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Physiker nutzen Wellenleiter zur Steigerung des praktischen Potenzials der Terahertz-Spektroskopie

Terahertz- oder THz-Strahlung hat das Potenzial, transversale Innovationen in der Medizin, Biologie, Materialwissenschaft und Telekommunikation auszulösen, aber ihr Einsatz wird immer noch durch praktische und technologische Zwänge behindert. Das THEIA-Projekt hat eine spezielle Variante der THz-Spektroskopie entwickelt, die innerhalb von Wellenleitern eingesetzt werden kann.
Physiker nutzen Wellenleiter zur Steigerung des praktischen Potenzials der Terahertz-Spektroskopie
Der zukünftige Einsatz von kompakten THz-Spektroskopiesystemen ist durch das EU-finanzierte Projekt THEIA einen Schritt näher gerückt. Das Team hat ein System entwickelt, das mit Wellen in Wellenleitern arbeiten kann. Der Schlüssel dazu ist die Möglichkeit, THz-Wellen direkt im Wellenleiter zu erzeugen und zu verarbeiten. Diese wurde im Rahmen des Projekts THEIA entwickelt.

Terahertz-Strahlung, die auf dem elektromagnetischen Spektrum zwischen optischen Wellen und Mikrowellen liegt, hat einzigartige Eigenschaften. „Viele komplexe Materialien, die von Interesse sind, besitzen einzigartige spektrale ‚Fingerabdrücke‘ im THz-Spektrum. So können mit THz-Strahlung sehr komplexe Verbindungen wie Polymere, Aminosäuren, Proteine, Medikamente oder Sprengstoffe erkannt werden“, sagt Professor Marco Peccianti, THEIA-Hauptforscher und Professor für Photonik an der Universität Sussex im Vereinigten Königreich.

Gewebe, Textilien und viele Verpackungsformen sind für THz-Strahlung durchlässig, weshalb sie einem ähnlichen Sicherheitszweck wie Röntgenstrahlen dienen kann. Im Gegensatz zu Röntgenstrahlen ist die THz-Strahlung jedoch nicht ionisierend und generell gesundheitlich unbedenklich.

Obwohl das Wissen um das Potenzial von THz-Wellen schon seit einiger Zeit vorhanden ist, hat sich THz erst in den 1980er Jahren mit der Einführung fortschrittlicher Lasertechnologie, wie z. B. ultraschneller Laser, zu einer realistischen Option für Wissenschaftler entwickelt. In den letzten 30 Jahren haben THz-Wellen neue Wege für die Erforschung der natürlichen Welt eröffnet.

THz in der Leitung

THEIA hat untersucht, wie man Wellenleiter in THz-Spektrometer integrieren könnte. „Normalerweise erzeugt man eine THz-Welle und koppelt sie mit einer Linse oder anderen optischen Bauteilen in einen Wellenleiter ein. THEIA hat den alternativen Ansatz erforscht, bei dem die THz-Welle im Wellenleiter erzeugt wird und viele der Funktionen eines normalen Spektrometers direkt darin ausführt“, sagt Prof. Peccianti. Dies liefert nicht nur ein THz-Signal, sondern dient auch dazu, viele sperrige Elemente zu entfernen. „Möglicherweise kann die Technik auf eine Weise eingesetzt werden, die vorher unmöglich gewesen wäre“, sagt er.

THEIA hat dazu verschiedene Strategien entwickelt, unter anderem ein neues Design, den sogenannten Zweidraht-THz-Sender, der aus einem Zweidraht-Wellenleiter besteht, der elektrisch mit einem THz-Lichtleiter gekoppelt ist.

Kleinere, effizientere Geräte

Im Vergleich zu Feldern wie Mikrowelle oder Optik steckt die Terahertz-Technologie noch in den Kinderschuhen. Nur wenige Unternehmen vermarkten derzeit Anwendungen für die Praxis und ihre Lösungen sind in der Regel sehr sperrig. Das THEIA-Team will die Effizienz verbessern und in Zukunft auch kleinere Geräte ermöglichen.

„Wir versuchen, die für die THz-Spektroskopie erforderlichen Geräte für den Einsatz in verschiedenen technischen Bereichen oder für medizinische Anwendungen zu schrumpfen; in Zukunft gibt es vielleicht einen Stift, mit dem man die Haut berühren können, um eine Erkrankung zu diagnostizieren. Oder man könnte eine kleine Sonde an einer Wand befestigen, um deren Integrität festzustellen“, sagt Prof. Peccianti.

Die Finanzierung von THEIA trug auch zur Errichtung des Emergent Photonics Lab bei, welches Prof. Peccianti Anfang 2015 gemeinsam mit der Wissenschaftlerin Alessia Pasquazi gegründet hat. „Das Labor ist eine Gemeinschaft aus etwa 15 Forschern, was bereits ein hervorragendes Ergebnis ist – vor THEIA gab es Photonik an der Universität Sussex nicht“, sagt Prof. Peccianti. Sein Team will nun die Kapazität von THz nutzen, um komplexe Objekte genau zu identifizieren. Dazu soll ein THz-Mikroskop im Rahmen des laufenden EU-finanzierten Projekts TIMING gebaut werden.

Fachgebiete

Life Sciences

Schlüsselwörter

THEIA, Terahertz, Terahertz-Spektroskopie, Wellenleiter
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