Entwicklung und Charakterisierung eines 2D, 3D und spektral bildgebenden Systems mit einem Terahertz-Quantenkaskadenlaser

Kurzfassung

Terahertzstrahlung bietet aufgrund ihrer charakteristischen Eigenschaften ein großes Potential für Bildgebung. Anwendungsszenarien, die sich daraus ergeben, liegen z.B. in den Bereichen Sicherheit, Materialprüfung, Medizin oder Lebensmittelkontrolle. Es existieren zahlreiche Ansätze, Bildgebung mit Terahertzstrahlung durchzuführen, die jedoch spezifische Nachteile, wie z.B. lange Messzeiten oder Artefakte, aufweisen. Auch Systeme zur 3D und spektralen Bildgebung wurden bereits demonstriert, doch auch hier zeigen sich u.a. die erwähnten Nachteile. In dieser Arbeit wird ein System präsentiert, welches 2D, 3D und spektrale Terahertzbildgebung mit guter Bildqualität in verhältnismäßig kurzen Messzeiten durchführen kann. Ausgangspunkt für das in Transmission 2D bildgebende System ist ein 2.5 THz Quantenkaskadenlaser in einem mechanischen Kühler. Quantenkaskadenlaser stellen aufgrund ihrer positiven Eigenschaften vielversprechende Terahertzquellen dar. Weitere Komponenten des Systems sind ein schneller Scannerspiegel, mit dem die Strahlung über das Objekt gerastert wird, sowie ein sensitiver Germanium-Gallium- Detektor. Eigenschaften und erzielte Ergebnisse des Systems werden gezeigt und ausführlich diskutiert. Das System ist durch eine Messzeit von 1.1 s, ein 40 mm×36 mm großes elliptisches Bildfeld mit etwa 4500 Pixeln, ein hohes SNR von 24.5 dB und eine Auflösung von etwa 1 mm gekennzeichnet. Darauf aufbauend wird anschließend ein mittels Computertomographie 3D bildgebendes System dargestellt, das um eine Rotationsplattform zur Aufnahme von 2D Einzelbildern aus verschiedenen Winkeln erweitert wurde. Anhand von verschiedenen Proben werden zahlreiche Ergebnisse gezeigt, die ausführlich diskutiert werden. Dabei wird auch auf Artefakte eingegangen, die z.B. aufgrund von Streueffekten für Computertomographie mit Terahertzstrahlung typisch sind. Das 3D messende System zeichnet sich durch ein 40 mm×40 mm×36 mm großes ellipsoides Messvolumen mit etwa 440000 Voxeln und einer Messzeit von 87 s für 60 Einzelbilder aus. Strukturgrößen von etwa 1 mm können gut aufgelöst werden. Für den spektral bildgebenden Aufbau wurde ein 3.4 THz Quantenkaskadenlaser verwendet, der während der Bildaufnahme in der Frequenz durchgestimmt wurde. Dadurch erhält man Daten, die in jedem Pixel spektrale Informationen enthalten. Aus jeder Messung können dabei drei Bilder mit unterschiedlichem Informationsgehalt generiert werden. Die Aufnahmezeit einer Messung mit 7327 Spektren beträgt 14.7 s. Neben der Bildgebung beschäftigt sich diese Arbeit auch mit einer Frequenzstabilisierung des 2.5 THz Lasers. Dazu wurde dessen Strahlung in einer Schottky- Diode mit dem Frequenzvielfachen einer Mikrowellenquelle als Referenz gemischt. Die dabei entstehende Differenzfrequenz kann zur Regelung des Quantenkaskadenlasers genutzt werden. Es hat sich gezeigt, dass die Regelung über einen Zeitraum von wenigen Minuten funktioniert. Die systematische Untersuchung von Einflussfaktoren wird ausführlich dargestellt.