Terahertz-Strahlung

Terahertz-Strahlung (auch THz-Wellen oder Submillimeterwellen) umfasst den Bereich des elektromagnetischen Spektrums zwischen den Mikrowellen und dem fernen Infrarotlicht. Dieser Frequenzbereich erstreckt sich per Definition von 0,1 THz bis 10 THz (100 GHz bis 10.000 GHz), was Wellenlängen von 3 Millimetern bis herab zu 30 Mikrometern entspricht.

Historisch als „Terahertz-Lücke“ (Terahertz Gap) bekannt, war dieser Bereich lange Zeit technisch schwer zugänglich, da er weder mit klassischer Hochfrequenzelektronik noch mit reinen optischen Methoden effizient erzeugt werden konnte. Moderne Halbleiterstrukturen und optoelektronische Sender schließen diese Lücke zunehmend.

Physikalische Eigenschaften

• Nicht-ionisierend: Die Photonenenergie (ca. 0,4 bis 41 meV) reicht nicht aus, um Moleküle oder Atome zu ionisieren, wodurch die Strahlung für biologisches Gewebe als unschädlich gilt.
• Materialdurchdringung: THz-Wellen durchdringen die meisten Dielektrika wie Kunststoff, Keramik, Textilien, Holz und Papier.
• Starke Absorption: Wasser und feuchte Substanzen absorbieren Terahertz-Strahlung extrem stark. Metalle reflektieren sie vollständig.
• Hohe Bandbreite: Aufgrund der extremen Trägerfrequenzen ermöglicht Terahertz-Strahlung extrem breite Datenübertragungskanäle im Terabit-pro-Sekunde-Bereich (Tbit/s).

Terahertz-Strahlung gewinnt in der Kommunikationstechnologie und der modernen Sensorik rasant an Bedeutung:

• 6G-Mobilfunk und Next-Gen-WLAN: Als Nachfolger von 5G nutzen zukünftige Netzwerke THz-Frequenzen über 100 GHz, um Latenzen unterhalb einer Millisekunde und Datenraten von mehreren Hundert Gbit/s für AR/VR-Streaming und Server-Backhauls zu erreichen.
• Sicherheitsscanner: Körperscanner an Flughäfen nutzen Submillimeterwellen zur Erkennung verdeckter Objekte unter Kleidung ohne Röntgenstrahlung.
• Industrielle Messtechnik: Qualitätssicherung in der Chipfertigung, Schichtdickenmessung von Lacken und Zerstörungsfreie Prüfung (ZfP) von Verbundwerkstoffen.
• Medizintechnik: Frühzeitige optische Diagnose von Hauttumoren und Feuchtigkeitsanalysen von Gewebe.

Im Alltag begegnen Endnutzern Terahertz-Technologien vor allem in modernen Sicherheitskontrollen und experimentellen Drahtlosverbindungen:

• Kurzstrecken-Richtfunk: Drahtlose Chip-to-Chip-Kommunikation oder Punkt-zu-Punkt-Bridges zwischen Rechenzentren mit Durchsätzen jenseits von 100 Gbit/s.
• Spektroskopie: Identifizierung chemischer Substanzen, Sprengstoffe oder Medikamentenwirkstoffe anhand ihres spezifischen THz-Absorptionsmusters (Fingerprint).

Reichweiten-Herausforderung: Da atmosphärischer Wasserdampf Terahertz-Signale stark dämpft, erfordert der Praxiseinsatz hochgradig gerichtete Antennenarrays (Massive MIMO) und Beamforming über kurze Distanzen.

• Verwechslung mit Röntgenstrahlung: Im Gegensatz zu Röntgenstrahlung ist Terahertz-Strahlung nicht-ionisierend und schädigt keine DNA-Strukturen.
• Verwechslung mit 5G-Millimeterwellen: Standard-5G nutzt Frequenzen bis maximal 71 GHz. Echte Terahertz-Strahlung beginnt definitionsgemäß erst oberhalb von 100 GHz bzw. 300 GHz.
• Unendliche Durchdringung: THz-Wellen durchdringen zwar Kleidung und Plastik, scheitern jedoch bereits an dünnen Metallfolien oder dünnen Wasserschichten.