Das Streuverhalten von Terahertz-Wellen (PDF)

Das Verständnis von Streuprozessen hat unser Bild der Physik fundamental verändert. Heute können wir nicht nur erklären, warum der Himmel blau ist, und beweisen, dass Atome einen schweren Kern haben müssen. Wir sind auch in der Lage, komplexe Radarsysteme zu entwickeln, die sowohl im Straßen- als auch im Luftverkehr für Sicherheit sorgen, und können Kommunikationssysteme dank präziser Kanalausbreitungsmodelle so auslegen, dass stets ein zuverlässiger Empfang gewährleistet ist. Kurzum - Streuprozesse sind sowohl aus wissenschaftlicher als auch aus technischer Sicht von herausragender Bedeutung.
Während das Streuverhalten von elektromagnetischen Wellen in den meisten spektralen Bereichen bereits ausgiebig untersucht wurde, existieren bisher nur wenige Studien, die sich mit Streuung von Terahertz(THz)-Wellen, das heißt der Streuung von Strahlung mit Frequenzen zwischen 0,1 bis 10 THz, beschäftigen. Begründet liegt dieser Mangel an Untersuchungen keineswegs im geringen wissenschaftlichen Interesse, sondern in der Tatsache, dass THz-Quellen und -Detektoren erst seit wenigen Jahren technisch nutzbar sind.
Die vorliegende Dissertation soll zum Verständnis des Streuverhaltens von THz-Wellen beitragen und Anwendungspotentiale für dieses Wissen aufzeigen. Dabei werden verschiedene Teilgebiete betrachtet.
Zunächst werden die dielektrischen Eigenschaften heterogener Materialien diskutiert, die durch Effektive-Medien-Theorien beschrieben werden können. Teil der Betrachtungen ist eine neuentwickelte Erweiterung des häufig verwendeten Bruggeman-Ansatzes, die sich besonders flexibel für die Modellierung heterogener Materialien bei THz-Frequenzen einsetzen lässt, wie an verschiedenen Messreihen aufgezeigt wird.
Im Anschluss wird das Potential der THz-Zeitbereichsspektroskopie für Radarquerschnittsmessungen aufgezeigt, wobei zunächst einfache Streukörper wie Kugel, Zylinder und Platte als Referenzobjekte dienen und im Anschluss skalierte Flugzeugmodelle mit komplexer Geometrie betrachtet werden.
Ein weiterer Abschnitt widmet sich der diffusen Streuung an rauen Oberflächen, insbesondere im Hinblick auf deren Bedeutung für hochbitratige THz-Kommunikationssysteme. Im Zentrum der Betrachtung steht die Frage, inwieweit sich die Kirchhoff-Streutheorie für Kanalmodelle nutzen lässt, die für die Propagationsmodellierung in THz-Kommunikationssystemen benötigt werden.
Schließlich werden zwei Themenfelder betrachtet, die sich Streuung im erweiterten Sinne zu Nutze machen: Zum einen wird ein im Rahmen dieser Arbeit entwickeltes bildgebendes Verfahren erläutert, das auf dem Einsatz periodisch rauer Oberflächen in Form von Blazegittern aufbaut. Dem Verfahren liegt die Idee zu Grunde, die Frequenzbandbreite von THz-Zeitbereichsspektrometern in ortsaufgelöste Information über das Absorptionsverhalten einer Probe zu transformieren.
Zum anderen werden zwei neuartige Konzepte für THz-Metamaterialien vorgestellt, die aufgrund ihrer Sub-Wellenlängen-Ausmaße oft auch als streuende Metapartikel interpretiert werden. Diese Strukturen weisen extrem scharfe Resonanzen auf und eignen sich daher besonders gut für den Einsatz in hochsensitiven Dünnschichtsensoren.
Abgeschlossen wird die Arbeit mit einer Zusammenfassung und einem Ausblick auf zukünftige Experimente.