Bildgebendes Verfahren setzt auf Mikrospiegel

Körperscanner und Materialprüfung dank Terahertz-Strahlung

Bei Körperscannern am Flughafen kommen sie zum Einsatz: Terahertz-Wellen. Mit dieser energiearmen Strahlung, die für die Gesundheit unschädlich ist, gelingt der Blick ins Innere: Sie kann etwa Kunststoff und Textilien durchleuchten. Das macht sie auch für 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 (TUK).

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. Bei der Technologie geschieht Folgendes: Eine Quelle emittiert 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 zum Ablauf. 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“, erläutert 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 Lehrstuhlinhaber Professor Dr. Marco Rahm
über die Technik.

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.

Die Forscher haben ihre Technik bereits Anfang des Jahres in der renommierten Fachzeitschrift Scientific Reports vorgestellt. Im September hat Jan Kappa für die Arbeit den zweiten Platz beim Best Student Paper Award auf der International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz) 2019 in Paris belegt.

Das Team um Jan Kappa, Dominik Sokoluk, Corey Shemelya und Professor Dr. Marco Rahm hat hierbei eng mit Steffen Klingel und Professor Dr. Egbert Oesterschulze vom Lehrstuhl für Physik und Technologie der Nanostrukturen an der TUK zusammengearbeitet. Auch das Team um Dr. Sandra Wolff vom Nano Structuring Center war an der Entwicklung beteiligt. Die Forschungsarbeiten sind dabei in das Landesforschungszentrum Optik und Materialwissenschaften (OPTIMAS) eingebunden.

Die Studie „Electrically Reconfigurable Micromirror Array for Direct Spatial Terahertz Modulation of Terahertz Waves over a Bandwidth Wider Than 1 THz” ist in der Fachzeitschrift Scientific Reports erschienen. DOI: 10.1038/s41598-019-39152-y

Fragen beantwortet:
Jan Kappa
Lehrstuhl für Theoretische Elektrotechnik
Arbeitsgruppe für Metamaterialien und Terahertz-Technologie
Tel.: 0631 205-5334
E-Mail: kappa@eit.uni-kl.de