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Was sind Terahertz-Wellen?

Terahertz-Wellen sind elektromagnetische Wellen mit einer Frequenz von etwa 100 GHz bis 10 THz und liegen zwischen Millimeterwellen und Ferninfrarotstrahlen. Ihre Wellenlänge reicht von etwa 0,03 mm bis 3 mm. Terahertz-Wellen durchdringen Materie leicht, weisen einen hohen Grad an Linearität auf und sind im Gegensatz zu Röntgenstrahlen sicher, da sie biologisches Gewebe nicht schädigen. Aus diesem Grund wird ihr Einsatz in einer Vielzahl von Anwendungen vorangetrieben, z. B. in der zerstörungsfreien Prüfung, der Komponentenanalyse, der medizinischen Diagnostik und der drahtlosen Kommunikation.
Es gibt mehrere Methoden zur Erzeugung von Terahertz-Wellen, darunter die Frequenzvervielfachung, bei der die Frequenz mit einer ganzen Zahl multipliziert wird, die Photomischung, bei der Licht unterschiedlicher Frequenzen gemischt wird, und die Resonanztunneldioden, die für Miniaturisierung nützlich sind.
Zu den zukünftigen Herausforderungen gehören die Verbesserung der Effizienz und Leistung von Oszillatoren, die Miniaturisierung und die Senkung der System-Gesamtkosten. Die Lösung dieser Probleme wird voraussichtlich zu weiteren praktischen Anwendungen führen.

Terahertz-Wellen-Frequenzbänder

Terahertz-Wellen sind ein Bereich des elektromagnetischen Spektrums, der zwischen Radiowellen und Licht liegt. Ihre Frequenz reicht von etwa 100 GHz (0,1 THz) bis 10 THz, und ihre Wellenlänge reicht von etwa 0,03 mm bis 3 mm.

Terahertz-Wellen-Frequenzbänder

*Elektromagnetische Wellen: Wellen, die sich durch synchronisierte Schwingungen elektrischer und magnetischer Felder ausbreiten.

*Frequenz: Gibt an, wie oft eine elektromagnetische Welle pro Sekunde schwingt. Je höher die Frequenz, desto größer die Energie der Welle. Die Einheit ist Hertz (Hz).

*Wellenlänge: Gibt den Abstand zwischen den Scheitelpunkten zweier elektromagnetischer Wellen an. Je länger die Wellenlänge, desto niedriger die Frequenz und desto geringer die Energie der Welle. Die Einheit ist Meter (m).

Eigenschaften von Terahertz-Wellen

In diesem Abschnitt werden die Eigenschaften und Anwendungen von Terahertz-Wellen erläutert.

1. Durchlässigkeit: Durchdringt dielektrische Materialien

Terahertz-Wellen können Papier, Kunststoff, Keramik, Holz, Textilien usw. leicht durchdringen, d. h. sie ermöglichen es, diese Materialien zu „durchschauen“. Diese Eigenschaft kann in der Praxis genutzt werden, um die innere Struktur von Materialien zu untersuchen, ohne sie zu zerstören. Terahertz-Wellen können beispielsweise zur Untersuchung von Lebensmitteln auf Fremdkörper, zur Erkennung von Kabeln und Hindernissen in Gebäudewänden usw. eingesetzt werden.

*Dielektrikum: Eine Substanz, die ähnliche Eigenschaften wie Isolatoren aufweist und Elektrizität speichern kann, aber nur schwer durchlässig ist.

2. Richtwirkung: Hohe Richtwirkung im Vergleich zu Radiowellen

Terahertz-Wellen haben eine hohe Richtwirkung, ähnlich wie Laserlicht, und können optisch verarbeitet werden, z. B. durch Reflexion an Spiegeln oder Fokussierung mit Linsen. Diese Eigenschaft kann in der Sensor- und Bildgebungstechnologie genutzt werden, um Bilder von Objekten zu erstellen. Beispielsweise wird derzeit daran geforscht, diese Technologie in Bereichen wie der Erkennung von Materialfehlern und der Krebserkennung im medizinischen Bereich praktisch einzusetzen.

3. Absorptionsfähigkeit: Stark wasserabsorbierend

Terahertz-Wellen sind stark wasserabsorbierend. Diese Eigenschaft kann zur Bestimmung der in der Haut, in Früchten usw. enthaltenen Wassermenge und zur Analyse von Substanzkomponenten genutzt werden. Durch die Erkennung kleinster Wassermengen in der Atmosphäre kann auch die Genauigkeit von Wettervorhersagen, z. B. über lokale Regenfälle, verbessert werden.

4. Fingerabdruckspektrum: Kann zwischen Substanzen unterscheiden

Die von verschiedenen Materialien absorbierten Frequenzen variieren. Das charakteristische Spektrum in der Terahertz-Spektroskopie wird als „Fingerabdruck-Spektrum“ bezeichnet. Viele Biomoleküle, Proteine und Polymermaterialien weisen einzigartige Absorptionseigenschaften auf, und durch Messung der Absorptionsrate ist es möglich, das Zielmaterial zu identifizieren. Es ist zu erwarten, dass es zur Erkennung illegaler Drogen, zur Authentifizierung von Gemälden und zur Analyse der Bestandteile von Materialien eingesetzt wird.

5. Hochgeschwindigkeitskommunikation: Ermöglicht schnelle Datenübertragung mit hoher Kapazität

Wenn Signale im Terahertzwellenbereich für die Kommunikation verwendet werden, ist eine wesentlich schnellere Kommunikation als mit herkömmlichen drahtlosen Kommunikationssystemen möglich. Andererseits kann die Tatsache, dass Terahertz-Wellen von Feuchtigkeit (wie Regen und Luftfeuchtigkeit) absorbiert werden und dass sie stark gerichtet sind, was sie anfällig für Störungen durch Hindernisse (wie Gebäude und Menschen) macht, ein Nachteil bei der Kommunikation sein. Trotz der verschiedenen technischen Probleme, die damit verbunden sind, wird daran geforscht, drahtlose Netzwerke, die Terahertz-Wellen verwenden, zu einem praktischen Kommunikationsstandard der nächsten Generation zu machen, da sie das Potenzial haben, Daten mit höheren Geschwindigkeiten und größerer Kapazität zu übertragen.

6. Sicherheit: Schädigt weder Materialien noch den menschlichen Körper

Im Allgemeinen können elektromagnetische Wellen mit hoher Energie, wie ultraviolette und Röntgenstrahlen, Zellen schädigen, und es gibt Bedenken hinsichtlich der negativen Auswirkungen auf den menschlichen Körper, wenn er übermäßigen Mengen ausgesetzt ist. Terahertz-Wellen haben eine geringere Energie als sichtbares Licht, und der menschlicher Körper wird keiner Gefahr ausgesetzt. Aus diesem Grund ist zu erwarten, dass sie bei Sicherheitskontrollen an Flughafentoren und in der medizinischen Diagnostik eingesetzt werden.

Auf dem Weg zur praktischen Anwendung

Terahertz-Wellen haben hervorragende Eigenschaften und zeigen Potential in verschiedenen Bereichen, in denen es bislang schwierig war, Radiowellen oder Licht zu verwenden. Es gibt jedoch noch viele Probleme zu lösen, bevor sie in der Praxis eingesetzt werden können. Es werden neue Materialien und Technologien erforscht und entwickelt, um diese Probleme zu lösen und das Einsatzspektrum zu erweitern. Es ist zu erwarten, dass neue Geräte und Systeme auf den Markt kommen werden, die Terahertz-Wellen nutzen, um die Zukunft bequemer und sicherer zu machen.

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