Mikrospiegel für Terahertz-Scanner

Terahertz-Wellen können Kunststoffe oder Textilien mühelos durch­leuchten. Das macht sie auch für Körper­scanner am Flughafen und zerstörungs­freie Material­kontrollen interessant. Um dabei aber bildgebende Spektro­skopie-Verfahren zu nutzen, ist der Aufwand bislang sehr hoch. Abhilfe kann hierbei künftig ein Bauteil schaffen, das Kaisers­lauterer Forscher entwickelt haben. Mit ihrem elektro­mechanisch steuerbaren Mikro­spiegel-Modulator soll es künftig möglich sein, Objekte mit Hilfe schneller bildgebender Terahertz-Spektro­skopie zu untersuchen.

Terahertz-Wellen liegen im elektro­magnetischen Spektrum zwischen Mikrowellen und Infrarot­strahlung. „Sie durchdringen Materialien wie etwa Papier, Holz und Keramik und sind nicht ionisierend und unbedenklich für den Menschen“, sagt Jan Kappa von der Arbeits­gruppe für Meta­materialien und Terahertz Technologie im Fachbereich Elektro­technik und Informations­technik an der Technischen Univer­sität Kaisers­lautern. Allerdings ist es immer noch mit einem enormen technischen Aufwand und Zeit verbunden, Objekte mittels bildgebender Terahertz-Spektro­skopie berührungslos zu untersuchen und zu iden­tifizieren.

Einen ersten Baustein, der eine solche Technik künftig ermöglichen kann, haben Forscher der TUK entwickelt. Mit ihrem Mikro­spiegel-Modulator können sie Terahertz-Strahlung räumlich gezielt verändern – ähnlich wie Lichtstrahlen bei einer steuerbaren Blende eines Fotoapparats. Dabei emittiert eine Quelle Terahertz-Strahlung, die auf den Modulator trifft. „Dieser schaltet dank seiner Mikro­spiegel nun ein bestimmtes Muster, das sich gewissermaßen in die Strahlung einprägt“, sagt Kappa. Das Muster trifft nun auf das zu untersuchende Objekt. Ein Teil der Strahlung wird absorbiert, ein Teil wandert weiter und wird auf einen Detektor fokussiert. Durch mehrere Durchläufe und verschiedene geschaltete Muster kann das Bild schließlich berechnet werden. „Bei diesem Verfahren handelt es sich um eine indirekte Bildaufnahme“, fährt Kappa fort. „Wir kennen das geschaltete Muster und das jeweilige Ausgangs­signal. Algorithmen können aus diesen Daten das Bild des Objekts rekon­struieren.“ 

Mit dem Verfahren sind die Forscher in der Lage, ein sehr breites Frequenz­spektrum abzudecken. „Wir sammeln neben räumlicher Information über das Objekt auch für jeden einzelnen Bildpunkt spektrale Information“, sagt Kappa. „Dies war bisher nur eingeschränkt möglich, da vergleichbare Methoden bis dato Terahertz-Wellen nur innerhalb eines sehr schmalen Spektral­bereiches beeinflussen konnten.“ Das neuartige Mikrospiegel­system erlaubt es, die spektralen Eigenschaften von Objekten innerhalb kürzester Zeit zu untersuchen. „Potentiell können damit chemische Stoffe anhand spektraler Finger­abdrücke im Terahertz-Spektral­bereich identi­fiziert werden, ohne dabei die Objekte minutenlang abzuscannen“, sagt Gruppen­leiter Marco Rahm.

Auf dem Campus haben die Forscher ihren Mikro­spiegel-Modulator im Reinraum des Nano­Structuring­Center selbst hergestellt. In den kommenden Monaten werden sie vor allem daran arbeiten, die Modulatoren für die Material­untersuchung zu optimieren. Interessant ist die Technik etwa für die Lebensmittel­überwachung, in der Schadstoffe aus der Herstellung und Verpackung gesund­heitliche Folgen hervorrufen können. Aber auch die zerstörungsfreie Material­prüfung in der Automobil- oder Flugzeugindustrie ist ein mögliches Einsatzgebiet, beispielsweise um einen Blick unter eine Lackschicht zu werfen. Zudem kann das Verfahren in der Pharma­industrie und Medizin­technik Verwendung finden. 

TUK / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  J. Kappa et al.: Electrically Reconfigurable Micromirror Array for Direct Spatial Light Modulation of Terahertz Waves over a Bandwidth Wider Than 1 THz, Sci. Rep. 9, 2597 (2019); DOI: 10.1038/s41598-019-39152-y
• AG Metamaterialien und Terahertz-Technologie (M. Rahm), Technische Universität Kaiserslautern