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Der Terahertz Frequenzbereich (300GHz – 10THz) befindet sich im elektromagnetischen Spektrum zwischen Mikrowellen- und Infrarotstrahlung. Im Gegensatz zu diesen mittels etablierter elektronischer bzw. laserbasierter Verfahren gut zugänglichen Bereichen, erweist sich die Erschließung des THz-Bereiches für alltägliche Anwendungen bisher schwierig.

Technische aufwendige Lösungen existieren bereits und werden seit einigen Jahren in der Radioastronomie und für atmosphärische Untersuchungen mit Satelliten genutzt. Die Komplexität, die geringe Effizienz und die hohen Kosten bisheriger Lösungsansätze sind jedoch prohibitiv im Hinblick auf eine breite Nutzung von THz Systemen. Dieser Mangel an effektiven technischen Lösungen führte daher zum Begriff der THz-Lücke. Obwohl vergleichsweise schwach entwickelt, zeichnet sich ein äußerst breites Anwendungspotenzial für THz-Technologie ab. Durch intensive Forschung in den letzten Jahren konnte eine Vielzahl von Anwendungsgebieten identifiziert und technologische Möglichkeiten für breit einsatzfähige THz-Systeme eröffnet werden. Die THz Forschung befindet sich derzeit in einer Schlüsselphase und könnte in naher Zukunft auf Grund ihrer intrinsischen Vorteile radikal unsere analytischen Fähigkeiten erweitern:

• Viele optisch dichte Materialien, wie zum Beispiel Kleidung, Verpackungsmaterialien, zahlreiche Kunststoffe und keramische Materialien sind im THz-Bereich transparent. Dadurch ergeben sich neuartige Analyse- und Imaginganwendungen für Forschung und Technologie. Interessante Perspektiven eröffnen sich daher beispielsweise in der Qualitätskontrolle oder der Sicherheitstechnik.
• THz-Strahlung ist nicht-ionisierend, daher unbedenklich für biomedizinische Analysen und bietet somit eine Alternative zu herkömmlichen Röntgenverfahren. Untersuchungen an Hautpräparaten (normale Dermis vs. Basalzell-Karzinom) deuten darauf hin, dass sich tumoröse Gewebeveränderungen mit diesem neuartigen Verfahren durch Bildgebung darstellen und von gutartigen Veränderungen im Gewebe unterscheiden lassen.
• Spezifische THz Molekülrotationen und -schwingungen ermöglichen die selektive markierungsfreie Identifizierung von Molekülen und Molekülgruppen. Derzeitige Forschungsergebnisse weisen ein hohes Potenzial zur Entwicklung neuartiger leistungsfähigerer Biochiptechnologien auf.
• THz-Strahlung liefert entscheidende Einblicke in die elektronische Dynamik von Halbleitern, Metallen und Nanostrukturen, wobei letztere eine besonders wichtige Rolle für zukünftige photonische und elektronische Komponenten und Systeme einnehmen. Interessante Charakterisierungssysteme für die Halbleiterindustrie werden derzeit entwickelt.
• THz-Strahlung wird im Gegensatz zu optischen Wellenlängen weniger stark gestreut, was den Einsatz bei rauen Umgebungsbedingungen begünstigt. Hierbei sind die Anwendungsgebiete Robotic Vision und Prozesskontrolle unter industriellen Produktionsbedingungen in der näheren Betrachtung.

Ausgewählte Applikationsbereiche von THz Strahlung finden z.B. Anwendung in der Astronomie (interstellare Materie, Mikrowellenhintergrund etc.), der Erdbeobachtung (atmosphärische Chemie, Klima etc.), Medizin (Tumor-, Kariesdetektion etc.), Industrie (Paket- und Prozesskontrolle etc.), der Biotechnologie (genetische Analysen, Biochips etc.) und der Sicherheitskontrolle (Drogen- und Sprengstoffdetektion, Screening etc.). Diese exemplarischen Anwendungen resultieren aus intensiven Forschungsarbeiten, die in der Vergangenheit vornehmlich an universitären Einrichtungen durchgeführt wurden. Terahertz Technologie ist jedoch nun auch im Fokus des industriellen Interesses gerückt und intensive Anstrengungen werden derzeit investiert um kostengünstige, kompakte und effiziente THz Systeme zu entwickeln. Es ist interessant zu beobachten, dass sich im Terahertz Frequenzbereich technologische Entwicklungen vereinen von elektronischen Arbeitsgruppen, die die Betriebsfrequenzen von elektronischen Systemen zu höheren Frequenzen hin erweitern wollen, als auch von photonischen Arbeitsgruppen, die den Betrieb von Lasern zu immer längerwelligen Spektralbereichen erweitern. Eine hohe Zahl an größeren Forschungsinitiativen wurden weltweit in Gang gesetzt, um die „Terahertz Lücke“ im elektromagnetischen Spektrum zu erobern.

Am Zentrum für Sensorsysteme werden Terahertz Technologien für breit einsatzfähige THz Imaging Systeme entwickelt. Spezifische Ziele der Arbeiten sind die Entwicklung von Lösungsansätzen, die leistungsfähig, jedoch einfach und kostengünstig genug sind, um im Alltag angewandt werden zu können. Der zweite Aufgabenschwerpunkt ist die Erforschung von neuen Anwendungsbereichen in enger interdisziplinärer Zusammenarbeit mit industriellen und akademischen Arbeitsgruppen. Beispielhafte Anwendungen sind in Abb. 1 und 2 dargestellt.

Abbildung 1 zeigt dabei zwei Beispiele für die Dünnschichtanalyse zur Qualitätskontrolle von Produktionsprozessen. Der erste Anwendungsfall präsentiert Beschichtungen von Brennstoffzellen, die eine attraktive Zukunftstechnologie zur Energieumwandlung / Stromgeneration sind. Dennoch hat sich diese Technologie nicht durchsetzen können. Ein Problem dabei ist Komplexität und die Zuverlässigkeit der Produktionsprozesse. Mit THz Strahlung konnte erstmalig mit einer nichtdestruktiven kontaktfreien Methode die Qualität und Homogenität der mittels Plasmasprayverfahren hergestellten Brennstoffzellen Schichten demonstriert werden. Das zweite Beispiel zeigt die berührungslose Charakterisierung von Silizium Carbid Wafern. Dieses Material hat ein enormes Potenzial für Leistungs- und Hochfrequenzbauelemente. Dennoch ist die Waferqualität schlecht. Mit THz Strahlung kann berührungsfrei die Homogenität von epitaktischen Schichten besser kontrolliert werden.

Ein weiteres Beispiel für die Anwendungsbreite der THz Strahlung ist dessen potenzieller Einsatz zur medizinischen Diagnostik für die Krebsfrüherkennung. Eine Vielzahl von analytischen Verfahren zur Früherkennung von Tumoren ist in der Vergangenheit entwickelt worden. Dennoch bleibt bis dato die Exzission und der histopathologische Befund, die einzige zuverlässige Art, Tumore zu identifizieren. Dies ist mit großen Kosten für die medizinische Versorgung verbunden, da für die zuverlässige Diagnose jeder Patient zur Extraktion von Proben schon bereits einmal vor den eigentlichen Eingriffen operiert werden muss. Es existiert daher ein enormes Interesse an effizienteren diagnostischen Verfahren – Stichwort „optische Biopsie“. Wie in Abb. 2 dargestellt kann THz Strahlung potenziell zur Tumoranalyse eingesetzt werden. Die bisherigen Analysen sind viel versprechend, da ein großer Kontrast von gesundem und krankhaft verändertem Gewebe beobachtet wird, z.B. wird bei Schleimhaut in der Trachea eine zweifach stärkere Absorption von normalem Gewebe im Verhältnis zu Tumorgewebe beobachtet (s. Abb. 2b). Wesentlich detailliertere Untersuchungen werden jedoch in Zukunft noch notwendig sein, bevor entschieden werden kann, ob THz Verfahren bessere analytische Möglichkeiten als konkurrierende Verfahren eröffnen.

Kontakt:
Prof. Dr.-Ing. Peter Haring Bolívar
Telefon: 02 71 /7 40 - 44 23
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E-mail: peter.haring@uni-siegen.de
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