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Weiterentwicklung von THz-Messsystemen

Es gibt eine ganze Reihe von unterschiedlichen Verfahren, um THz-Wellen zu erzeugen und nachzuweisen. Das wohl verbreitetste und leistungsfähigste ist die Generation und Detektion von THz-Pulsen mittels photoleitender Dipolantennen, die von Femtosekunden-Laserimpulsen geschaltet werden. Diese Terahertz-Zeitbereichsspektroskopie genannte Technik wurde erstmals 1989 demonstriert.

Die Femtosekundenlasersysteme, die die Laserpulse erzeugen, waren bis vor 10 Jahren noch relativ groß und teuer. Auch die Spektrometeraufbauten waren groß und anfällig gegenüber Umwelteinflüssen (Abb. 1). Demzufolge konnten sie nur in Forschungslaboratorien betrieben werden. 

Im Jahr 2006 konnte die AG Koch (damals noch an der TU Braunschweig) zeigen, dass man preisgünstige und kompakte Femtosekundenfaserlaser einsetzen kann, um THz-Zeitbereichsspektrometer zu betreiben, wenn man die THz-Antennen aus anderen Halbleitermaterialen herstellt (siehe: R. Wilk et al., CLEO 2007, Baltimore (May 2007)).

Abb. 1 zeigt ein typisches THz-Laborspektrometer (aufgenommen im Jahr 2002)

Dieser Ansatz wurde in den letzten Jahren konsequent mit Industriepartnern im Rahmen etlicher Verbundprojekte weiter entwickelt. Ein exemplarisches Ergebnis dieser Bemühungen ist in Abb. 2 zu sehen: ein portables, fasergekoppeltes THz-Zeitbereichsspektrometer, welches zur Wasserstatusbestimmung von Nutzpflanzen eingesetzt werden kann. Das System hat noch  etwa die Größe eines Kühlschranks. Die nächste Generation soll aber in einen Rucksack passen und batteriebetrieben sein. Natürlich sind fasergekoppelte THz-Zeitbereichsspektrometer inzwischen auch kommerziell verfügbar. 

Aber auch der Preis spielt bei der Akzeptanz einer Technologie eine entscheidende Rolle. Im Jahr 2009 konnte die AG Koch demonstrieren, dass der kostenintensive Femtosekundenlaser durch eine einfache Laserdiode ersetzt werden kann, wenn man ein paar Abstriche bei der Messgenauigkeit hinnimmt (Scheller). Mit diesem Ansatz und ein paar anderen Tricks und Kniffen, die in der AG entwickelt wurden, kann ein sehr preisgünstiges und kompaktes Terahertz-Spektrometer aufgebaut werden. Derzeit gibt es Überlegungen, solche Spektrometer im Regenwald einzusetzen, um den Wasserstatus von einzelnen Bäumen zu überwachen, was auch für die Klimaforschung wünschenswert wäre. Die batteriebetriebenen Geräte würden dann hoch in den Bäumen hängen und über WLAN ausgelesen werden.

Abb. 2: portables THz-Messsystem zur Wasserstatusbestimmung von Pflanzen.