Terahertz-Wellen liegen größtenteils am fernen Ende des Infrarotbereichs, die längsten im Mikrowellenbereich.

Terahertzstrahlung – auch bekannt als Submillimeterstrahlung , Terahertzwellen , extrem hohe Frequenz [ 1 ] ( THF ), T-Strahlen , T-Wellen , T-Licht , T-Lux oder THz  – besteht aus elektromagnetischen Wellen innerhalb des von der Internationalen Fernmeldeunion (ITU) festgelegten Frequenzbandes von 0,1 bis 10  Terahertz (THz) [ 2 ] (in älteren Texten von 0,3 bis 3  Terahertz (THz) [ 3 ] , was heute als „Dezimillimeterwellen“ [ 4 ] bezeichnet wird ), wobei die obere Grenze etwas willkürlich ist und von einigen Quellen mit 30 THz angegeben wird. [ 5 ]

Ein Terahertz entspricht 10 <sup>12</sup>  Hz oder 1000 GHz. Die Wellenlängen der Strahlung im Dezimeterbereich reichen entsprechend von 1 mm bis 0,1 mm = 100 μm, die im Terahertzbereich von 3 mm = 3000 μm bis 30 μm. Da Terahertz-Strahlung bei einer Wellenlänge von etwa 1 Millimeter beginnt und zu kürzeren Wellenlängen übergeht, wird sie – insbesondere in der Astronomie – auch als Submillimeterbereich bezeichnet . Dieser Bereich elektromagnetischer Strahlung liegt im Übergangsbereich zwischen Mikrowellen und fernem Infrarot und kann daher beiden zugeordnet werden.

Im Vergleich zu niedrigeren Radiofrequenzen wird Terahertzstrahlung stark von den Gasen der Atmosphäre absorbiert . In Luft wird der größte Teil ihrer Energie innerhalb weniger Meter abgeschwächt [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] , weshalb sie für die terrestrische Funkkommunikation über große Entfernungen unpraktisch ist . Sie kann dünne Materialschichten durchdringen, wird aber von dickeren Objekten blockiert. Terahertz-Strahlen, die Materialien durchdringen, können zur Materialcharakterisierung , Schichtinspektion, Reliefmessung [ 9 ] und als energieärmere Alternative zu Röntgenstrahlen zur Erzeugung hochauflösender Bilder des Inneren fester Objekte eingesetzt werden [ 10 ] .

Terahertzstrahlung befindet sich in einem Zwischenbereich, in dem sich die Frequenzspektren von Mikrowellen und Infrarotlicht überlappen – der sogenannten „ Terahertz-Lücke “. Diese wird als „Lücke“ bezeichnet, da die Technologie zu ihrer Erzeugung und Manipulation noch in den Anfängen steckt. Die Erzeugung und Modulation elektromagnetischer Wellen in diesem Frequenzbereich ist mit herkömmlichen elektronischen Geräten zur Erzeugung von Radiowellen und Mikrowellen nicht mehr möglich, weshalb die Entwicklung neuer Geräte und Verfahren erforderlich ist.

Beschreibung

Da in THz-TDS-Systemen die Zeitbereichsversion des THz-Signals verfügbar ist, können die Verzerrungseffekte der Beugung unterdrückt werden. [ 11 ]

Terahertzstrahlung liegt im elektromagnetischen Spektrum zwischen Infrarot- und Mikrowellenstrahlung und weist einige Gemeinsamkeiten mit beiden auf. Sie breitet sich geradlinig aus und ist nicht ionisierend . Wie Mikrowellen kann Terahertzstrahlung eine Vielzahl nichtleitender Materialien durchdringen , darunter Kleidung, Papier, Pappe , Holz, Mauerwerk , Kunststoff und Keramik . Die Eindringtiefe ist jedoch typischerweise geringer als die von Mikrowellenstrahlung. Ähnlich wie Infrarotstrahlung dringt Terahertzstrahlung nur begrenzt durch Nebel und Wolken und kann weder flüssiges Wasser noch Metalle durchdringen. [ 12 ] Terahertzstrahlung kann, ähnlich wie Röntgenstrahlen, eine gewisse Strecke durch Körpergewebe dringen, ist aber im Gegensatz zu diesen nicht ionisierend und daher als Alternative zu medizinischen Röntgenaufnahmen interessant. Aufgrund ihrer längeren Wellenlänge weisen mit Terahertzwellen erzeugte Bilder eine geringere Auflösung als Röntgenbilder auf und müssen nachbearbeitet werden (siehe Abbildung rechts). [ 11 ]

Die Erdatmosphäre absorbiert Terahertz-Strahlung stark, weshalb deren Reichweite in der Luft auf wenige zehn Meter begrenzt ist und sie sich daher nicht für die Kommunikation über große Entfernungen eignet. In Entfernungen von etwa 10 Metern bietet das Frequenzband jedoch weiterhin zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten in der Bildgebung und beim Aufbau drahtloser Netzwerke mit hoher Bandbreite , insbesondere in Innenräumen. Die Erzeugung und der Nachweis kohärenter Terahertz-Strahlung stellen nach wie vor eine technische Herausforderung dar, obwohl im Bereich von 0,3–1,0 THz (dem unteren Teil des Spektrums) mittlerweile kostengünstige kommerzielle Quellen existieren, darunter Gyrotrons , Rückwärtswellenoszillatoren und Resonanz-Tunneldioden . Aufgrund der geringen Energie von THz-Photonen benötigen aktuelle THz-Geräte niedrige Betriebstemperaturen, um Umgebungsgeräusche zu unterdrücken. Daher wurden in der THz-Forschung enorme Anstrengungen unternommen, um die Betriebstemperatur mithilfe verschiedener Strategien, wie beispielsweise optomechanischer Metabauelemente, zu verbessern. [ 13 ] [ 14 ]

Quellen

Natürlich

Terahertz-Strahlung wird als Teil der Schwarzkörperstrahlung von Objekten mit einer Temperatur von über etwa 2  Kelvin emittiert . Obwohl diese thermische Emission sehr schwach ist, sind Beobachtungen in diesem Frequenzbereich wichtig für die Charakterisierung von kaltem  kosmischem Staub mit Temperaturen von 10–20 K in interstellaren Wolken der Milchstraße und in fernen Starburst-Galaxien .

Zu den in diesem Spektralbereich arbeitenden Teleskopen gehören das James-Clerk-Maxwell-Teleskop , das Caltech-Submillimeter-Observatorium und das Submillimeter Array am Mauna-Kea-Observatorium auf Hawaii, das Ballonteleskop BLAST , das Herschel-Weltraumobservatorium , das Heinrich-Hertz-Submillimeter-Teleskop am Mount-Graham-International-Observatorium in Arizona sowie das Atacama Large Millimeter Array . Aufgrund des Absorptionsspektrums der Erdatmosphäre ist der Einsatz dieser Observatorien für Submillimeterstrahlung auf sehr hoch gelegene Standorte oder den Weltraum beschränkt. [ 15 ] [ 16 ]

Künstlich

Dendrimer-Dipolanregungsmechanismus (DDE) – Der Rahman-Tomalia-Effekt

Stand 2012 sind als praktikable Terahertz-Strahlungsquellen das Gyrotron , der Rückwärtswellenoszillator („BWO“), der Molekülgas -Ferninfrarotlaser , Schottky-Dioden- Multiplikatoren, [ 17 ] Varaktor- ( Varicap- )Multiplikatoren, Quantenkaskadenlaser , [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] der Freie-Elektronen-Laser , Synchrotronlichtquellen , Photomischquellen , Einzelzyklus- oder Pulsquellen, die in der Terahertz-Zeitbereichsspektroskopie verwendet werden , wie z. B. photoleitende, Oberflächenfeld-, Photo-Dember- und optische Gleichrichteremitter, [ 22 ] und elektronische Oszillatoren auf Basis von Resonanz-Tunneldioden, die bis zu 1,98 THz arbeiten können. [ 23 ] Rechts: Abbildung des Dendrimer-Dipol-Anregungsmechanismus (DDE) für einen Breitband-30-THz-Emitter, der für subnanometergenaue 3D-Bildgebung und -Spektroskopie verwendet wird. [ 24 ]

Es gibt bereits seit vielen Jahren Festkörperquellen für Millimeter- und Submillimeterwellen. AB Millimeter in Paris beispielsweise produziert ein System, das den gesamten Frequenzbereich von 8 GHz bis 1000 GHz mit Festkörperquellen und -detektoren abdeckt. Heutzutage werden die meisten Messungen im Zeitbereich mit ultraschnellen Lasern durchgeführt.

Mitte 2007 gaben Wissenschaftler des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums zusammen mit Kollegen in der Türkei und Japan die Entwicklung eines kompakten Geräts bekannt, das die Entwicklung tragbarer, batteriebetriebener Terahertz-Strahlungsquellen ermöglichen könnte. [ 25 ] Das Gerät verwendet Hochtemperatur-Supraleiterkristalle, die an der Universität Tsukuba in Japan gezüchtet wurden. Diese Kristalle bestehen aus Stapeln von Josephson-Kontakten , die den sogenannten Josephson-Effekt aufweisen : Wird eine externe Spannung angelegt, fließt ein Wechselstrom mit einer zur Spannung proportionalen Frequenz durch die Kontakte. Dieser Wechselstrom induziert ein elektromagnetisches Feld . Bereits eine geringe Spannung (etwa zwei Millivolt pro Kontakt) kann Frequenzen im Terahertz-Bereich erzeugen.

Im Jahr 2008 gelang es Ingenieuren der Harvard University, mit einer Halbleiterquelle mehrere hundert Nanowatt kohärente Terahertz-Strahlung bei Raumtemperatur zu emittieren. Die THz-Strahlung wurde durch nichtlineare Mischung zweier Moden in einem Quantenkaskadenlaser im mittleren Infrarotbereich erzeugt . Bisherige Quellen benötigten kryogene Kühlung, was ihren Einsatz im Alltag stark einschränkte. [ 26 ]

Im Jahr 2009 wurde entdeckt, dass das Abziehen von Klebeband unpolarisierte Terahertz-Strahlung mit einem schmalen Maximum bei 2 THz und einem breiteren Maximum bei 18 THz erzeugt. Der Entstehungsmechanismus beruht auf der triboelektrischen Aufladung des Klebebands und der anschließenden Entladung. Es wurde vermutet, dass dabei Bremsstrahlung mit Absorption oder Energiedichtefokussierung während des dielektrischen Durchschlags eines Gases eine Rolle spielt. [ 27 ]

Im Jahr 2013 entwickelten Forscher des Labors für drahtlose Breitbandnetzwerke am Georgia Institute of Technology und der Polytechnischen Universität Katalonien ein Verfahren zur Herstellung einer Graphenantenne : eine Antenne, die aus 10 bis 100 Nanometer breiten und einem Mikrometer langen Graphenstreifen geformt wird. Eine solche Antenne könnte zur Aussendung von Radiowellen im Terahertz-Frequenzbereich verwendet werden. [ 28 ] [ 29 ]

Terahertz-Lücke

Bis zur Herstellung eines elektrooptischen Dipol-Dendrimer-Anregungs-Emitters (EO-DDE [ 30 ] ) im Jahr 2008 existierten keine praktikablen Technologien zur Erzeugung und zum Nachweis von Strahlung im Terahertz- Bereich, der sogenannten „ Terahertz-Lücke“ . Diese Lücke wurde zuvor mit 0,1 bis 10 THz ( Wellenlängen von 3 mm bis 30 μm) definiert, wobei die obere Grenze von einigen Quellen bei 30 THz (einer Wellenlänge von 10 μm) angegeben wird. [ 31 ] Bis zur Implementierung des DDE-Emitters [ 30 ] durch Applied Research & Photonics (ARP) Inc. im Jahr 2008 waren nutzbare Technologien zur Leistungserzeugung und zum Empfang von Strahlung im Frequenzbereich von 0,1 bis 30 THz ineffizient und nicht realisierbar. Seit 2008 produziert ARP kommerziell 3D-Bildgebungs- und Spektroskopiegeräte mit Subnanometer-Auflösung, bekannt als TeraSpectra.

Die Massenproduktion von Geräten in diesem Frequenzbereich und der Betrieb bei Raumtemperatur (bei der die Energie kT der Energie eines Photons mit einer Frequenz von 6,2 THz entspricht ) sind größtenteils unpraktisch. Dadurch entsteht eine Lücke zwischen ausgereiften Mikrowellentechnologien im höchsten Frequenzbereich des Radiospektrums und der hochentwickelten optischen Technik von Infrarotdetektoren im niedrigsten Frequenzbereich. Diese Strahlung wird hauptsächlich in kleinen, spezialisierten Anwendungen wie der Submillimeterastronomie eingesetzt . Seit dem späten 20. Jahrhundert wird an der Lösung dieses Problems geforscht . [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ] [ 35 ] [ 36 ]

Im Jahr 2024 veröffentlichten deutsche Forscher ein Experiment [ 37 ] , in dem ein TDLAS-Experiment bei 4,75 THz in „Infrarotqualität“ mit einem ungekühlten pyroelektrischen Empfänger durchgeführt wurde. Als THz-Quelle diente ein cw-DFB-QC-Laser, der bei 43,3 K mit Laserströmen zwischen 480 mA und 600 mA betrieben wurde.

Schließung der Terahertz-Lücke

Siehe DDE [ 30 ] als Ausnahme zu: „Die meisten Vakuumelektronikgeräte zur Mikrowellenerzeugung lassen sich für den Betrieb im Terahertz-Bereich modifizieren, darunter Magnetron [ 38 ] , Gyrotron [ 39 ] , Synchrotron [ 40 ] und Freie-Elektronen-Laser [ 41 ] . “ Auch Mikrowellendetektoren wie die Tunneldiode wurden für den Terahertz- [ 42 ] und Infrarotbereich [ 43 ] weiterentwickelt . Viele dieser Geräte befinden sich jedoch noch im Prototypenstadium, sind nicht kompakt oder existieren nur in universitären oder staatlichen Forschungslaboren, ohne dass die Kosteneinsparungen durch Massenproduktion genutzt werden können.

Forschung

Molekularbiologie

Terahertz-Strahlung weist Frequenzen auf, die mit den Bewegungsabläufen biomolekularer Systeme während ihrer Funktion vergleichbar sind (eine Frequenz von 1 THz entspricht einer Zeitskala von 1 Pikosekunde; daher ist insbesondere der Bereich von Hunderten von GHz bis zu wenigen THz mit biomolekularen Relaxationszeiten von einigen Pikosekunden bis zu einigen Nanosekunden vergleichbar). Die Modulation biologischer und neurologischer Funktionen ist daher mit Strahlung im Bereich von Hunderten von GHz bis zu einigen THz bei relativ niedrigen Energien möglich (ohne signifikante Erwärmung oder Ionisation), wodurch sowohl positive als auch negative Effekte erzielt werden können. [ 44 ] [ 45 ]

Medizinische Bildgebung

Im Gegensatz zu Röntgenstrahlen ist Terahertzstrahlung nicht ionisierend , und ihre niedrigen Photonenenergien schädigen im Allgemeinen weder lebendes Gewebe noch die DNA . Bestimmte Frequenzen der Terahertzstrahlung können mehrere Millimeter tief in Gewebe mit geringem Wassergehalt (z. B. Fettgewebe) eindringen und reflektiert werden. Terahertzstrahlung kann zudem Unterschiede im Wassergehalt und in der Dichte eines Gewebes erfassen. Solche Methoden könnten die effektive Erkennung von Epithelkrebs mittels eines sicheren, nicht-invasiven und schmerzfreien Bildgebungssystems ermöglichen. [ 46 ] Angesichts der Nachfrage nach COVID-19-Screening wurde die Terahertz-Spektroskopie und -Bildgebung als schnelles Screening-Verfahren vorgeschlagen. [ 47 ] [ 48 ]

Die ersten mit Terahertz-Strahlung erzeugten Bilder stammen aus den 1960er Jahren; allerdings erregten 1995 Bilder, die mit Terahertz-Zeitbereichsspektroskopie erzeugt wurden , großes Interesse.

Bestimmte Frequenzen der Terahertz-Strahlung können für die 3D-Bildgebung von Zähnen verwendet werden und sind möglicherweise genauer als die herkömmliche Röntgenbildgebung in der Zahnmedizin .

Sicherheit

Terahertzstrahlung durchdringt Textilien und Kunststoffe und kann daher zur Überwachung , beispielsweise bei Sicherheitskontrollen , eingesetzt werden, um verdeckte Waffen am Körper einer Person aus der Ferne aufzuspüren . Dies ist besonders interessant, da viele relevante Materialien einzigartige spektrale „Fingerabdrücke“ im Terahertzbereich aufweisen. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, spektrale Identifizierung mit Bildgebung zu kombinieren. Im Jahr 2002 erstellte das Star-Tiger-Team der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) [ 49 ] am Rutherford Appleton Laboratory (Oxfordshire, Großbritannien) das erste passive Terahertz-Bild einer Hand. [ 50 ] Bereits 2004 demonstrierte ThruVision Ltd., ein Spin-off des Council for the Central Laboratory of the Research Councils (CCLRC) Rutherford Appleton Laboratory, die weltweit erste kompakte Terahertz-Kamera für Sicherheitskontrollen. Das Prototypsystem bildete erfolgreich unter der Kleidung verborgene Schusswaffen und Sprengstoffe ab. [ 51 ] Die passive Detektion von Terahertz-Signalen umgeht die Bedenken hinsichtlich des Schutzes der körperlichen Unversehrtheit, die bei anderen Detektionsverfahren auftreten, da sie auf einen sehr spezifischen Bereich von Materialien und Objekten ausgerichtet ist. [ 52 ] [ 53 ]

Im Januar 2013 kündigte das NYPD Pläne an, mit der neuen Technologie zur Erkennung verdeckter Waffen zu experimentieren . [ 54 ] Daraufhin reichte der in Miami ansässige Blogger und Datenschutzaktivist Jonathan Corbett noch im selben Monat beim Bundesgericht in Manhattan Klage gegen die Behörde ein und beanstandete deren Einsatz: „Seit Jahrtausenden schützen Menschen ihre Intimsphäre mit Kleidung und erwarten daher zu Recht, dass alles, was sich unter ihrer Kleidung befindet, geschützt ist, da kein Mensch hindurchsehen kann.“ Er beantragte eine gerichtliche Verfügung, die den Einsatz der Technologie ohne hinreichenden Verdacht oder begründeten Tatverdacht untersagen sollte. [ 55 ] Anfang 2017 erklärte die Behörde, sie habe keinerlei Absicht, die ihr von der Bundesregierung zur Verfügung gestellten Sensoren jemals einzusetzen. [ 56 ]

Wissenschaftliche Nutzung und Bildgebung

Neben ihrer derzeitigen Anwendung in der Submillimeterastronomie könnte die Terahertz- Strahlungsspektroskopie neue Informationsquellen für die Chemie und Biochemie liefern . [ 57 ]

Neuere Methoden der Terahertz-Zeitbereichsspektroskopie (THz-TDS) und der Terahertz-Tomographie ermöglichen die Abbildung von Proben, die im sichtbaren und nahinfraroten Spektralbereich undurchsichtig sind. Die Anwendbarkeit der THz-TDS ist jedoch bei sehr dünnen Proben oder Proben mit geringer Absorption eingeschränkt , da sich die durch die Probe verursachten Änderungen des Terahertz-Pulses nur schwer von solchen unterscheiden lassen, die durch langfristige Schwankungen der Anregungslaserquelle oder des Experiments bedingt sind . Da die THz-TDS jedoch kohärente und spektral breite Strahlung erzeugt, können die so gewonnenen Bilder deutlich mehr Informationen enthalten als herkömmliche Bilder, die mit einer Einzelfrequenzquelle erzeugt werden.

Submillimeterwellen werden in der Physik zur Untersuchung von Materialien in hohen Magnetfeldern eingesetzt, da bei hohen Feldstärken (über etwa 11  Tesla ) die Larmor-Frequenzen des Elektronenspins im Submillimeterbereich liegen. Viele Labore, die mit hohen Magnetfeldern arbeiten, führen diese Hochfrequenz -EPR- Experimente durch, beispielsweise das National High Magnetic Field Laboratory (NHMFL) in Florida.

Mithilfe von Terahertzstrahlung könnten Kunsthistoriker Wandmalereien in jahrhundertealten Gebäuden sehen, die unter Putz- oder Farbschichten verborgen sind, ohne die Kunstwerke zu beschädigen. [ 58 ]

Darüber hinaus wurde die THz-Bildgebung mit Linsenantennen durchgeführt, um ein Radiobild des Objekts aufzunehmen. [ 59 ] [ 60 ]

Teilchenbeschleuniger

Neue Teilchenbeschleuniger, die Beschleunigungsgradienten von mehreren Gigaelektronenvolt pro Meter (GeV/m) erreichen können, sind von größter Bedeutung, um die Größe und Kosten zukünftiger Hochenergie-Collider-Generationen zu reduzieren und die Verfügbarkeit kompakter Beschleunigertechnologie auch kleineren Laboren weltweit zu ermöglichen. Gradienten in der Größenordnung von 100 MeV/m wurden bereits mit konventionellen Verfahren erzielt, sind jedoch durch den HF-induzierten Plasmadurchbruch begrenzt. [ 61 ] Strahlgetriebene dielektrische Wakefield-Beschleuniger (DWAs) [ 62 ] [ 63 ] arbeiten typischerweise im Terahertz-Frequenzbereich, wodurch die Plasmadurchbruchsschwelle für elektrische Oberflächenfelder in den Bereich von mehreren GV/m verschoben wird. [ 64 ] Die DWA-Technik ermöglicht die Aufnahme einer signifikanten Ladungsmenge pro Bunch und bietet Zugang zu konventionellen Fertigungstechniken für die Beschleunigungsstrukturen. Bisher wurden Beschleunigungsgradienten von 0,3 GeV/m und Verzögerungsgradienten von 1,3 GeV/m [ 65 ] mit Hilfe eines dielektrisch ausgekleideten Wellenleiters mit einer transversalen Apertur im Submillimeterbereich erreicht.

Ein Beschleunigungsgradient von mehr als 1 GeV/m kann potenziell durch den Cherenkov-Smith-Purcell-Strahlungsmechanismus [ 66 ] [ 67 ] in einer dielektrischen Kapillare mit variablem Innenradius erzeugt werden. Wenn sich ein Elektronenpaket durch die Kapillare ausbreitet, wechselwirkt sein Eigenfeld mit dem dielektrischen Material und erzeugt Nachlauffelder, die sich im Material unter dem Cherenkov-Winkel ausbreiten. Da die relative Dielektrizitätskonstante des Materials größer als 1 ist, werden die Nachlauffelder unter die Lichtgeschwindigkeit abgebremst. Die Strahlung wird dann an der metallischen Begrenzung der Kapillare reflektiert und in den Vakuumraum zurückgebeugt, wodurch hohe Beschleunigungsfelder auf der Kapillarachse mit einer charakteristischen Frequenzsignatur entstehen. Bei Vorhandensein einer periodischen Begrenzung führt die Smith-Purcell-Strahlung zu Frequenzdispersion.

Eine Vorstudie mit gewellten Kapillaren zeigte einige Veränderungen im Spektralgehalt und der Amplitude der erzeugten Nachlaufströmungen [ 68 ] , die Möglichkeit der Nutzung des Smith-Purcell-Effekts in der DWA wird jedoch noch geprüft.

Kommunikation

Die hohe atmosphärische Absorption von Terahertz-Wellen begrenzt die Reichweite der Kommunikation mit bestehenden Sendern und Antennen auf wenige zehn Meter. Die enorme, nicht zugewiesene Bandbreite in diesem Frequenzband (zehnmal so groß wie die des Millimeterwellenbereichs , hundertmal so groß wie die des SHF-Mikrowellenbereichs ) macht es jedoch für zukünftige Datenübertragung und Netzwerknutzung äußerst attraktiv. Die Erweiterung der Reichweite der Terahertz-Kommunikation durch die Atmosphäre ist mit enormen Schwierigkeiten verbunden, doch die weltweite Telekommunikationsbranche investiert massiv in die Forschung, um diese Einschränkungen zu überwinden. [ 69 ] Ein vielversprechendes Anwendungsgebiet ist der Mobilfunkstandard 6G , der den aktuellen 5G- Standard um das Jahr 2030 ablösen wird. [ 69 ] Insbesondere wird von 6G erwartet, dass es fortschrittliche Technologien wie Terahertz- und Vollduplex -Kommunikation (FD) in Kombination mit dynamischer Spektrumsnutzung nutzt, um der steigenden Nachfrage nach höheren Datenraten und effizienterer Spektrumnutzung gerecht zu werden. [ 70 ]

Bei gegebener Antennenöffnung skaliert der Gewinn von Richtantennen quadratisch mit der Frequenz, während die Energieeffizienz bei Sendern mit geringer Leistung unabhängig von der Bandbreite ist. Die Verbrauchsfaktortheorie von Kommunikationsverbindungen zeigt daher, dass – entgegen der gängigen Annahme in der Technik – die Nutzung höherer Frequenzen im Millimeterwellen- und Terahertzbereich bei fester Antennenöffnung hinsichtlich der Bitrate pro Sekunde und Watt effizienter ist. [ 69 ] Kleine Richtantennen mit wenigen Zentimetern Durchmesser können sehr schmale, bündelartige Terahertz-Strahlungen erzeugen, und Phased-Array- Antennen mit mehreren Antennen können nahezu die gesamte Ausgangsleistung auf die Empfangsantenne konzentrieren und so die Kommunikation über größere Entfernungen ermöglichen.

Im Mai 2012 veröffentlichte ein Forscherteam des Tokyo Institute of Technology [ 71 ] in Electronics Letters die Ergebnisse eines neuen Rekords für drahtlose Datenübertragung mittels Terahertz-Strahlung. Die Forscher schlugen vor, diese zukünftig als Bandbreite für die Datenübertragung zu nutzen. [ 72 ] Das Prototypgerät des Teams verwendete einen resonanten Tunneldioden- Oszillator (RTD) mit negativem Widerstand zur Erzeugung von Wellen im Terahertz-Bereich. Mit dieser RTD sendeten die Forscher ein Signal mit 542 GHz und erreichten damit eine Datenübertragungsrate von 3 Gigabit pro Sekunde. [ 72 ] Dies verdoppelte den im November 2011 aufgestellten Rekord. [ 73 ] Die Studie legte nahe, dass die Reichweite von WLAN mit diesem System auf etwa 10 Meter begrenzt wäre, aber Datenübertragungsraten von bis zu 100 Gbit/s ermöglichen könnte. [ 72 ] Im Jahr 2011 entwickelten der japanische Elektronikkomponentenhersteller Rohm und ein Forschungsteam der Universität Osaka einen Chip, der mit Terahertz-Strahlung Datenübertragungsraten von 1,5 Gbit /s ermöglicht. [ 74 ] Im Jahr 2017 gelang es Forschern der Brown University, zwei Videos mit einer Geschwindigkeit von 50 Gbit/s mithilfe eines Terahertz-Multiplexers zu übertragen – deutlich schneller als die Übertragungsgeschwindigkeit aktueller Mobilfunknetze. [ 75 ]

Potenzielle Anwendungsgebiete sind die Höhenfernkommunikation, oberhalb von Höhen, in denen Wasserdampf die Signalabsorption verursacht: Flugzeug- Satellit oder Satellit-Satellit.

Amateurfunk

Eine Reihe von Behörden erlaubt Amateurfunkexperimente im Frequenzbereich von 275–3.000 GHz oder sogar bei höheren Frequenzen auf nationaler Ebene. Die Lizenzbedingungen basieren in der Regel auf RR5.565 der ITU-Funkordnung . Funkamateure, die Submillimeterfrequenzen nutzen, versuchen häufig, Rekorde in der Zweiwegkommunikation aufzustellen. In den Vereinigten Staaten erreichten WA1ZMS und W4WWQ am 21. Dezember 2004 mit CW (Morsecode) einen Rekord von 1,42 Kilometern (0,88 Meilen) auf 403 GHz. In Australien erzielten die Stationen VK3CV und VK3LN am 8. November 2020 auf 30 THz eine Entfernung von 60 Metern (200 Fuß). [ 76 ] [ 77 ] [ 78 ]

Herstellung

Für die Fertigung , Qualitätskontrolle und Prozessüberwachung werden zahlreiche Einsatzmöglichkeiten der Terahertz-Sensorik und -Bildgebung vorgeschlagen . Diese nutzen im Allgemeinen die Transparenz von Kunststoffen und Karton gegenüber Terahertz-Strahlung, wodurch die Inspektion verpackter Waren ermöglicht wird . Das erste Bildgebungssystem auf Basis optoelektronischer Terahertz-Zeitbereichsspektroskopie wurde 1995 von Forschern der AT&T Bell Laboratories entwickelt und zur Erzeugung eines Transmissionsbildes eines verpackten elektronischen Chips eingesetzt. [ 79 ] Dieses System verwendete gepulste Laserstrahlen mit einer Dauer im Pikosekundenbereich. Seitdem nutzen gängige kommerzielle und Forschungs-Terahertz-Bildgebungssysteme gepulste Laser zur Erzeugung von Terahertz-Bildern. Das Bild kann entweder anhand der Dämpfung oder der Phasenverzögerung des transmittierten Terahertz-Pulses entwickelt werden. [ 80 ]

Da der Strahl an den Rändern stärker gestreut wird und verschiedene Materialien unterschiedliche Absorptionskoeffizienten aufweisen, zeigen die auf der Abschwächung basierenden Bilder Ränder und verschiedene Materialien innerhalb von Objekten an. Dieses Verfahren ähnelt der Röntgen- Transmissionsbildgebung, bei der Bilder auf der Grundlage der Abschwächung des transmittierten Strahls erstellt werden. [ 81 ]

Im zweiten Ansatz werden Terahertz-Bilder auf Basis der Laufzeitverzögerung des empfangenen Pulses erzeugt. Dickere Objektbereiche werden dabei besser erkannt, da sie eine größere Laufzeitverzögerung verursachen. Die Energie der Laserflecken ist durch eine Gauß-Funktion verteilt . Die Geometrie und das Verhalten des Gaußschen Strahls im Fraunhofer-Bereich implizieren, dass die elektromagnetischen Strahlen mit abnehmender Frequenz stärker divergieren und somit die Auflösung sinkt. [ 82 ] Dies bedeutet, dass Terahertz-Bildgebungssysteme eine höhere Auflösung als Rasterakustikmikroskope (SAM), aber eine geringere Auflösung als Röntgenbildgebungssysteme aufweisen . Obwohl Terahertz zur Inspektion verpackter Objekte eingesetzt werden kann, ist die Auflösung für detaillierte Untersuchungen zu gering. Abbildung rechts zeigt Röntgen- und Terahertz-Bilder eines elektronischen Chips. [ 83 ] Die Auflösung von Röntgenbildern ist zwar höher als die von Terahertz-Bildern, Röntgenstrahlung ist jedoch ionisierend und kann schädliche Auswirkungen auf bestimmte Objekte wie Halbleiter und lebendes Gewebe haben.

Um die geringe Auflösung von Terahertz-Systemen zu verbessern, werden Nahfeld-Terahertz-Bildgebungssysteme entwickelt. [ 84 ] [ 85 ] Bei der Nahfeld-Bildgebung muss der Detektor sehr nah an der Oberfläche positioniert werden, wodurch die Abbildung dicker Gehäuse unter Umständen nicht möglich ist. Ein weiterer Ansatz zur Erhöhung der Auflösung besteht darin, Laserstrahlen mit Frequenzen oberhalb des Terahertz-Bereichs zur Anregung der pn-Übergänge in Halbleiterobjekten zu verwenden. Die angeregten Übergänge erzeugen Terahertz-Strahlung, solange ihre Kontakte intakt sind, wodurch beschädigte Bauelemente detektiert werden können. [ 86 ] Da die Absorption bei diesem Ansatz exponentiell mit der Frequenz zunimmt, ist die Untersuchung dicker Gehäuse in Halbleitern ebenfalls unter Umständen nicht möglich. Daher muss ein Kompromiss zwischen der erreichbaren Auflösung und der Eindringtiefe des Laserstrahls in das Gehäusematerial gefunden werden.

THz-Lückenforschung

Die laufenden Untersuchungen haben zu verbesserten Emitterquellen und Detektoren geführt , und die Forschung in diesem Bereich wurde intensiviert. Es bestehen jedoch weiterhin Nachteile, darunter die beträchtliche Größe der Emitter, inkompatible Frequenzbereiche und unerwünschte Betriebstemperaturen sowie Anforderungen an Komponenten, Geräte und Detektoren, die zwischen Festkörperelektronik und Photonik liegen . [ 87 ] [ 88 ] [ 89 ]

Freie-Elektronen-Laser können ein breites Spektrum an stimulierter Emission elektromagnetischer Strahlung erzeugen , von Mikrowellen über Terahertz-Strahlung bis hin zu Röntgenstrahlung . Sie sind jedoch sperrig, teuer und ungeeignet für Anwendungen, die eine kritische Zeitgenauigkeit erfordern (wie z. B. drahtlose Kommunikation ). Weitere Terahertz-Strahlungsquellen , die derzeit intensiv erforscht werden, sind Festkörperoszillatoren (durch Frequenzvervielfachung ), Rückwärtswellenoszillatoren (BWOs), Quantenkaskadenlaser und Gyrotrons .

Sicherheit

Der Terahertz-Bereich liegt zwischen dem Radiofrequenzbereich und dem optischen Laserbereich. Sowohl die IEEE-Norm C95.1–2005 für Hochfrequenzsicherheit [ 90 ] als auch die ANSI-Norm Z136.1–2007 für Lasersicherheit [ 91 ] enthalten Grenzwerte für den Terahertz-Bereich, die jedoch beide auf Extrapolationen basieren. Es wird erwartet, dass die Auswirkungen auf biologisches Gewebe thermischer Natur sind und sich daher mit herkömmlichen thermischen Modellen vorhersagen lassen. Derzeit werden Forschungsarbeiten durchgeführt, um Daten für diesen Spektralbereich zu sammeln und die Sicherheitsgrenzwerte zu validieren.

Eine 2010 veröffentlichte theoretische Studie von Alexandrov et al. am Center for Nonlinear Studies des Los Alamos National Laboratory in New Mexico [ 92 ] erstellte mathematische Modelle zur Vorhersage der Wechselwirkung von Terahertz-Strahlung mit doppelsträngiger DNA . Die Studie zeigte, dass nichtlineare Resonanzen (die zwar deutlich seltener auftreten als schwächere, gewöhnliche Resonanzen) – obwohl die beteiligten Kräfte gering erscheinen – es Terahertz-Wellen ermöglichen könnten, doppelsträngige DNA aufzuspalten und Blasen im Doppelstrang zu erzeugen, die Prozesse wie Genexpression und DNA-Replikation erheblich beeinträchtigen könnten [ 93 ] . Eine experimentelle Überprüfung dieser Simulation erfolgte nicht. Swansons theoretische Auswertung der Alexandrov-Studie aus dem Jahr 2010 kommt zu dem Schluss, dass die DNA-Blasen unter plausiblen physikalischen Annahmen oder unter Berücksichtigung von Temperatureffekten nicht auftreten. [ 94 ] Eine 2003 veröffentlichte Literaturstudie berichtete, dass die T-Strahlungsintensität in den ersten 500 μm der Haut auf unter 1 % abfällt , betonte aber, dass „derzeit nur sehr wenige Informationen über die optischen Eigenschaften von menschlichem Gewebe bei Terahertz-Frequenzen vorliegen“. [ 95 ]

Siehe auch

Referenzen

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Weiterführende Literatur