Optische und Infrarotaufnahme einer Galaxie

Terahertz-Wellen

Mit Wellenlängen im Bereich zwischen Mikrowellen und Infrarotstrahlung bietet die Terahertz-Strahlung vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, von der Grundlagenforschung bis zur Sicherheitstechnik und Biomedizin.

Der Terahertz-Bereich (THz) liegt im elektromagnetischen Spektrum zwischen Mikrowellen und Infrarotstrahlung. Er ist nicht strikt definiert, aber im Allgemeinen sind damit Frequenzen im Bereich von 0,3 THz bis 10 THz gemeint, wobei ein Terahertz gleich 1000 Gigahertz ist. Dies entspricht Wellenlängen von 1 Millimeter bis 0,03 Millimetern. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar hat einen Durchmesser von ungefähr 0,1 Millimetern. Ältere Bezeichnungen für diesen Teil des elektromagnetischen Spektrums sind daher auch "Submillimeter-" und "Ferninfrarot-Spektralbereich", worin sich die Einordnung zwischen den Mikrowellen und dem Infraroten widerspiegelt.

Erste Experimente

Erste Experimente mit THz-Strahlung – auch wenn noch nicht so genannt – wurden bereits um 1900 durchgeführt. Damals bestand die Notwendigkeit, die Strahlungseigenschaften der zu dieser Zeit weit verbreiteten Gasbeleuchtung und der elektrischen Beleuchtung genau zu charakterisieren. Zu diesem Zweck wurden an der Physikalisch Technischen Reichsanstalt (PTR), dem Vorläufer der heutigen Physikalisch Technischen Bundesanstalt (PTB), hochgenaue Strahlungsnormale und Detektoren entwickelt, die auch im THz-Bereich funktionierten.

Zur selben Zeit entwickelte der Physikprofessor Heinrich Rubens in Berlin ein Verfahren, die sogenannte Reststrahlenmethode, mit dem es möglich war, THz-Strahlung bis zu einer Wellenlänge von 50 Mikrometern beziehungsweise einer Frequenz von 6 THz zu erzeugen. In Zusammenarbeit mit Friedrich Lummer von der PTR gelang es ihm, das Emissionsspektrum eines schwarzen Körpers hochpräzise bis in den THz-Bereich hinein zu vermessen. Bei einem Besuch des Ehepaars Rubens beim Ehepaar Planck im Oktober des Jahres 1900 diskutierten Heinrich Rubens und Max Planck die Ergebnisse. Noch am selben Abend notierte Planck die nach ihm benannte Formel zur Beschreibung des Emissionsvermögens eines schwarzen Körpers. Dies war die Geburtsstunde der Quantenphysik. Planck sagte dazu 1923 in einer Gedenkrede auf Heinrich Rubens, der im Jahr zuvor gestorben war: "Ohne das Eingreifen von Rubens wäre die Formulierung des Strahlungsgesetzes und damit die Begründung der Quantentheorie vielleicht in ganz anderer Weise, vielleicht gar nicht einmal in Deutschland zustande gekommen."

Anwendungen in der Grundlagenforschung

Zwei Bilder einer interstellaren Wolke, in der Sternentstehung stattfindet. Die linke Aufnahme im optischen Bereich zeigt eine Wolke inmitten zahlreicher Sterne. Die rechte Aufnahme im Submillimeter-Bereich zeigt direkt außerhalb dieser Wolke eine ringförmige Ansammlung von dichten Gasklumpen. Dieses Gas ist auf dem optischen Bild nicht zu erkennen.
Sternentstehung, im optischen und THz-Bereich aufgenommen

Eine der Hauptschwierigkeiten bei der Arbeit mit THz-Strahlung ist die Absorption durch die Erdatmosphäre, im Wesentlichen durch den darin vorhandenen Wasserdampf. Sie ist so stark, dass in weiten Teilen des THz-Bereichs schon nach wenigen Metern mehr als 90 Prozent der Strahlung absorbiert werden.

Viele physikalische Phänomene und Effekte spielen sich in einem Energiebereich ab, der der Energie von THz-Strahlung entspricht. Beispielsweise haben viele Moleküle Rotationsübergänge im THz-Bereich, das heißt sie emittieren Strahlung mit THz-Wellenlängen, wenn sie von einem Rotationszustand in einen anderen übergehen. Die Energielücke vieler Supraleiter sowie die Energie von Phononen (Gitterschwingungen) und Dotierungen in Halbleitern fallen ebenfalls in diesen Frequenzbereich. Dementsprechend vielfältig sind die Anwendungen von THz-Strahlung in der Grundlagenforschung.

Insbesondere in der Astronomie wird THz-Strahlung seit fast 40 Jahren beobachtet. Sie erlaubt nicht nur den Nachweis spezieller Moleküle im interstellaren Medium, sondern ermöglicht auch die Bestimmung von deren Temperatur und Dichte. Allerdings hat die hohe Absorption der THz-Strahlung in der Erdatmosphäre zur Folge, dass solche Beobachtungen nur von hochgelegenen Teleskopen oder von Flugzeugen bzw. Satelliten aus möglich sind. Ein weiteres wichtiges Anwendungsgebiet von THz-Strahlung ist die Bestimmung von Molekülen und deren Höhenverteilung in der Atmosphäre von Planeten. Messungen der Erdatmosphäre erlauben es insbesondere, Daten zu gewinnen, mit denen ein verbessertes Verständnis des Ozonlochs und der Erderwärmung möglich ist.

Kommerzielle Anwendungen

Sieben Bilder einer Streichholzschachtel: Vier herkömmliche Fotos zeigen einmal die äußere Schachtelhülle, dreimal den Innenteil der Schachtel mit unterschiedlichem Inhalt. Die anderen drei Bilder wurde mit Terahertz-Wellen aufgenommen. In farbig dargestellten, leicht verschwommenen Umrissen sind darauf ein rechteckiges Objekt, eine Büroklammer sowie ein kreisförmiges Objekt zu erkennen.
Streichholzschachtel im Licht von THz-Wellen

Der technologische Fortschritt der vergangenen Jahre in Elektronik und Optik führte dazu, dass immer leistungsfähigere Strahlungsquellen und Detektoren im THz-Bereich zur Verfügung stehen. Damit ist die Grundlage für eine wirtschaftliche Nutzung der THz-Technologie gelegt. Für diese Anwendungen werden drei wesentliche Eigenschaften von THz-Wellen genutzt: ihre Fähigkeit, zahlreiche Materialien wie Kunststoff und Kleidung zu durchdringen; die Tatsache, dass Explosivstoffe aber auch Pharmazeutika charakteristische THz-Spektren haben; und die Tatsache, dass THz-Strahlung aufgrund ihrer geringen Energie nicht ionisierend ist.

Die Grafik zeigt drei Kurven mit unterschiedlichen Verläufen. Aufgetragen ist der Logarithmus der Absorption als Funktion der Frequenz der Terahertz-Strahlung.
THz-Spektren verschiedener Wirkstoffe

Vielversprechende Anwendungsgebiete liegen in der Sicherheitstechnik, in der zerstörungsfreien Prüfung und in der industriellen Inspektion. Bei den Sicherheitsanwendungen besteht das Ziel darin, am Körper verborgene, sicherheitsrelevante Gegenstände zu identifizieren, ohne die Privatsphäre der Person zu verletzen. Ermöglicht wird dies durch die besonderen Durchdringungseigenschaften von THz-Wellen sowie die Tatsache, dass sie für den Menschen ungefährlich sind. In ähnlicher Weise können auch Kunststoffe, die gut mit THz-Wellen durchleuchtet werden können, untersucht werden. Das wohl bekannteste Beispiel ist die Qualitätsüberprüfung der Kunststoffisolierung am Space Shuttle, die mit THz-Strahlung erfolgt.

Weitere Anwendungsgebiete liegen in der Biomedizin, wo an neuen Diagnoseverfahren, zum Beispiel für Krebs, gearbeitet wird. Auch in der Kommunikationstechnik eröffnen THz-Wellen neue Möglichkeiten, da sie eine erheblich größere Übertragungsbandbreite und damit höhere Datentransferraten erlauben, als es derzeit bei der drahtlosen Übertragung mittels kleinerer Frequenzen der Fall ist. Die hohe Absorption von THz-Wellen in der Atmosphäre beschränkt diese Anwendung allerdings auf die Kommunikation innerhalb von Gebäuden.