THz Spektroskopie und Materialanalyse
Die THz Spektroskopie ist eine Analysemethode, mittels der die Eigenschaften einer zu untersuchenden Probe im Frequenzbereich der Terahertzstrahlung bestimmt werden. Dabei wird ermittelt, wie sich die auf die Probe einfallende THz-Welle nach der Durchdringung oder der Reflektion an dieser aufgrund von deren Materialeigenschaften bei den jeweiligen einzelnen Frequenzen ändert. Typischerweise werden THz Zeitbereichs-Spektroskopie (engl. time-domain spectroscopy, TDS) Systeme für die Messungen verwendet.
Betrachtet man etwa die Abschwächung der Welle nach dem Durchlauf durch das Probenmaterial, kann man feststellen, welche Frequenzen die Probe schlecht durchdringen und somit stark absorbiert werden und welche Frequenzen diese gut durchdringen und schwach absorbiert werden. Über die Frequenz aufgetragen ergibt sich daraus ein Absorptionsspektrum des analysierten Materials. Die TDS-Messtechnik ermöglicht neben der Untersuchung von Amplituden- bzw. Intensitätswerten auch die Auswertung von Phaseninformationen des elektrischen Feldes der Welle.
Viele Substanzen zeigen gerade im Terahertzbereich einen charakteristischen Absorptionsverlauf, der einem eindeutigem „Fingerabdruck“ des Materials entspricht. Daher kann die THz Spektroskopie zur Detektion von Gefahrstoffen, wie etwa Sprengstoffen oder giftigen Gasen, genutzt werden, zur Untersuchung pharmazeutischer Produkte und deren Zusammensetzung sowie zur Erkennung verbotener Substanzen wie Drogen. Dabei ist es von besonderem Vorteil, dass die gängigsten Verpackungsmaterialien (Kunststoffe, Papier, Textilien) für THz-Strahlung transparent sind und somit die Analyse verschlossener Proben möglich ist und optisch intransparente Medien durchdrungen werden können.
Basis für die Detektion eines Materials ist die Kenntnis von dessen spektralen Charakteristika als Teil einer „Fingerabdruckdatenbank“, sodass ein Abgleich und die Erkennung erfolgen können. Daher ist die Erfassung der Eigenschaften bekannter sowie neuartiger Materialien eines der Kernforschungsgebiete der THz Spektroskopie. Ziel ist es dabei, neben den Absorptionseigenschaften, anhand der erfassten Daten weitere Materialeigenschaften der Probe zu bestimmen, welche zum einen allgemeingültige, von der Probengeometrie unabhängige Beschreibungen der spektralen Probencharakteristik liefern. Dies kann etwa der komplexe Brechungsindex oder die Dielektrizitätszahl sein. Zum anderen liefert sie weitere Einblicke in die physikalischen Mechanismen, die diesen Materialeigenschaften zu Grunde liegen. Zu diesem Zweck erfolgt die Erforschung und Entwicklung neuer und verbesserter Berechnungsmethoden zur Extraktion von Materialeigenschaften aus THz-Messdaten - mit dem Ziel, ein weites Feld von Anwendungsfällen, wie etwa Mehrschichtsysteme, untersuchen zu können und gleichzeitig die Robustheit der Verfahren gegenüber Rauscheinflüssen zu erhöhen.
Die spektroskopische Analyse von Material im THz-Bereich ist nicht auf die Untersuchung von Substanzen mit Absorptionscharakteristika beschränkt. So können über einen breiten Frequenzbereich die dielektrischen Eigenschaften von Materialien bestimmt werden, welche als Substratmedium anderer Materialien und Strukturen dienen und somit diese Eigenschaften in weitere Entwurfs- und Analyseprozesse einfließen. Weiterhin können auch die Leitfähigkeiten von dotierten Halbleitern und leitenden Materialien ermittelt werden und daraus wiederum Rückschlüsse auf deren Ladungsträgerdichte und -beweglichkeit gezogen werden. Auch in diesen Fällen erfordern neue Materialien die Anpassung und Erweiterung der zur Verfügung stehenden Berechnungsverfahren an die neuen Gegebenheiten.
Abgeschlossene Projekte
LYNKEUS
BMBF-Verbundprojekt: » "Mikrointegrierte 3D-Echtzeitkamerasysteme für die intelligente Umgebungserfassung" (LYNKEUS)
LiveDetect3D
BMBF-Verbundprojekt: » "Detektion verborgener Bedrohungen durch Echtzeit-3D-Bildgebung" (LiveDetect3D)
Teilvorhaben: Datenakquisition und Visualisierung von multimodalen 3D Informationen