optische effekte in der terahertz-tomographie

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OPTISCHE EFFEKTE IN DER
TERAHERTZ-TOMOGRAPHIE
OPTICAL EFFECTS IN TERAHERTZ
TOMOGRAPHY MEASUREMENTS
Terahertz (THz)-Strahlung (0,1 – 10 THz, Wellenlänge 3 mm
Terahertz (THz) radiation (0.1 – 10 THz, wavelength 3 mm to
bis 30 μm) liegt im elektromagnetischen Spektrum zwischen
30 μm) is electromagnetic radiation in the frequency range
Mikrowellen-Strahlung und fernem Infrarot. Sie durchdringt
between the microwave and far infrared band. It penetrates
zahlreiche Materialien, wie beispielsweise Kunststoffe,
through numerous materials such as plastics, clothing, wood,
Kleidung, Hölzer, Polymerschäume und Keramiken. Bezüglich
polymer foams and ceramics. THz radiation is sensitive to
Wasser besitzt THz-Strahlung eine hohe Sensitivität, ebenso
water and many organic substances (e.g. medication, illicit
für viele organische Substanzen (wie z.B. Pharmazeutika,
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Drogen, Sprengstoffe), die anhand ihrer charakteristischen
absorption spectra in the THz range. This allows new appli-
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werden können. Dies eröffnet neue Anwendungsgebiete in
imaging, communication technologies and industrial control /1/.
der Sicherheitstechnik, Biosensorik, medizinischen Bildgebung,
Kommunikationstechnik oder industriellen Inspektion /1/.
One focus of work at Fraunhofer IOF is tomography with
THz radiation. This is an imaging technology which visualizes
Ein Forschungsschwerpunkt des Fraunhofer IOF ist die
Tomographie mit THz-Strahlung. Dabei handelt es sich um ein
0.05
30
bildgebendes Verfahren zur Analyse der räumlichen Verteilung
eines Stoffes innerhalb seines Körpers. Es werden Ultrakurzvon THz-Pulsen eingesetzt. Dadurch können im Vergleich
zur herkömmlichen Tomographie mit Röntgenstrahlung
eine Vielzahl neuer Informationen genutzt werden. Neben
der Absorption der Strahlung liefern Phasen-, Laufzeit- und
pixel [mm]
pulslaser für die zeitaufgelöste Erzeugung und Detektion
0.04
25
20
0.03
15
0.02
10
0.01
5
spektrale Informationen neue Ansätze für Analysen und
Rekonstruktionsalgorithmen /2/. Die THz-Tomographie unterliegt aufgrund der langwelligen Strahlung verschiedenen optischen Effekten. Dazu zählen Brechung und Beugung, sowie
0
0
5
10
15
20
pixel [mm]
25
30
0
absorption [a.u.]
2 Rekonstruktionsbild eines PMMA Zylinders (Ø 25 mm) mit
Artefakten. | Reconstruction image of a PMMA cylinder
1 Strahlablenkung an einem Kunststoffzylinder im THz-System. |
34
(Ø 25 mm) with artifacts.
OPTISCHE KOMPONENTEN UND SYSTEME
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Kanteneffekte, die aufgrund der zeitaufgelösten Detektion der
the spatial distribution of a material within an object. We
Pulse entstehen. Beispielsweise wirken Proben aus Kunststoff,
use ultrashort pulse lasers to generate THz pulses and realize
durch ihre relativ hohen Brechungsindizes im THz-Bereich, wie
a time-resolved measurement. Thus not only amplitude
optische Elemente im Strahlengang (Abb. 1). Die optischen
information but also the phase, time and spectral information
Effekte schlagen sich in den tomographischen Messungen
can be detected in comparison to conventional tomography
(Projektionen) nieder. Sie führen nach der Rekonstruktion zu
measurements with X-rays. Due to the additional information,
Artefakten im Schnittbild und erschweren damit die Analyse
THz tomography opens up attractive new applications with
der Proben (Abb. 2).
the development of adapted reconstruction algorithms /2/.
Für das grundlegende Verständnis werden neue Modelle zur
Optical effects like refraction, diffraction and edge effects have
Beschreibung optischer Effekte erarbeitet. Die Simulationen
*
"
werden mit den Ergebnissen der THz-Messungen verglichen
its long wavelengths. For example, plastic materials have a
(Abb. 3) und bilden damit die Basis für die Entwicklung neuer
relatively high refractive index in the THz frequency range and
Korrekturalgorithmen und Systemkonzepte für die THz-
act like optical elements in the beam path of tomographic
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systems (Fig. 1). The optical effects can result in artifacts in the
von tomographischen Bildern zu verbessern.
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and resolve material defects inside the sample. The develop-
Literatur / References
ment of new optical models is required for analysis of the
/1/ Jansen, C. et al.: Appl. Opt. Vol. 49, E48-E57 (2010).
impact of optical effects on THz tomography measurements.
/2/ Brahm, A. et al.: Appl. Phys. B. Vol. 100, S. 151-158 (2010).
The simulations of optical effects are compared to THz measurements (see Fig. 3) and form the basis for developing new
normed amplitude [a.u.]
algorithms and system concepts. The objective is to improve
0.16 THz
0.25 THz
summed spectrum
simulation 0.16 THz
simulation 0.25 THz
simulation summed spectrum
1
0.8
the quality and resolution of THz tomography images.
AUTHO RS
0.6
Anika Brahm
1
0.4
1
0.2
1
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0
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−15
−10
−5
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x position [mm]
3 THz-Linienscan eines PMMA Zylinder (Ø 25 mm) –
Messung und Simulation. | Cross section of a PMMA cylinder
(Ø 25 mm) – measurement and simulation.
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Anika Brahm
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