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• Terahertz-Wellen entdecken nicht-metallische Stoffe: Auch Flüsigsprengstoff entgeht ihnen nicht.© HHI
  
• Flexible Technologie: Ein handliches, mobiles System soll Terahertz-Wellen an Flughäfen zum Einsatz bringen.© HHI
  
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Marktreife2011

Eine Pistole in der Handtasche, ein Messer im Jackett oder die im Absatz eines Schuhs deponierte Rasierklinge: All dies sind potenziell gefährliche Gegenstände, die bei Sicherheitskontrollen zuverlässig gefunden werden müssen. Weil sie alle aus Metall sind, lassen sie sich mit Röntgentechnik und Metalldetektoren vergleichsweise schnell und treffsicher aufspüren. Weit mehr Schwierigkeiten bereiten den Sicherheitskräften dagegen Stoffe wie Plastiksprengstoff, der etwa im Hosenbund versteckt sein könnte und deshalb beim Abtasten nur schwer zu entdecken ist. Oder gefährliche Flüssigkeiten, die als Kosmetiklotion oder ganz normales Getränk getarnt sind und ohne chemische Analyse von harmlosen Flüssigkeiten meist nicht zu unterscheiden sind. Ein Prinzip zur Lösung des Problems kennen Physiker schon seit Jahren: Terahertz-Wellen können durch die Kleidung hindurchschauen und werden von nichtmetallischen Stoffen wie Kunststoff, Keramik oder Flüssigkeiten auf spezifische Weise reflektiert, so dass die Substanzen erkannt werden können. Der Grund, warum die Terahertz-Wellen auf Flughäfen oder bei Zutrittskontrollen im Rahmen von Großereignissen in der Praxis nicht schon längst eingesetzt werden, liegt im bislang hohen Aufwand, mit dem Terahertz-Wellen erzeugt und die reflektierten Strahlen wieder empfangen werden müssen.

Im Frequenzspektrum liegen die Terahertz-Wellen im Bereich zwischen 100 Gigahertz und 10 Terahertz und damit zwischen den Radiowellen zum einen und dem sichtbaren Licht zum anderen. Beide Seiten des Spektrums sind für technische Anwendungen gut erschlossen. Die Radiowellen einerseits werden bis in den Mikrowellenbereich für Herde oder Funknetze genutzt. Erzeugt werden sie mit Transistoren, die Wellen bis maximal etwa 50 Gigahertz produzieren. Auf der anderen Seite des Spektrums geht der Terahertz-Bereich über in den Wellenbereich der Infrarot-Wärmestrahlung, mit der zum Beispiel die Fernbedienung des Fernsehers arbeitet. Über Laser lassen sich hier Frequenzen von 30 Terahertz (entsprechend einer Wellenlänge von 10 Mikrometer) und mehr erzeugen. Von dieser Seite des Wellenspektrums aus ist es am Fraunhofer HHI nun gelungen, mit bewährten Komponenten aus der Telekommunikationstechnologie Terahertz-Wellen im Bereich von 0,1 bis 3 Terahertz nicht nur erzeugen und erfassen zu können, sondern dies vor allem mit einem kleinen und damit sehr flexibel einsetzbarem Gesamtsystem umzusetzen.

Die Grundstruktur des Systems basiert auf Technologien, die ursprünglich für die optische Telekommunikation entwickelt wurden. In einer Steuereinheit erzeugen zwei Halbleiterlaser im Bereich von 1,5 μm (Mikrometer) ein Schwebungssignal, dessen Frequenz durch einfache Wellenlängenabstimmung auf den gewünschten Wert im Terahertz-Bereich eingestellt werden kann. Dieses optische Signal wird über eine Glasfaser zur Sendeeinheit übertragen. In dieser befindet sich ein am Fraunhofer HHI entwickelter optoelektronischer Chip, ein sogenannter Photomischer, der die optische Schwebung in ein Terahertz-Signal umsetzt und abstrahlt. Die Detektionseinheit beinhaltet einen ähnlichen Chip, der gleichzeitig das Terahertz-Signal empfängt und von einem optischen Signal angesteuert wird. Durch diese Anordnung kann die „kohärente“ Detektionstechnik angewandt werden, ein höchst empfindliches Verfahren, das beispielsweise auch beim Satelliten-Empfang genutzt wird. Im Rahmen eines vom Bundesforschungsministerium geförderten Projekts entwickelt das Fraunhofer HHI derzeit eine solche handliche Sende-/Empfangseinheit, die mit der Basiseinheit über Glasfasern flexibel verbunden ist.

Weil das System zur Nutzung der Terahertz-Wellen überwiegend mit ausgereiften und handlichen Standardkomponenten aus der Telekommunikationstechnologie aufgebaut ist, bietet es eine neuartige und weltweit wohl einmalige Flexibilität. Bislang basierten die wenigen bereits am Markt verfügbaren Systeme auf großen und schweren, stationären Geräten. Die am Fraunhofer HHI gemeinsam mit einem Industriepartner entwickelte handliche Geräteeinheit dagegen lässt sich mobil einsetzen. Zum Beispiel wäre es bald denkbar, damit Personen nach verstecktem Sprengstoff „abzuscannen“ und das Ergebnis auf einem Bildschirm ähnlich einer Röntgenaufnahme anzuzeigen. Gegenüber den Röntgenstrahlen haben die Terahertz-Wellen neben der Erkennungsleistung bei nichtmetallischen Stoffen noch einen weiteren Vorteil: Sie sind für den menschlichen Körper völlig unbedenklich. Schwerpunkt der Anwendungsentwicklung am Fraunhofer HHI ist derzeit die Untersuchung von in Flaschen abgefüllten Flüssigkeiten. Die Reflexion der Terahertz-Wellen wird mittels Spektroskopie analysiert. Aus der Zusammensetzung des Spektrums lässt sich dann die Art der Flüssigkeit feststellen. Bis zu einem Praxiseinsatz müssen allerdings sowohl die technischen Komponenten als auch die Mess- und Auswertungsverfahren noch verbessert werden, um in der kurzen Zeit, die bei Sicherheitskontrollen zur Verfügung steht, ausreichend genaue Ergebnisse zu erzielen.