Fasergekoppelte Terahertz-Zeitbereichspektrometer: Entwicklung und Anwendung (PDF)

Das erste Terahertz(THz)-Zeitbereichspektrometer wurde im Jahr 1989 vorgestellt. THz-Pulse werden durch das Schalten von Halbleiter-Antennenchips mit Hilfe von Femto¬sekun-den-Laserpulsen generiert und detektiert. Seit dem Erfindungsjahr hat sich der Aufbau eines solchen Spektrometers kaum verändert. Die meisten THz-Spektroskopiesysteme bedienen sich auch heutzutage eines optischen Freistrahlaufbaus, der anfällig auf Erschütterungen, Schmutz und andere Umwelteinflüsse ist. Nachdem die THz-Spektroskopie anfänglich vorzugsweise zu akademischen Zwecken genutzt wurde, ergibt sich in den letzten Jahren mit dem einhergehenden technologischen Fortschritt eine stetig wachsende Zahl an Anwen-dungsgebieten. Der Einsatz eines THz-Spektrometers außerhalb des Labors in rauen Umgebungen bedingt jedoch ein Höchstmaß an Signalstabilität und Robustheit des Gesamtsystems. Anwendungen, wie beispielsweise die Detektion von gefährlichen Flüssigkeiten bei Sicherheitsprüfungen an Flughäfen oder industrielle Einsatzszenarien erfordern zudem flexible THz-Antennen, die u.a. unabhängig voneinander bewegt werden können und nicht starr mit dem System verbunden sind. In dieser Arbeit werden technologische Entwicklungen vorgestellt, welche die Stabilität und Flexibilität von THz-Systemen verglichen mit üblichen THz-Freistrahlspektrometern deutlich erhöhen. Schließlich wird an Hand von zwei Anwendungsszenarien die Einsatzmöglichkeit von THz-Spektrometern sowohl für Sicherheitskontrollen als auch zur Überwachung von industriellen Prozessen gezeigt.

In der vorliegenden Arbeit werden zum einen die Herstellung von (glas-)faser¬gekoppelten, photoleitenden Dipolantennen und darauf aufbauend die Entwicklung von fasergekoppelten Transceivermessköpfen für Null-Grad Reflexionsmessungen fokussiert. Zum anderen werden neue Methoden der Pulsverzögerung präsentiert. Die Faserkopplung der Antennen und die innovativen Pulsverzögerungstechniken ermöglichen, dass der Laserstrahl auf dem Weg vom Laser bis zu den Antennen ausschließlich durch Glasfasern geführt wird. Hierdurch lässt sich eine hohe Systemstabilität und -flexibilität gewährleisten, die den industriellen Einsatz von THz-Spektrometern erlaubt. Es wird das weltweit erste, vollständig fasergekoppelte THz-Spektrometer vorgestellt.

Mit einem partiell fasergekoppelten System wurde erstmalig ein THz-Spektrometer in einer industriellen Umgebung eingesetzt. Es wurde zur Inline-Kontrolle von Compoundierungsprozessen in der Kunststoffindustrie genutzt. Mit diesem Spektrometer wurde der Füllstoffgehalt von polymerbasierten Verbundstoffen im geschmolzenen Zustand während des Verarbeitungsprozesses überprüft. Offline gewonnene Messdaten zeigen zudem, dass auch die Dispergiergüte von Kunststoffverbundstoffen durch die Analyse der dielektrischen Eigenschaften der Compounds im THz-Frequenzbereich untersucht werden kann.

Die Detektion von gefährlichen Flüssigkeiten und vor allem Flüssigsprengstoffen erfährt spätestens nach den vereitelten Londoner Flugzeugattentaten im Jahr 2006 besondere Aufmerksamkeit. Bislang gibt es jedoch kein Verfahren, welches ohne Probenentnahme in Echtzeit eine Entscheidungshilfe bietet. Es wird gezeigt, dass eine Klassifizierung von Flüssigkeiten hinsichtlich ihres Gefahrenpotenzials an Hand von THz-Messdaten möglich ist. Ein Auswertealgorithmus wird präsentiert, der eine Analyse der dielektrischen Eigenschaften von Flüssigkeiten im THz-Spektralbereich zulässt. Auch wenn die genaue Identifikation der unbekannten Flüssigkeit ausgeschlossen ist, konnten mit Hilfe der neuartigen Auswertungsmethode stark wässrige und damit harmlose Flüssigkeiten eindeutig von potenziell gefährlichen Chemikalien unterschieden werden.