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Terahertz-Metrologie

PTB-Mitteilungen 3/2010

Terahertz-Metrologie

Wolfgang Buck

Das sogenannte Terahertz-Frequenzband des elektromagnetischen Spektrums wurde jüngst in der Öffentlichkeit hauptsächlich mit dem Thema "Nacktscanner" in Verbindung gebracht, eine Assoziation, die weniger unter dem Gesichtspunkt einer technischen Neuerung als unter einem möglichen Eingriff in die Intimsphäre zur Erhöhung der Sicherheit im Flugverkehr Furore machte. Diese sicherheitstechnischen Anwendungen sind vorwiegend am unteren Ende des mit Terahertz bezeichneten Frequenzbandes von 0,3 THz bis 10 THz (1 THz = 1 000 000 000 000 Hz) bzw. in Wellenlängen ausgedrückt von 1 mm bis 30 µm angesiedelt und überdies nur der spektakulärste Bereich des zunehmenden kommerziellen Einsatzes von THz-Strahlung. Das steigende Interesse an der Nutzung eines Frequenzbands, das in der Vergangenheit, weil nicht nutzbar, eher mit dem häufig zitierten Begriff der "Terahertz-Lücke" [1] in Zusammenhang gebracht wurde, hat die PTB bewogen, den Stand der Metrologie auf diesem Gebiet kritisch zu prüfen und Forschungsarbeiten zu initiieren, die den künftigen Erfordernissen von Wissenschaft und Industrie gerecht werden. Die Erhöhung von Genauigkeit und Zuverlässigkeit sowie die Rückführung der THz-Messtechnik auf die Einheiten des SI-Systems standen dabei im Vordergrund – eben das Kerngeschäft der PTB.

Terahertz-Technologie an der Schwelle von wissenschaftlichen Anwendungen zu kommerzieller Nutzung

Heinz-Wilhelm Hübers

Der Terahertz (THz)-Spektralbereich liegt im elektromagnetischen Spektrum zwischen den Millimeter-Wellen und der Infrarot-Strahlung. Typischerweise werden darunter Frequenzen von 0,3 THz, entsprechend einer Wellenlänge von 1 mm, und ca. 10 THz (30 μm) verstanden. Eine strenge Definition dieses Spektralbereichs existiert jedoch nicht. Andere, früher gebräuchliche Begriffe sind Submillimeter- und Ferninfrarot-Strahlung. Letzterer bezeichnet in Deutschland gemäß der DIN 5031 den Wellenlängenbereich von 50 μm bis 1 mm. In den vergangenen Jahren haben die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten in diesem Spektralbereich rasant zugenommen und zu einer Reihe von technologischen Durchbrüchen geführt, die die Grundlage für eine breite wissenschaftliche sowie wirtschaftliche Nutzung von THz-Technologie legen. Der THz-Spektralbereich steht heute an der Schwelle von rein akademischer Forschung zu kommerziellen Anwendungen

THz-Radiometrie

Andreas Steiger, Berndt Gutschwager, Christian Monte, Ralf Müller, Jörg Hollandt

Radiometrie ist die Wissenschaft der quantitativen Messung optischer Strahlung und ihrer Anwendungen über einen Bereich von fünf Größenordnungen des elektromagnetischen Spektrums mit Frequenzen zwischen 3 · 1011 Hz und 3 · 1016 Hz. Die Wellenlänge der optischen Strahlung überdeckt dabei den Bereich von 10 nm bis 1000 µm. Die Grenze im fernen Infrarot bildet die Hochfrequenzelektronik und im extremen UV die Röntgenmesstechnik. Die Radiometrie ist mit der Fotometrie verwandt, der Lichtmessung im zentralen sichtbaren Bereich.

Supraleitende Bolometer für die Terahertz-Detektion

Joern Beyer, Christian Monte

Strahlungsdetektoren auf der Basis supraleitender Thermistoren, sogenannter transition edge sensors (TESs), gestatten die Realisierung von optimierten und hochempfindlichen Bolometern und Kalorimetern für die Strahlungsdetektion über weite Bereiche des elektromagnetischen Spektrums, von der Messung niedrigster optischer Leistungen in der Größenordung einiger Photonen [1] im THz-Bereich bis zur hochauflösenden energiedispersiven Detektion von Gammaquanten. Die Technologieentwicklung für die Herstellung von TES-Bolometersystemen wurde und wird insbesondere für astrophysikalische Instrumente, z. B. Bolometerkameras für die Submillimeter-Astronomie wie SCUBA-2 [2] und in jüngerer Zeit für sicherheitstechnische Anwendungen im THz-Bereich [3], intensiv vorangetrieben. Die Verwendung der aus der Mikromechanik entlehnten Siliziumnitrid-Membranen-Technologie zur Herstellung mikromechanischer Strukturen mit definierter thermischer Leitfähigkeit im Tieftemperaturbereich [4] sowie die Verfügbarkeit von kompakten und leistungsfähigen Kühlmaschinen für den Arbeitstemperaturbereich der TESs von 10 mK bis 4 K haben die Entwicklung und Anwendung der TES-Strahlungsmesstechnik in jüngerer Zeit sehr befördert. Darüber hinaus sind SQUIDStromsensoren entwickelt worden, die speziell für die Auslesung von TES-Strahlungsdetektoren angepasst sind. Die Entwicklung von TESBolometern in der PTB hat das Ziel, Detektoren für den Ferninfrarot(FIR)/THz-Spektralbereich herzustellen, die linearer und empfindlicher als konventionelle Halbleiter-Bolometer sind, wie sie derzeit in kommerziellen Messsystemen für die Fourier-Transform-Spektroskopie verwendet werden.

Numerische Feldberechnungen für die Dosimetrie bei Feldexpositionen in vitro im THz-Frequenzbereich

Christian Jastrow, Thomas Kleine-Ostmann, Thorsten Schrader

Mit der zunehmenden Anzahl von neu auf den Markt kommenden Anwendungen, auf Basis von Terahertz-Strahlung (z. B. im Bereich der Datenübertragung [1] sowie in der Spektroskopie, Qualitäts- und Sicherheitskontrolle [2]), stellt sich die Frage nach dem Gesundheitsschutz in nicht-ionisierenden elektromagnetischen Feldern auch im Sub-Millimeterwellenbereich [3]. Auch in diesem Frequenzbereich ist es, wie bei den vielfältig verwendeten niedrigeren Frequenzen, nach wie vor unklar, ob nicht-ionisierende Strahlung mit Leistungsdichten unterhalb der thermischen Schädigungsgrenze nachteilige Wirkungen auf lebende Organismen haben kann. Die Internationale Strahlenschutzkomission (International Commission for Non-Ionizing Radiation Protection – ICNIRP) limitiert die Leistungsflussdichte für die allgemeine Exposition der Bevölkerung für den Frequenzbereich zwischen 2 GHz und 300 GHz auf 1 mW/cm2 [4, 5, 6]. Der Grenzwert basiert auf der thermischen Schädigungsgrenze, die ausführlich bisher nur im Mikrowellenfrequenzbereich untersucht wurde. Oberhalb von 300 GHz existieren bisher keine Grenzwerte für die allgemeine Exposition der Bevölkerung.

Messtechnische Charakterisierung von Übertragungskanälen bei 300 GHz

Sebastian Priebe, Christian Jastrow, Thomas Kleine-Ostmann, Thorsten Schrader

Die vergangenen Jahre haben einen zuvor nie da gewesenen Schub in der Entwicklung und dem Einsatz drahtloser Kommunikationstechnik erlebt. Die Flexibilität der Drahtloskommunikation ermöglicht eine Vielzahl neuer Anwendungen in unserer zunehmend von der Übertragung und Verarbeitung von Informationen geprägten Gesellschaft. Durch das verstärkte Aufkommen neuartiger ultrabreitbandiger Multimediaanwendungen geht das generelle Interesse an Mobilkommunikation einher mit einem stetig steigenden Bedarf an höheren Datenraten. Diese haben sich in den letzten drei Jahrzehnten alle 18 Monate verdoppelt, so dass die Geschwindigkeit nomadischer Anwendungen die Kapazität drahtgebundener Kommunikationssysteme bald erreichen und überholen wird [1]. Die Extrapolation der exponentiellen Zunahme drahtloser Übertragungskapazitäten während der vergangenen Jahre führt schnell zu der Einsicht, dass bereits in 10 Jahren Datenraten von etwa 15 GBit/s benötigt werden. Trotz intensiver Bemühungen, die spektrale Effizienz digitaler Modulationsverfahren weiter zu steigern, wird es zunehmend schwierig, den steigenden Bedarf an hohen Datenraten zu erfüllen, zumal es inzwischen nicht mehr gelingt, genügend freie Bandbreite im Frequenzverteilungsplan unterzubringen, der derzeit die Nutzung der Frequenzen bis 275 GHz regelt [2].

Symmetrieuntersuchungen von Halbleiternanostrukturen mittels THz-Spektroskopie

Shekhar Priyadarshi, Klaus Pierz, Uwe Siegner, Mark Bieler

Die Möglichkeit zu spektroskopischen Messungen im THz-Bereich hat sich im letzten Jahrzehnt rapide weiterentwickelt. Dies liegt unter anderem an der Kostenreduzierung aber auch an den baulichen Vereinfachungen von THz-Quellen und Detektoren. So gibt es heutzutage bereits viele kommerzielle Anbieter von solchen Geräten und sogar von kompletten Systemen für die THz-Spektroskopie. Dies betrifft sowohl breitbandige, zeitaufgelöste wie auch schmalbandige, zeitintegrierende Systeme. Als typische für den Massenmarkt taugliche Anwendungen sind zuallererst ortsauflösende Spektroskopiesysteme beispielsweise für die Qualitätskontrolle oder die Sicherheitstechnik zu nennen [1, 2].

Die Metrology Light Source – eine Strahlungsquelle für die THz-Metrologie

Ralph Müller, Arne Hoehl, Roman Klein, Anton Serdyukov, Gerhard Ulm, Jörg Feikes, Michael von Hartrott, Godehard Wüstefeld

Die Nutzung von Infrarotstrahlung an Elektronenspeicherringen gewinnt zunehmend an Bedeutung [1, 2]. Weltweit gibt es an ungefähr 25 Speicherringen dedizierte IR-Strahlrohre. Gründe dafür sind, dass Synchrotronstrahlung im IR-Bereich mehrere Vorteile gegenüber konventionellen thermischen IR-Quellen hat: (1) einen höheren Photonenfluss im fernen infraroten Spektralbereich (FIR), (2) eine höhere Brillanz über den gesamten IR-Bereich, (3) sie ist gepulst mit Pulslängen im ps-Bereich, (4) die Strahlung ist polarisiert, und an wenigen Speicherringen in der Welt besteht (5) die Möglichkeit der Erzeugung kohärenter Synchrotronstrahlung im langwelligen Bereich des FIR, d. h. im Sub-Terahertz-/ Terahertzbereich (THz) mit einer um bis zu neun Größenordnungen höheren Intensität im Vergleich zur üblichen inkohärenten Synchrotronstrahlung [3 - 5].