonderes Augenmerk gilt dem möglichen Nachweis von Tumoren. Bislang erfolgt bei jedem Verdachtsfall einer Krebserkrankung zur Diag-nosesicherung eine Biopsie (Fallzahlen der betreffenden Krebserkran-kungen > 100.000/a, Kosten für Krankenhausaufenthalt 500 € pro Tag). Vor diesem Hintergrund besteht die Zukunftsvision einer „optischen Bi-opsie“. Darunter wird die berührungslose, histopathologische Charakteri-sierung von Gewebe in situ verstanden. Die Vorteile der optischen Biop-sie bestehen darin, dass es keine Gefahr der Tumorstreuung wie bei der Probenentnahme gibt, dass die optische Biopsie kein Trauma bewirkt. Darüberhinaus ergäben sich Kostenvorteile durch die Reduzierung der Dauer des Krankenhausaufenthaltes sowie durch die deutlich reduzierte Wartezeit auf Laborergebnisse.

Bildgebung mit THz-Strahlung gilt als ein Kandidat für die Realisierung einer optischen Biopsie. Allerdings können aufgrund der geringen Ein-dringtiefe der Terahertzstrahlung nur bestimmte Gewebetypen (u. a. Haut, Schleimhaut, Darm) untersucht werden.

THz-Strahlung als Kandidat für opti-sche Biopsie

Mögliche Konkurrenztechnologien für eine optische Biospie sind: Opti-sche Kohärenztomographie (OCT), Hochfrequenz-Sonographie, Fluores-zenz-Spektroskopie, Konfokale Laser-Scanning Mikroskopie, Raman-Spektroskopie.

Bei der Anwendung von THz-Strahlung für die medizinische Bildgebung gibt es noch viele offene Grundlagenfragen:

• Wie breitet sich THz-Strahlung in biologischem Gewebe aus?

• Wodurch kommt der Kontrast überhaupt zustande? Gibt es gewebe-spezifische Signale oder sieht man nur Unterschiede im Wasserge-halt der Gewebe?

• Aufbau von entsprechenden Datenbanken spektroskopischer Ge-webesignale (Absorptionskoeffizienten und Brechungsindices je nach Gewebetyp) ist noch erforderlich.

• Ermittlung der Sensitivität und Spezifität in der Tumordetektion. Welche Zuverlässigkeit kann erreicht werden? Wie hoch ist die Fehlerquote?

• Ist THz-Strahlung tatsächlich völlig ungefährlich für den menschli-chen Körper? Können Proteine durch THz-Strahlung geschädigt werden?

52 Die Terahertz-Technologie und ihre möglichen Anwendungen 3.5 Anwendungen in der Biosensorik

Aus der Empfindlichkeit von THz-Spektroskopie auf Schwingungen und Rotationen von Molekülen sowie auf inter- und intra-molekulare Wech-selwirkungen erwächst die Möglichkeit eines eigenen Anwendungsfeldes im Bereich der Sensorik von Biomolekülen.

Die Untersuchung von Biomolekülen und deren Bindungseigenschaften ist grundlegend für das Verständnis ihrer Funktion und ist von großem Anwendungsinteresse in der Medizin, der Pharmazie und der Biotechno-logie. Üblicherweise sind für diese Untersuchungen Markermoleküle erforderlich, die an die zu untersuchenden Biomoleküle angeheftet wer-den. Dies verursacht einerseits zusätzliche Kosten (u. a. Lizenzgebüh-ren), zeitlichen Aufwand für die Probenpräparation und kann andererseits die Qualität der Analyse beeinträchtigen.

Mit der THz-Spektroskopie lassen sich Biomoleküle wie DNA und Pro-teine direkt und markerfrei messen. Auf dieser Basis hat die Entwicklung integrierter THz-Biochips begonnen. Die Nutzung von THz für marker-freie Detektion ist prinzipiell nachgewiesen. Der Nachweis von Einzelba-senmutationen mittels Terahertz wurde demonstriert. Terahertz-Verfahren zeichnen sich darüberhinaus dadurch aus, dass sie unabhängig von Variationen der „buffer“-Lösung sind.

Markerfreie Messung von Bio-

molekülen

Elektrochemische, massensensitive, elektrostatische, dielektrische, Ober-flächenplasmonenresonanz-, akustische und nanomechanische Verfahren für markerfreie Detektion sind Konkurrenzverfahren zu THz. Die Allein-stellungsmerkmale der THz-Technologie im Vergleich zu anderen An-sätzen für eine markerfreie Detektion sind nicht deutlich sichtbar.

Konkurrenzver-fahren zu THz

Vor diesem Hintergrund wird Forschungsbedarf gesehen im Hinblick auf:

• Eine Verbesserung der Sensitivität um zwei Größenordnungen (Lö-sungsansatz z. B. über höhere THz-Frequenzen) und

• die Möglichkeit der Arbeit in wässriger Umgebung, die wichtig für die Proteinanalytik ist.

3.6 Anwendungen in der industriellen Inspektion

In der Literatur wird eine Vielzahl von Anwendungsoptionen der THz-Strahlung im Bereich der industriellen Inspektion aufgeführt. Dies um-fasst sowohl die Qualitätsprüfung fertiger Produkte als auch die Überwa-chung von Prozessen. Gemessen werden Kontraste durch Streuung oder Absorption von THz-Strahlung. Möglich sind Analysen von Grenz-schichten, Dichteänderungen, Konzentrationsänderungen, Fremdkörpern, Hohlräumen oder auch von Gasen. Messungen sind auch am Inhalt nicht

Qualitätsprüfung fertiger Produkte und Überwachung

von Prozessen


transparenter Behälter möglich. Die Anwendungen lassen sich dabei in spektroskopische und bildgebende Verfahren unterteilen.

Verschiedene spektroskopische Messungen an technologisch relevanten Materialien wurden u.a. für die folgenden Materialklassen im Labor de-monstriert:

• Halbleiter: Messungen der Ladungsträgerdichte und -mobilität

• Ferroelektrika

• Manganite mit kolossalem Magnetowiderstand

• Dieelektrika

• Supraleiter

• Magnete

• Kristalline Pharmazeutika - Unterscheidung von Kristallstrukturen bei gleicher chemischer Zusammensetzung (Polymorphismus)

• Keramik und keramische Schichten.

THz-TDS kann z. B. für die Bestimmung der komplexen Dielektrizi-tätskonstanten und des komplexen Brechungsindexes eingesetzt werden.

Auch in der Spektroskopie von Gasen werden Anwendungsoptionen ge-sehen. Breitbandige THz-Spektroskopie kann z. B. die Zusammenset-zung eines Gases mit nur einem Gerät vollständig ermitteln. Diskutiert werden:

• Überwachung von Verbrennungsprozessen, Nachweis spezifischer Komponenten im Verbrennungsprozess

Spektroskopie von Gasen

• Plasmadiagnostik

• Nachweis flüchtiger Komponenten beim Ausdampfen, Trocken, Aushärten.

Ein Vorteil der Terahertz-Technologie wird in diesem Zusammenhang in der höheren Wellenlänge und der damit verbundenen geringeren Streu-ung im Vergleich zu optischen Wellenlängen gesehen, die den Einsatz bestimmter optischer Verfahren im industriellen Umfeld verhindern.

Die Fähigkeit zur Durchdringung von Papier und Kunststoffen könnte auch für spektroskopische Anwendungen neue Möglichkeiten eröffnen. Vorgeschlagen werden:

• Lebensmitteltechnik - Prüfung durch die Verpackung z.B. der Fri-sche von Lebensmitteln anhand einer Messung des Wassergehalts.

• Pharmazie: Überprüfung der chemischen Zusammensetzung von Medikamenten durch die Verpackung.

Auch für die Anwendung der THz-basierten Bildgebung wird eine Reihe von Anwendungsoptionen genannt:

54 Die Terahertz-Technologie und ihre möglichen Anwendungen • Nachweis von Hohlräumen in Kunststoffverkleidungen

• Prüfung der Größenverteilung von Poren in Kunststoffschäumen

• Untersuchung von Kunststoffkompositen zum Nachweis von De-fekten

• Überprüfung der Gleichverteilung von Additiven in Kunststoff-kompositen

• Nachweis von Defekten auf Stahloberflächen (ggf. durch eine La-ckierung)

• Prüfung der Verdrahtung gepackter Silizium-Chips

• Ortsaufgelöste Feuchtigkeitsmessung von Pulvern im Verlauf von Trocknungsprozessen

• Bildgebung von Verbrennungsprozessen

• Bildgebende Plasmadiagnostik

• Lebensmitteltechnik - Nachweis von Fremdkörpern in Pulvern.

Im Folgenden sind beispielhaft Stärken und Schwächen der THz-Technologie im Bezug zu einzelnen Anwendungen aufgeführt.

Stärken im Zu-sammenhang mit

Pulvern

Besondere Stärken der THz-Technologie werden im Zusammenhang mit Pulvern gesehen, deren Korngrößen oft in der gleichen Größenordnung liegen wie die Wellenlänge der THz-Strahlung. Dies betrifft die Eigen-schaften der Pulver selbst sowie Prozesse in Pulvern - wie die Ausbrei-tung und Verteilung von Feuchtigkeit.

Auch in Bezug auf Kunststoffe werden Vorzüge von THz-Strahlung her-vorgehoben, die es möglich macht, optisch undurchsichtige Kunststoffe im Volumen zu untersuchen, während alternative Verfahren keinen aus-reichenden Kontrast geben.

Ein Hemmnis für Anwendung in der Lebensmittelindustrie ist der Was-sergehalt in Lebensmitteln. Selbst bei nur wenigen Prozent Wassergehalt ist eine Produktkontrolle i. A. nicht mehr möglich. In Metallfolien oder metallisierten Kunststofffolien verpackte Lebensmittel sind ebenfalls nicht analysierbar.

Hemmnisse in der Lebensmittelin-

dustrie

Kunststoffe

THz-Verfahren haben gegenüber einer Materialprüfung mit Ultraschall den Vorteil, dass sie berührungslos funktionieren. Etwaige weitere Vor-teile gegenüber Ultraschall sind nicht eindeutig und wurden auf dem Workshop kontrovers diskutiert.

Markt - Beispiel Klebetechnik:

• Es gibt zur Zeit kein Verfahren, das sich für eine 100%-Kontrolle im industriellen Serieneinsatz eignet. Dies ist für sicherheitsrele-vante Anwendungen allerdings erforderlich (erprobt werden: Ultra-schall, Neutronenradiografie, Impulsecho-Verfahren, Lockin-Thermografie,…).


• Weltweiter Umsatz 2003 an Klebemitteln: 27,5 Mrd. €, europäi-scher Markt: 6 Mrd. €.

9 % der deutschen Klebstoffproduktion gehen in den Automobilbau (z.B. 7er BMW mit ca. 150 m Klebstoffauftrag).

Der Einsatz von Terahertz-Strahlung ist generell dann sinnvoll, wenn die Terahertz-Technologie

• die einzige Technologie ist, die das Problem löst

• deutliche Vorteile gegenüber anderen Verfahren aufweist

• ggf. existierende Verfahren ergänzt und zusätzliche Informationen liefert.

Für welche Anwendungen diese Voraussetzungen erfüllt sind, ist heute in vielen Fällen noch nicht eindeutig zu beantworten.

Viele der hier diskutierten Anwendungen wurden demonstriert. THz-Spektrometrie für F&E etabliert sich. Hier ist der Markt schon gut be-setzt.

Derzeit sind kommerzielle Spektrometer der folgenden Firmen erhältlich: Picometrix (USA), Teraview (UK) - im Vertrieb durch Bruker (D), To-chigi-Nikon (J) (Halbleiterinspektion), Aispec (J), GigaOptics (D). Alle diese Spektrometer verwenden fs-Laserquellen, so dass ein Preis in der Größenordnung von 300 T€ abgeschätzt werden kann. Für viele Anwen-dungen könnten aber auch kostengünstigere Dauerstrich-Systeme geeig-net sein.

Kommerzielle Spektrometer er-hältlich

Bei Detektoren ist die Technologie prinzipiell bekannt. Systeme sind derzeit aber noch nicht am Markt erhältlich.

Einzelne industrielle Anwendungen können kurzfristig realisiert werden. Forschungsbedarf wird aber noch gesehen im Hinblick auf:

• Kompakte, günstige Quellen.

• Empfindlichere Detektoren (für ein- und zweidimensionale Erfas-sung).

• Schnellere Detektion, so dass zweidimensionale THz-Bilder mit Video-Rate aufgenommen werden können.

• Kombination mit anderen Verfahren (THz als „zusätzlicher Blick ins Innere“).

• Systemintegration (Industrielle Anforderungen wie Zuverlässigkeit, Genauigkeit und Geschwindigkeit der Messverfahren sind zu be-rücksichtigen.)

• Eigenschaften vieler Materialien im THz-Bereich sind noch unbe-kannt.

56 Die Terahertz-Technologie und ihre möglichen Anwendungen 3.7 Anwendungen in der Kommunikationstechnik

Trotz der hohen Absorption von THz-Strahlung in der Atmosphäre (vgl. Abb. 29) und der daraus resultierenden begrenzten Reichweite wird die Anwendung von THz-Wellen zur drahtlosen Datenübertragung erwogen.

Der wesentliche Vorteil liegt in der hohen Bandbreite, die bei Verwen-dung von THz-Strahlung mit einigen hundert GHz (um 300 GHz) eine Größenordnung von einigen 10 Gigabit pro Sekunde erreichen kann. Derartige Datenraten könnten in der „Indoor-Kommunikation“ in rund 10 Jahren gefordert sein. Die Anwendung von THz-Frequenzen für die Kommunikation erfordert einen „Sichtkontakt“ („Line Of Sight“) zwi-schen Sender und Empfänger, wobei Reflexionen ausgenutzt werden können. THz könnte sich deshalb in erster Linie für die „InDoor Kom-munikation“, die „Letzte Meile“ und als Upload für mobile Anwendun-gen an „Hot Spots“ eignen.

Hohe Bandbreite

Die amerikanischen Firmen Motorola und Phiar haben kürzlich eine ge-meinsame Entwicklungsvereinbarung für dieses Anwendungsfeld der THz-Technologie bekannt gemacht.

Abb. 29: Lage der Transmissionsfenster/Wasserfenster bei der Propagation elektro-magnetischer Strahlung in der Atmosphäre: (20°C, H2O-Gehalt 7,5 gm-3, auf Meeresni-veau).6

Anwendungsnischen könnten aber auch dort entstehen, wo nur eine kurze Strecke zwischen einer festen und einer mobile Station mit einer hohen Datenrate überbrückt werden muss, z.B. in der Robotik oder bei der Übertragung von Daten in einen fahrenden Zug. Daneben sind weitere 6 Douglas J. Paul: “Picturing people: non-intrusive imaging” (2003); www.foresight.gov.uk.


Anwendungsnischen denkbar, bei denen eine endliche Reichweite er-wünscht ist, etwa im militärischen Umfeld, wenn durch die begrenzte Reichweite Abhörversuche stark erschwert werden.

In welchem Umfang IR eine Konkurrenztechnologie ist und welche Da-tenrate sich mit IR erreichen lässt, wird kontrovers diskutiert.

Bisher handelt es sich um ein Konzept, dessen Realisierung für 2020 geplant ist.

Elektronische Quellen hätten ausreichende Leistung, auf Photomischung basierende Quellen voraussichtlich nicht.

Realisierung für 2020 geplant

Es besteht ein beträchtlicher Forschungsbedarf:

• bei allen Bauelementen wie Emitter, Empfänger, Verstärker, Mo-dulator usw. sowie bei der Wellenausbreitung in der indoor-Umgebung.

• Es werden hochdirektive Antennen (“High gain antennas”) benö-tigt. (Eine Lösung sind möglicherweise Antennenarrays.)

• Es wird eine kostengünstige Technologie benötigt.

3.8 Anwendungen in der Nahfeldüberwachung

Die Nahfeldüberwachung mit THz-Strahlung ist insbesondere für die Automobilindustrie interessant. Wegen der mit der Frequenz zunehmen-den Dämpfung der Strahlung wäre die THz-Nahfeldüberwachung im Außenraum für die PreCrash-Sensorik und den Fußgängerschutz auf den unteren Frequenzbereich (< 0,5 THz) beschränkt. Die THz-Technologie ist im Automobilbereich interessant, da die - im Vergleich zu den heute eingesetzten Technologien - höhere Frequenz eine weitere Miniaturisie-rung von Bauteilen ermöglichen könnte. Weitere Anwendungsoptionen im Automobilsektor werden in der:

Unterer Frequenz-bereich (<0,5 THz)

• Nahfeldüberwachung des Innenraums (Sitzplatzbelegung, Vitalsen-sorik); der

• InVehicle Kommunikation und in

• Intelligenten Bedienelementen gesehen.

Konkurrenztechnologien für diese Gruppe von Anwendungen sind: „Ult-ra wide band“ (UWB), Ultraschall, Millimeterwellen, Infrarot, Optik (Entfernung, Winkel, Geschwindigkeit, Imaging).

Ein zusätzliches Potenzial der THz-Technik besteht in der Identifikation chemischer Verbindungen (chemischer Sensor im Auto) und könnte ein mögliches Alleinstellungsmerkmal darstellen.

Das potenzielle Marktvolumen ist abhängig von Ausstattungsquote („car parc penetration rate“; die u. a. auch von regulativen Aspekten abhängt)

58 Die Terahertz-Technologie und ihre möglichen Anwendungen sowie der Anzahl der Sensoren pro Fahrzeug. Nach Abschätzungen von Automobilherstellern könnte die Zahl der Sensoren mehrere Millionen übersteigen. Die Zeitperspektive für die automobile THz-Sensorik liegt bei ca. 15 Jahren (übernächste Fahrzeuggeneration). Die Kosten sind derzeit aber noch viel zu hoch.

Der Einsatz von THz-Strahlung zur Nahfeldüberwachung wird auch im militärischen Bereich diskutiert. In einem Konvoi militärischer Fahrzeu-ge kann es vorkommen, dass das führende Fahrzeug soviel Sand oder Staub aufwirbelt, dass die Sicht für die nachfolgenden Fahrzeuge beein-trächtigt wird. Sicherheitsabstände können in der Folge nicht mehr zuver-lässig überprüft und eingehalten werden, so dass die Gefahr von Kollisi-onen steigt. Die DARPA sieht die möglichen Vorteile eines auf THz-Strahlung basierenden Systems zur Kollisionsvermeidung insbesondere in den kleineren Antennen im Vergleich zu mikrowellen-basierten Sys-temen sowie in einem besseren Signal-zu-Untergrund-Verhältnis. Ver-wandte Anwendungen in der Luftfahrt werden gegenwärtig geprüft. Im Zusammenhang mit dieser Anwendungsoption kommt ebenfalls zum Tragen, dass sich beim Übergang von Mikrowellen zu THz-Strahlung die mögliche Reichweite und Auflösung gegenläufig mit der Frequenz ver-ändern (Reichweite sinkt, Auflösung steigt mit steigender Frequenz).

Übernächste Fahr-zeuggeneration. Kosten noch viel

zu hoch.

Einsatz auch im militärischen Be-

reich

Forschungsbedarf besteht hinsichtlich

• der Größe der Sensoren: es wird ein geringeres Bauvolumen und eine geringe Masse zu geringen Kosten benötigt;

• der (konformen) Integrierbarkeit (z. B. unter dem Stoßfänger) und

• dem Verhalten bei Schnee und Näss

4 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK

Die Terahertz-Technologie zeigt ein vielfältiges Anwendungspotenzial. In vielen Fällen sind allerdings noch sehr grundlegende Fragen offen, so dass der Zeitraum bis zu marktreifen Produkten oftmals noch nicht ange-geben werden kann. Generell gilt die Forderung nach kompakten, leis-tungsstarken und vor allem preisgünstigen Quellen sowie kompakten und preisgünstigen Detektoren.

Anwendungen im Bereich der Sicherheitstechnik scheinen sehr realis-tisch zu sein, insbesondere weil dieser Bereich weniger kostensensitiv im Vergleich zu anderen Anwendungen ist. Die Sicherheitstechnik könnte zu einem „Türöffner“ für dieTHz-Technologie werden. Die technologi-sche Basis in Deutschland und die internationale Wettbewerbsfähigkeit sind hervorragend (z. B. EU-Projekt TeraSec, Firmenaktivitäten). In an-deren Ländern gibt es z. T. erhebliche Förderungsmöglichkeiten (z. B. USA: DARPA, Homeland Security, etc.).

Sicherheitstechnik

Erste Anwendungsfelder in der Produktkontrolle (Raumfahrt) gibt es bereits. Die Qualitätskontrolle in der Pharmaindustrie wird als aussichts-reich angesehen. Der breitere Einsatz wird kommen, wenn die THz-Technologie für bestimmte Einsatzfelder in der industriellen Produktion Alleinstellungsmerkmale nachweisen kann. Systemanbieter und/oder -entwickler können "traditionelle" optische Messgeräteentwickler oder auch Laserhersteller sein.

Produktkontrolle

THz wird nur dann für die medizinische Bildgebung genutzt werden, wenn Grundlagenuntersuchungen zeigen, dass man mit THz-Strahlung eindeutig und Patientenschonend Krankheitsbilder feststellen kann. Ins-besondere wenn sich THz-Strahlung als tumorspezifisch erweisen würde, wäre dies von großem Anwendungsinteresse, auch wenn sich nur die Haut und Schleimhäute mit THz-Strahlung untersuchen lassen. Ob THz-Strahlung tatsächlich tumorspezifisch ist, gilt als noch völlig offen. Von der Entwicklung endoskopischer Verfahren könnten die Anwendungsfel-der Sicherheit, medizinische Bildgebung und industrielle Inspektion pro-fitieren.

Medizinische Bild-gebung

Für Anwendungen in der Biosensorik sind die Alleinstellungsmerkmale der THz-Technologie im Vergleich zu anderen Ansätzen für eine marker-freie Detektion noch nicht deutlich sichtbar. Es besteht jedoch derzeit noch ein Entwicklungsvorsprung in Deutschland. Die industrielle Basis für die Umsetzung der Forschungsergebnisse in die Anwendung ist in Deutschland vorhanden (chem. Industrie, Biotechnologieunternehmen).

Biosensorik

Die Anwendungen in der Kommunikation und in der Nahfeldüberwa-chung stellen die höchsten Kostenanforderungen. Der Zeithorizont für diese Anwendungen beträgt ca. 15 Jahre. Der Stand der Forschung zu Anwendungen in der Kommunikation in Deutschland ist als gut zu be-zeichnen. Zwar wird ein möglicher Systemanbieter im Millimeterwellen

Kommunikation


Markt über 100GHz genannt, dennoch wird das industrielle Umfeld als problematisch angesehen. Im Hinblick auf die Nahfeldüberwachung in der Automobilindustrie ist zu berücksichtigen, dass es eine straffe Ent-wicklungsplanung und Roadmap für die automobile Produktpalette und hierin eingeplante Applikationen gibt. Es sind daher nur gewisse Zeit-fenster für die Einbringung von Forschungsergebnissen möglich. Eigene Forschung an neuen Technologien, die nur mittel- bis langfristig (länger 5 Jahre) zum Einsatz kommen können, findet nicht statt.

Nahfeldüberwa-chung

Massenproduktion Die Anwendungsperspektiven in der medizinischen Bildgebung, der Bio-sensorik und in der Kommunikationstechnik werden kontrovers disku-tiert. Ansätze für Synergien zwischen den verschiedenen Anwendungsbe-reichen (z. B. Sicherheitstechnik und industrielle Inspektion) haben sich angedeutet, sind aber noch nicht klar herausgearbeitet.

Sollten THz-Quellen und -Detektoren billig in Massenproduktion herge-stellt werden können, wären neben den hier skizzierten Einsatzgebieten zahlreiche andere möglich (z. B. in der Gasmesstechnik).

Die deutsche Position in der Forschung zu THz-Strahlung wird von den Experten als gut angesehen. Diese Einschätzung wird auch durch die Ergebnisse der Literatur- und Patentanalyse gestützt. Einige der For-schungsfragen bedürfen einer interdisziplinären Zusammenarbeit. Ob Deutschland bei der industriellen Umsetzung führend sein wird, ist für viele Anwendungsbereiche noch offen. Weltweit wird intensiv an der Thematik geforscht (vgl. Übersicht zu Föderaktivitäten).

Deutsche Position gut

Um das Anwendungspotenzial der Terahertz-Technologie vollständig abschätzen zu können, sollten insbesondere folgende Fragestellungen bearbeitet werden:

• Demonstratoren für kompakte, preisgünstige und leistungsstarke Quellen.

• Sensitive Terahertz-Kamera mit ausreichender Bildauflösung und möglichst einer Aufnahmegeschwindigkeit mit Video-Rate.

• Definition einer Roadmap bis zum industriellen Produkt für ausge-wählte Anwendungen.

• Schaffung von Datenbasen, um die Aussagekraft von Terahertz-Messungen für bestimmte Anwendungen festzustellen (z. B. Nach-weis von Molekülen über „spektroskopischen Fingerabdruck“, Ein-deutigkeit des Nachweises von Tumoren, Materialeigenschaften im THz-Bereich).

Für einige potenzielle Anwendungen ist noch nicht klar, ob die Tera-hertz-Technologie Alleinstellungsmerkmale gegenüber anderen Techno-logien hat. Das betrifft z.B. die industrielle Inspektion. Für diese Fälle sind noch Anwendungen mit Alleinstellungsmerkmalen herauszuarbei-ten.

Alleinstellungs-merkmale

ANHANG: TAGESORDNUNG DES FACHGESPRÄCHS

31. Oktober 2005

1030 Grußworte, Zielsetzung BMBF, VDI GmbH TZ 1045 Terahertz-Technologien und -Anwendungen im Spannungsbogen zwischen Photonik und Elektronik Prof. Dr. Roskos, Universität Frankfurt

1130 Terahertz-Anwendungen in der Sicherheitstechnik Dr. Hübers, DLR 1155 Anwendungspotenziale passiver Terahertz-Technologien Prof. Dr. Siegel, Universität Karlsruhe 1210 Terahertz-Anwendungen in der medizinischen Bildgebung Dr. Schramm, Klinikum Lahr-Ettenheim 1230 Terahertz-Anwendungen in der Biosensorik Prof. Dr. Haring Bolívar, Universität Siegen 1255 Mittagspause 1340 Terahertz-Anwendungen in der Qualitätssicherung Prof. Dr. Beigang, FhG IPM, Universität Kaiserslautern 1405 Terahertz-Anwendungen in der Kommunikationstechnik Prof. Dr. Koch, TU Braunschweig 1430 Terahertz zur Nahfeldüberwachung Dr. Meinecke, Volkswagen AG 1445 Vorläufige Zusammenfassung der Ergebnisse BMBF 1455 Abschlussdiskussion 1600 Ende der Veranstaltung

ANHANG: TEILNEHMERLISTE DES FACHGESPRÄCHS

Dr. Klaus Abraham-Fuchs Siemens Medical Solutions Group Technology REF T Henkestr. 127 91054 Erlangen [email protected] Albrecht Bartels Gigaoptics GmbH Blarerstrasse 56 78462 Konstanz [email protected] Prof. Dr. René Beigang Fraunhofer IPM c/o Universität Kaiserslautern Erwin-Schroedinger-Straße 46 67663 Kaiserslautern [email protected] Dr. Hans-Ludwig Bloecher DaimlerChrysler AG Research and Technology E/E and Information Technol-ogy, 096/U800 - REI/AU 89013 Ulm hans-ludwig. [email protected] Dr. Claus Dähne Bodenseewerk Gerätetechnik GmbH Postfach 10 11 55 88641 Überlingen [email protected] Dr. Volkmar Dietz BM für Bildung und Forschung Optische Technologien Referat 513 Heinemannstraße 2 53175 Bonn [email protected]

Dr. Kai Dombrowski TES Electronic Solutions GmbH Zettachring 8 70567 Stuttgart [email protected] Dr. Joachim Fröhlingsdorf VDI Technologiezentrum GmbH Graf-Recke-Str. 84 40239 Düsseldorf [email protected] Dr. Carmen Gebrig BM für Bildung unf Forschung Mikrosystemtechnik Referat 514 Heinemannstraße 2 53175 Bonn [email protected] Prof. Dr. Peter Haring Bolivar Universität Siegen Institut für Höchstfrequenztech-nik und Quantenelektronik Hölderlinstr. 3 57068 Siegen [email protected] Dr. Martin Hartick Smiths Heimann Biometrics GmbH Physikalische Technik Unstrutweg 4 07743 Jena [email protected] Prof. Dr. Dr. Hans Hartnagel TU Darmstadt Institut für Hochfrequenztechnik Merckstraße 25 64283 Darmstadt [email protected]

mailto:[email protected]


mailto:hans-ludwig.%[email protected]

mailto:hans-ludwig.%[email protected]









64 Die Terahertz-Technologie und ihre möglichen Anwendungen Dr. Andreas Hoffknecht VDI Technologiezentrum GmbH Graf-Recke-Str. 84 40239 Düsseldorf [email protected] Dr. Matthias Hoffmann Universität Freiburg Physikalisches Institut Stefan-Meier-Str. 19 79104 Freiburg [email protected] Dr. Dirk Holtmannspötter VDI Technologiezentrum GmbH Graf-Recke-Str. 84 40239 Düsseldorf [email protected] Dr. Klaus Huber Siemens AG Siemens Corporate Technology CT PS 6 Günther-Scharowsky-Str. 1 91058 Erlangen [email protected] Dr. Heinz Wilhelm Hübers DLR Institut für Planetenforschung Rutherfordstr. 2 12489 Berlin [email protected] Prof. Dr. D. Jaeger Zentrum für Halbleitertechnik und Optoelektronik Universität Duisburg-Essen Lo-tharstr. 55 47057 Duisburg [email protected]

Dr. Wilhelm Kaenders Toptica Photonics Lochhamer Schlag 19 82166 Gräfelfing [email protected] Prof. Dr. Martin Koch TU Braunschweig Institut für Hochfrequenztechnik Schleinitzstr. 22 38106 Braunschweig [email protected] Hans Matthiessen Instrumental Measurement Technology & Algorithms Draeger Research Unit (RUN) Draegerwerk AG Moislinger Allee 53-55 23542 Lübeck [email protected] Dr. Marc-Michael Meinecke Volkswagen AG Research Electronic Systems 38436 Wolfsburg [email protected] Dr. Stefan Mengel BM für Bildung und Forschung Referat 521 Heinemannstraße 2 53175 Bonn [email protected] Dr. Christof Peschke PT im DLR Heinrich-Konen-Str. 1 53227 Bonn [email protected]









Teilnehmerliste 65

Prof. Dr. Tilo Pfeifer WZL der RWTH Aachen Steinbachstr. 53 52074 Aachen [email protected] Prof. Dr. Jürgen Popp Friedrich-Schiller-Universität Jena Institut für physikalische Chemie Helmholtzweg 4 07743 Jena [email protected] Dr.-Ing Gerd Rache BM für Bildung und Forschung Referat 512 Heinemannstraße 2 53175 Bonn [email protected] Prof. Dr. Hartmut G. Roskos Johann-Wolfgang-Goethe Universität Frankfurt/Main Physikalisches Institut Robert-Mayer-Straße 2-4 60054 Frankfurt [email protected] Dr. Joachim R. Sacher Sacher Lasertechnik GmbH Hannah Arendt Straße 3-7 35037 Marburg [email protected] Dr. Werner Salz BM für Bildung und Forschung Referat 525 Heinemannstraße 2 53175 Bonn [email protected]

Dr. Karsten Schramm Klinikum Lahr-Ettenheim Klinik für Hals-Nasen-Ohrenheilkunde Klostenstraße 19 77933 Lahr [email protected] Prof. Dr. Michael Siegel Universität Karlsruhe Institut für Mikro- und Nano-elektrische Systeme Hertzstr. 16 76187 Karlsruhe [email protected] Dr. Jürgen Stümpfig BM für Bildung und Forschung Referat 513 Heinemannstraße 2 53175 Bonn [email protected] Prof. Dr. Franz Josef Tegude Universität Duisburg-Essen Solid-State Electronics Depart-ment Kommandantenstr. 60 47057 Duisburg [email protected] Prof. Dr. Günther Tränkle Ferdinand-Braun Institut Gustav-Kirchhoff-Straße 4 12489 Berlin [email protected] Dr. Herbert Venghaus Fraunhofer Institut für Nachrich-tentechnik - HHI Department Integrated Techno-logie Einsteinufer 37 10587 Berlin [email protected]












66 Die Terahertz-Technologie und ihre möglichen Anwendungen Dr.-Ing. Tobias Voigt TU München Lehrstuhl für Lebensmittelver-packungstechnik 85350 Freising-Weihenstephan [email protected] Prof. Dr. Elmar Wagner Fraunhofer IPM Heidenhofstraße 8 79110 Freiburg [email protected]

Prof. Günter Weimann Fraunhofer IAF Tullastr. 72 79108 Freiburg [email protected] Günter Zachmann Bruker Optik GmbH Application Rudolf-Plank-Str. 27 76275 Ettlingen [email protected]





ANHANG: LITERATURANALYSE

Die Entwicklung der wissenschaftlichen Literatur zum Terahertz-Bereich des elektromagnetischen Spektrums wurde mit Hilfe der Datenbank SCI-SEARCH grob analysiert. Die nachfolgende Abbildung 30 zeigt den zeit-lichen Verlauf der Zahl von Publikationen, die den Begriff „Terahertz“ in Titel, Abstract oder als Schlagwort enthalten.

0100200300400500600700800

1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

2005

Abb. 30: Anzahl der Publikationen, die den Begriff „Terahertz“ in Titel, Abstract oder als Schlagwort enthalten (Datenbank SCISEARCH).

Der Abbildung 30 ist ein kontinuierlicher Anstieg an Publikationen zum Terahertz-Bereich zu entnehmen. Ausgehend von ca. 100 Publikationen pro Jahr in den frühen Neunziger Jahren haben sich die Publikationszah-len im Untersuchungszeitraum etwa alle fünf Jahre verdoppelt auf zuletzt ca. 800 Publikationen im Jahr 2005.

020406080

100120140160

1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

2005

Abb. 31: Anzahl der Publikationen, die den Begriff „Submillimeterwelle“ in Titel, Abstract oder als Schlagwort enthalten (Datenbank SCISEARCH).

Der Begriff „Submillimeterwellen“ kann in gewisser Weise als synonym zum Begriff „Terahertz-Strahlung“ angesehen werden. Die Entwicklung der Publikationszahlen zum Suchbegriff „Submillimeterwellen“ zeigt allerdings einen qualitativ anderen Verlauf, wie in Abbildung 31 zu se-hen ist.


Hier ist ein deutlich langsamerer Anstieg zu beobachten. Während das Ausgangsniveau in den frühen Neunziger Jahre durchaus vergleichbar ist, lässt sich für die Publikationszahlen im Bereich Submillimeterwellen lediglich eine Steigerung um etwa 50% über der gesamten Untersu-chungszeitraum von 15 Jahren feststellen.

Bei Auswertung der Schlagworte der Publikationen im Bereich Submil-limeterwellen fällt ein deutlicher thematischer Schwerpunkt im Bereich der Astrophysik ins Auge, der bei den Publikationen im Bereich der Te-rahertz-Strahlung keine vergleichbare Rolle spielt. Dies belegt, dass unter dem Begriff Terahertz-Strahlung ein eigenständiger Forschungszweig entstanden ist, der sich durch ein robustes und dynamisches Wachstum auszeichnet.

Gleichzeitig ist dieses Forschungsfeld, nach absoluten Publikationszah-len betrachtet, immer noch eher klein. In einigen Publikationen wird für Terahertz-Strahlung auch die Bezeichnung „T-Ray“ verwendet in Analo-gie zur Röntgenstrahlung, deren englische Bezeichnung „X-Ray“ lautet. Zum Vergleich sei dieser Analogie gemäß darauf hingewiesen, dass in der Datenbank SCISEARCH zum Thema Röntgenstrahlung in der Grö-ßenordnung von 25.000 Publikationen pro Jahr nachgewiesen werden.

USA28%

Japan13%Deutschland

13%GB7%

Russland6%

Weitere Länder33%

Abb. 32: Länderverteilung der Publikationen zu Terahertz-Strahlung im Zeitraum 1991 bis 2005 (Datenbank SCISEARCH).

Gut ein Viertel der Autoren von Publikationen zu Terahertz-Strahlung, die zwischen 1991 und 2005 erschienen sind, stammen aus den USA. Jeweils gut ein Achtel der Autoren stammen aus Japan bzw. Deutsch-land. Danach folgen Autoren aus Großbritannien und Russland mit einem Anteil von sieben bzw. sechs Prozent und Autoren aus 63 weiteren Län-dern, die zusammen einen Anteil von 33% ausmachen.

Die Länderverteilung der Autoren kann als recht ausgewogen beurteilt werden. Eine klare Dominanz eines einzelnen Landes ist nicht zu erken-nen. Die Ausgangssituation in Deutschland stellt sich als gut dar.

ANHANG: PATENTANALYSE

Auch bei Betrachtung des zeitlichen Verlaufs von Patentanmeldungen im Zusammenhang mit Terahertz-Strahlung ist ein kontinuierlicher Anstieg zu beobachten, vgl. Abbildung 33. Dieser Anstieg verläuft in etwa paral-lel zur Entwicklung der wissenschaftlichen Literatur.

0

20

40

60

80

100

1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003

Abb. 33: Patentanmeldungen zur Terahertz-Technologie nach dem Jahr der Erstanmel-dung (Datenbank WPINDEX) .

Bis zum Jahr 1995 waren nach dieser Patentrecherche stets weniger als 10 Anmeldungen pro Jahr zu verzeichnen. Seitdem haben sich die An-meldezahlen etwa alle drei Jahre verdoppelt auf zuletzt gut 80 Patente pro Jahr.

Bei den Patenten zum Suchbegriff Submillimeterwellen ist ebenfalls ein Anstieg zu beobachten. Ausgehend von vereinzelten Anmeldungen sind in den letzten Jahren jeweils 10 bis 15 Patente angemeldet worden. Im Unterschied zur wissenschaftlichen Literatur fällt bei den Patenten kein eigenständiger thematischer Schwerpunkt ins Auge, so dass im Zusam-menhang mit Patenten der Begriff „Submillimeterwelle“ eher als echtes Synonym für „Terahertz-Strahlung“ angesehen werden kann.

Auch als Technologiefeld ist die „Terhertz-Technologie“ derzeit noch klein, wie die absoluten Anmeldezahlen belegen. Nimmt man die Zahlen zu den Suchbegriffen „Terahertz“ und „Submillimeterwelle“ zusammen, so erfolgten im Jahr 2003 etwa 100 Anmeldungen. Zum Vergleich sei der oben aufgeführten Analogie gemäß wieder auf die Anmeldungen in der Röntgentechnologie hingewiesen, die nach der Datenbank WPINDEX die Größenordnung von ca. 2.500 Anmeldungen pro Jahr erreichen.


Japan37%

USA34%

GB13%

Deutschland7%

Weitere Länder

9%

Abb. 34: Länderverteilung der Patentanmeldungen zur Terahertz-Technologie nach dem Land der Erstanmeldung (Datenbank WPINDEX).

Die Länderverteilung der Patentaktivitäten ist in Abbildung 34 darge-stellt. Bei der Interpretation dieser Verteilung ist zu berücksichtigen, dass nach der allgemeinen Erfahrung von Patentexperten Quantität und Um-fang der Patentschriften regional stark variieren7. Unter Berücksichtigung dieser Erfahrungswerte ist besonders der hohe Anteil von Anmeldungen aus Großbritannien bemerkenswert. Während bei der Autorenschaft von wissenschaftlichen Publikationen der Anteil von deutschen Autoren dop-pelt so hoch ist wie der Anteil britischer Autoren, verhält es sich bei den Patentanmeldungen genau umgekehrt.

Dennoch kann die Länderverteilung der Patentanmeldungen insgesamt unter Berücksichtigung der allgemeinen Erfahrungswerte als recht aus-gewogen betrachtet werden. Die Ausgangslage Deutschlands stellt sich als gut dar.

7 Nach Angaben von Experten des europäischen Patentamtes ist es im Durchschnitt angemessen, eine europäische Anmeldung als gleichwertig mit sieben bis neun japani-schen und drei bis fünf US-amerikanischen Anmeldungen zu sehen.

ANHANG: FÖRDERAKTIVITÄTEN

Fördersituation

Die folgende Aufstellung nationaler und internationaler Förderaktivitäten liefert einen Ausschnitt von Forschungsprojekten zur Terahertz-Technologie bzw. von Förderprogrammen zur Terahertz-Technologie bzw. von solchen Förderprogrammen, in denen auch Terahertz-Technologie gefördert werden könnte, und zwar aus Deutschland, der Europäischen Union, den USA und Japan.

Deutschland

Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)

• Verbundprojekt: Nanomaterialien für Terahertz Forschung und Technologie (2004-2007; Gesamtfördersumme: 1.769.448,00 € + 155.911,00 €; Teilnehmer: MPI für Festkörperforschung, Menlo Systems GmbH).

• Verbundprojekt: Mikrooptische Anregungs- und Sensoreinheit zur Erweiterung der Biochip-Analyse und der Telemedizin - Teilvorha-ben: Entwicklung der label-free, fern-infrarot Detektion an Bioma-terialien und Teilvorhaben: Markerfreie Ferninfrarot-Detektion von Biomaterialien mit Dauerstrichstrahlung (2002-2005; Gesamtför-dersumme 323.961,00 € + 248.700,00 €; Teilnehmer: Universität Freiburg und TU Braunschweig).

• Forscherverbund: Femtosekunden-Strahlquellen auf der Basis von Hochleistungsdiodenlasern (Femto-Diode) - Teilvorhaben: Femto-sekunden-Diodenlaser für ein Multi-Fokus-Terahertz-System und Teilvorhaben: Multi-Fokus-Terahertz-System zur Qualitätskontrol-le von industriellen Produkten (2004-2007; Gesamtfördersumme 246.457,00 € + 296.686,00 €; Teilnehmer: Ruhr-Universität Bo-chum und TU Braunschweig).

• Grundlagenforschung: DESY-Linearbeschleuniger: Messung von Terahertz-Störfeldern bei TESLA mit der Methode der elektro-optischen Abtastung (2004-2006, Fördersumme 154.000,00 €; Teil-nehmer: Universität Hamburg).

• Leitinnovation Mobile Internet - WIGWAM (Wireless Gigabit with Advanced Multimedia Support) - Teilvorhaben: Schichtenübergrei-fender Entwurf eines Höchstgeschwindigkeits-WLAN: Konzept, SoC-Implementierung und Demonstrator und Teilvorhaben: Ka-nalmessung und -modellierung für GBit-WLAN (2003-2007; Ge-samtfördersumme: 1.414.853,00 € + 377.750,00 €; Teilneh-mer: IHP GmbH, MEDAV GmbH)


Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

• Grundlagenuntersuchungen zur Erzeugung und Verstärkung von Terahertz-Wellen in elektrisch gepumpten Halbleiter-Heterostrukturen (Förderbeginn: 1999, Weiterförderung: 2001; U-niversität Frankfurt).

• Entwicklung optoelektronischer Puls- und Dauerstrich-Meßtechniken für bildgebende Systeme im Terahertz-Frequenzbereich (Förderbeginn: 2000, Weiterförderung: 2003; U-niversität Frankfurt).

• Realisierung und Charakterisierung einer kontinuierlich emittieren-den Quelle für bildgebende Systeme im THz-Frequenzbereich, ba-sierend auf mehrmodigen Halbleiterlasern (Förderbeginn: 2000, Weiterförderung: 2003; TU Darmstadt).

• Herstellung von Halbleiterkomponenten zur Erzeugung und Mes-sung von THz-Signalen mit Hilfe optischer Heterodyn-Verfahren (Förderbeginn: 2000, Weiterförderung: 2003; TU Darmstadt).

• Transport in Halbleiter-Übergittern unter dem Einfluß von THz-Strahlung (Förderbeginn: 1999; Universität Regensburg).

• Rauschoptimierte, ungekühlte Schottkydioden-Mischer für den hö-heren Terahertz-Bereich (Förderbeginn: 2000, Weiterförderung: 2003; Universität Erlangen-Nürnberg und TU Darmstadt).

• Rauschoptimierte, ungekühlte Schottkydioden-Mischer für den hö-heren Terahertz-Bereich (Förderbeginn: 2000, Weiterförderung: 2003; TU Darmstadt und Universität Erlangen-Nürnberg).

• Untersuchung des Hochfeldtransports von Ladungsträgern in für moderne Höchstfrequenz-Bauelemente relevanten Halbleitern auf der Femtosekunden-Zeitskala (Förderbeginn: 2000; TU München).

• Vektorielles Feldmess-System für quasioptische Harmonischen-Generatoren bei 300 und 450 GHz (Förderbeginn: 2001, Weiterför-derung: 2004; Universität Erlangen-Nürnberg).

• Hochfeldtransport und Terahertz-Oszillationen in Halbleiter-Nanostrukturen (Förderbeginn: 2002; Universität Erlangen-Nürnberg und TU München).

• Stochastische Modelle für nichtlineare Antworten und nichtreso-nantes Lochbrennen in ungeordneten Systemen (Förderbeginn: 2002, Weiterförderung: 2004; Universität Mainz).

• Spatiotemporal pulse shaping and nonlinear terahertz spectroscopy (Förderbeginn: 2002; Max-Planck-Institut für Quantenoptik).

• Equilibrium and non-equilibrium properties of the charge density wave condensate in quasi-one dimensional conductors (Förderbe-ginn: 2003; Universität Stuttgart).

Förderaktivitäten 73

• Integrierte optoelektronische THz Sensoren und Sensorarrays für zukünftige markierungsfreie biomolekulare Analyseverfahren (För-derbeginn: 2003; RWTH Aachen).

• Der Kohärente Hall-Effekt im Halbleiterübergitter: Untersuchung von Felddynamik und Vielteilcheneffekte (Förderbeginn: 2003; U-niversität Frankfurt).

• Terahertz Strahlungsquelle basierend auf Störstellenübergängen in Halbleiter-Heterostrukturen (Förderbeginn: 2002, Weiterförderung: 2004; DLR Berlin).

• Sonderforschungsbereich 494: Die Entwicklung der interstellaren Materie: Terahertz-Spektroskopie in Weltall und Labor, Laufzeit: 2000 - 2007, Universität Köln

Europäische Union

5. und 6. Forschungsrahmenprogramm

• Active Terahertz Imaging for Security (TERASEC): Detektion von Sprengstoffen, Chemikalien und pathogener biologischer Stoffe durch THz-Imaging (2005-2006; Projektleitung: DLR, Deutsch-land).

• Novel Terahertz Sensing and Imaging Systems for Biotechnology, Healthcare, Security and Process Monitoring (TERANOVA), (2004-2008; Gesamtfördersumme 5 Mio. €; Projektleitung: Univer-sität von Leeds, UK; Teilnehmer: Renishaw, BAE Systems, Alpes Lasers, Teraview, Evotec, Thales, Femtoslasers Produktions-GmbH, Universität von Durham, TU Delft, TU Wien, Universität Freiburg, Universität Paris 7, RWTH Aachen, Scuola Normale Su-periore, Universität von Neuchatel).

• Terahertz radiation in biological research, investigations on diag-nostics and study on potential genotoxic effects (THZ-BRIDGE), (2001-2004, Gesamtfördersumme 1,4 Mio. €; Projektleitung: E-NEA, Italien; Teilnehmer: FZ Rossendorf, Universität von Tel A-viv, Universität Stuttgart, Universität Frankfurt, Universität von Genua, National Hellenic Research Foundation, Universität von Nottingham, Teraview Ltd., Universität Freiburg)

• Physics of Intersubband Semiconductor Emitters (POISE), (2004-2008, Gesamtfördersumme 2,3 Mio. €, Marie Curie Research Trai-ning Network; Projektleitung: Universität von Sheffield, UK)

• Network of Excellence on broadband Fiber Radio Techniques and its Integration Technologies (NEFERTITI), (2002-2005, Ge-samtfördersumme 1 Mio. €; Projektleitung: IMEP, Frankreich)


• Terahertz Frequency Imaging Systems for Biomedical & other Ap-plications (TERAVISION), (2000-2003, Gesamtfördersumme 2,35 Mio. €; Projektleitung: Universität von Leeds, UK)

• Time-resolved Terahertz investigation of semimetals, carbon-nanotubes and gas-sensing films (TERAFILM), (Förderbeginn 2005, Gesamtfördersumme 0,15 Mio. €; Projektleitung: FU Berlin, Deutschland)

• NANostructures of Oxides for Terahertz IMaging Exploration (NANOTIME), (Förderbeginn 2005, Gesamtfördersumme 0,9 Mio. €; Projektleitung: Ecole Superieure d’Electricite, Frankreich)

• Wireless Area Networking of Terahertz Emitters and Detectors (WANTED), (2000-2003, Gesamtfördersumme 1 Mio. €; Projektlei-tung: Universität Cambridge, UK)

USA

DoD (Department of Defense): DARPA (Defense Advanced Re-search Projects Agency)

• Submillimeter Wave Imaging Focal Plane Array Technology (SWIFT) (Budgetplan: FY 2005: 4,1 Mio. US-$; FY 2006: 8 Mio. US-$; FY 2007: 13 Mio. US-$)

• Terahertz Imaging Focal Plane Array Technology (TIFT) (Budget-plan: FY 2005: 9,625 Mio. US-$; FY 2006: 10 Mio. US-$; FY 2007: 10 Mio. US-$)

• Biological Warfare Defense: Das Unterprogramm Sensors (Bud-getplan: 48 Mio. US-$ jährlich in FY 2005-2007) erwähnt in einem von drei Teilbereichen, Spectral Sensing of Bio-Aerosols (SSBA), die THz-Spektroskopie als eine von mehreren möglichen Metho-den.

• Mission-Adaptable Chemical Sensors (MACS) (Budgetplan: FY 2005: 5,5 Mio. US-$; FY 2006: 10,652 Mio. US-$; FY 2007: 11,2 Mio. US-$) Ziel ist die Demonstration eines portablen, ultra-sensitiven (auf ppt-Niveau) chemischen Sensors auf Basis von SMMW/THz-Rotations-Spektroskopie

DHS (Department of Homeland Security): Homeland Security Ad-vanced Research Projects Agency (HSARPA)

• Förderbekanntmachung FY 2005 HSARPA-BAA 05-03: Prototypes and Technology for Improvised Explosives Device Detection (PTIEDD) (Erwartetes Fördervolumen von insgesamt 9 Mio. €, derzeit hat eines von sieben geförderten Projekten Bezug zu THz-Technologie: Stand-Off Terahertz Explosive Detection System, BAE Systems Advanced Technologies, Inc.)


NSF (National Science Foundation)

Titel Förder-beginn

Förder-ende

Förder-summe (bis-lang)

Organisation

Terahertz Studies of Transient Photoconductivity in Quantum Dots and Electron Transfer in Bacterial Reaction Centers

Mai 1, 2002

April 30, 2006

351000 Yale

University

Electro-optic Polymers for Wide-band Terahertz Applications

Juni 1, 2002

Mai 31, 2006

239996 University of Maryland Bal-timore County

Novel Wavelength Tailorable Heterojunctions For Infrared (IR)Detection

Sep. 1, 2002

Aug. 31, 2006

253000 Georgia State University

Optical Spectroscopy and Control of Complex Materials

Aug. 1, 2002

Juli 31, 2006

924000 Massachusetts Institute of Technology

Terahertz Electro-Optics in Semi-conductor Nanostructures

Juni 1, 2003

Mai 31, 2006

397000 University of California-Santa Barbara

Terahertz Photonic Devices Mai 1, 2003

April 30, 2007

238546 Rensselaer Polytechnic Institute

RUI: Ultrafast Terahertz Spec-troscopy of Carrier Dynamics in Semiconductors

Juni 1, 2003

Mai 31, 2006

195000 Macalester College

Development of a Stable, User-Friendly High-Power Terahertz Source: Enhancements to the UCSB Free-Electron Lasers

Aug. 15, 2003

Juli 31, 2006


IGERT: Terahertz Science and Technology - A Studio-Based Approach

Okt. 1, 2003

Sep. 30, 2006

2388779 Rensselaer Polytechnic Institute

US-France Cooperative Research: Coherent Terahertz (THz) Emis-sion from Laser-Induced Ultrafast Demagnetization of Ferromag-netic Films

Jan. 15, 2004

Dez. 31, 2006

15455 Yale

University



Förder-ende


Organisation

CAREER: Probing Charge Trans-port by Terahertz Time-Domain Spectroscopy

Jan. 15, 2004

Dez. 31, 2007

284094 Case Western Reserve Univer-sity

CAREER:Biomolecular Flexibil-ity: Facile Characterization of Equilibrium and Dynamical Be-havior

Mai 1, 2004

April 30, 2006

239646 SUNY at

Buffalo

Multiple scattering of terahertz pulses

Juni 1, 2004

Mai 31, 2007

210000 William Marsh Rice University

Laser Spectroscopy of Ion and Clusters

April 15, 2004

März 31, 2007

962000 University of California-Berkeley

RUI: Magnetic Tunneling and Relaxation in Single Molecule Magnets Examined Using Tera-hertz Spectroscopy

Juli 1, 2004

Juni 30, 2007

120000 Colgate

University

Biophotonics: Protein-Semiconductor Integrated Opto-electronics

Sep. 1, 2004

Aug. 31, 2007

436000 University of Michigan Ann Arbor

IMR - RUI: Acquisition of a Magnet Cryostat for Terahertz Spectroscopy and Education

Sep. 1, 2004

Aug. 31, 2006

138507 Colgate

University

IMR: Acquisition of an Amplified Ultrafast Laser System for Tera-hertz Spectroscopic Research and Student Training

Sep. 1, 2004

Aug. 31, 2006

177800 University of Utah

THz Spectroscopy of Candidate Prebiotic Species: Exploring the Conformational Energy Land-scape of Flexible Molecules and the Limits of Interstellar Molecu-lar Complexity

Aug. 1, 2004

Juli 31, 2006

375000 California Insti-tute of Techno-logy

IMR: Acquisition of Tunable Ultrafast Light Source for Materi-als Research and Student Training

Nov. 15, 2004

Okt. 31, 2006

105811 Case Western Reserve Univer-sity



Förder-ende


Organisation

Acquisition of a millimeter wave vector network analyzer : seis-mology without seismometers

Sep. 1, 2004

Aug. 31, 2007

231000 Colorado School of

Mines

Development of Submillimeter / Terahertz Instrumentation for Spectroscopy and Dynamics

Sep. 1, 2004

Aug. 31, 2006

398482 Texas A&M

SBIR Phase II: Compact, High-Power, Terahertz (THz) Radiation Source

Sep. 15, 2004

Aug. 31, 2006

500000 ADVANCED ENERGY SYST., INC.

SBIR Phase II: Diode-Pumped, High-Power, Cr:LiSAF-Based Ultrafast Laser and THz Source

Aug. 1, 2004

Juli 31, 2006

499954 Q-PEAK, INC.

CAREER: Coherent Manipulation of Carriers and Nonlinear Optical Processes in Semiconductor Quantum Wells Via Intense Multi-Cycle Terahertz Pulses

März 1, 2005

Feb. 28, 2007

263080 Oregon State University

Energy Exchange between Nuclei and Electrons: A Fundamental Chemical Question Addressed by Pure Electronic Rydberg Spec-troscopy

Jan. 1, 2005

Dez. 31, 2006


Two Dimensional THz Photonics and Waveguide THz-TDS

Juni 1, 2005

Mai 31, 2007

350000 Oklahoma State

University

High-Temperature Terahertz Quantum Cascade Lasers

Mai 1, 2005

April 30, 2006


Micromachined Standards for Calibrated Millimeter and Sub-millimeter-Wave Network Meas-urements

Juni 1, 2005

Mai 31, 2006

88896 University of Virginia Main Campus

NIRT: Semiconductor Nanowire-Based Electronics and Optoelec-tronics

Aug. 1, 2005

Juli 31, 2009

1000000 University of California-San Diego



Förder-ende


Organisation

NIRT: Semiconductor nanostruc-tures and photonic crystal micro-cavities for quantum information processing at Terahertz frequen-cies

Aug. 1, 2005

Juli 31, 2009


NER: Ultrafast Terahertz Hot Electron Bolometer Heterodyne Detectors Based on Single Wall Carbon Nanotubes

Juli 1, 2005

Juni 30, 2006

100072 University of Massachusetts Amherst

SGER: Collaborative Research: Terahertz Dynamics of Polymer Crystallization

Mai 1, 2005

April 30, 2007

17994 New Jersey Institute of Technology

SGER: Collaborative Research: Terahertz Dynamics of Polymer Crystallization

Mai 1, 2005

April 30, 2006


MRSEC: Materials Research Science and Engineering Center at UCSB

Okt. 1, 2005

Sep. 30, 2011


IMR-MIP: Concept and Engineer-ing Design of a Free Electron Laser Light Source for High Magnetic Field Research

Sep. 1, 2005

Aug. 31, 2007

1842219 Florida State University

Development of a Waveguide-Coupled Broadband Terahertz Spectrometer

Sep. 15, 2005

Aug. 31, 2008

503480 William Marsh Rice University

MRI: Acquisition of Fiber-Pigtailed THz Spectroscopy and Imaging System

Aug. 15, 2005

Juli 31, 2006

281000 New Jersey Institute of Technology

GOALI: An Integrated Submilli-meter-Wave Scattering Parameter Measurement System Based on the Six-Porter Reflectometer

Sep. 1, 2005

Aug. 31, 2008

240000 University of Virginia Main Campus

Wavelength-Scale Photonic Sig-nal Processing Components

Aug. 15, 2005

Juli 31, 2008

240000 Purdue

University



Förder-ende


Organisation

SBIR Phase I: A Novel Imaging Device for Infrared and Terahertz Radiation Beams Utilizing Ther-mochromic Liquid Crystal Mate-rials

Jan. 1, 2006

Juni 30, 2006

100000 RadiaBeam Technologies, LLC

Symposium: The Analytical Ap-plications of Terahertz Spectros-copy; Fall 2005; Washington, DC

Sep. 1, 2005

Aug. 31, 2006

7500 Analytical Divi-sion, ACS

CAREER: Electromagnetic Scat-tering and Propagation in Random Media at Terahertz Frequencies

Mai 1, 2006

April 30, 2011

400000 Portland State University

SBIR Phase II: THz Imaging Focal Plane Array

März 15, 2006

Feb. 29, 2008

464344 ZYBERWEAR INC

CAREER: Time-Dependent Den-sity-Functional Approach for Ultrafast Nonlinear Excitations in Semiconductors

Sep. 1, 2005

Juli 31, 2007

160000 University of Missouri-Columbia

Japan

Im Oktober 2003 wurde in Japan mit Unterstützung des Ministeriums für innere Angelegenheiten und Kommunikation (MIC) das “Terahertz Technologie Forum” gegründet. Dieses Forum unterstützt die Entwick-lung und Verbreitung der THz-Technologie in Zusammenarbeit mit der Industrie, akademischen Forschern und Regierungseinrichtungen. Siehe www.terahertzjapan.com.

Das MIC hat im Jahr 2005 eine F&E-Strategy für die THz-Technologie formuliert. Das vom MEXT finanzierte Forschungsinstitut RIKEN hat ebenfalls im Jahr 2005 ein THz-Forschungsprogramm begonnen. Details zu Inhalten, Projekten und Fördersummen liegen nicht vor.

http://www.terahertzjapan.com/

Die Terahertz-Technologie und ihre möglichen Anwendungen · Der THz-Frequenzbereich von etwa 0,2...

Documents

Transcript of Die Terahertz-Technologie und ihre möglichen Anwendungen · Der THz-Frequenzbereich von etwa 0,2...