(Förderung seit 2022 durch Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 494582767)

Durch die fortschreitende Entwicklung der THz-Technologie, insbesondere durch kompakte und benutzerfreundliche THz-Systeme werden zunehmend neue Anwendungsfelder erschlossen. Neben der industriellen Qualitätskontrolle und der Nachrichtentechnik werden THz-Systeme in Zukunft verstärkt in anwenderdefinierten Szenarien, wie beispielsweise im Bereich der Kunstkonservierung und der Erforschung von kulturellem Erbe, eingesetzt werden.
So konnte die THz-Bildgebung als komplementäres Werkzeug zur Röntgen-Strahlung bereits neue Erkenntnisse über bedeutende Kunstwerke und antike menschliche Überreste liefern. Allerdings sind die verwendeten THz-Systeme, die auf Faserlasern basieren, nur mit großem Aufwand bei Vorort Untersuchgen zu verwenden.

Des Weiteren sind diese entweder nur für die Bildgebung von planaren Flächen geeignet oder es wird eine komplexe Mechanik wie ein Roboterarm benötigt.
Hier muss die Form und die Lage des Objekts vor dem eigentlichen Messvorgang bekannt sein, so dass zurzeit nur Messungen im Labor realisierbar sind.

Im Rahmen von diesem Projekt sollen beide Herausforderungen bewältigt werden. Zum einem soll ein kompaktes THz-System entstehen, das von einer modengekoppelten Laserdiode betrieben wird.
Die hohe Wiederholrate der Laserdiode erlaubt die Verwendung einer kurzen Verzögerungseinheit und die Detektion von THz-Pulsen aus beliebiger Entfernung.  Die hohe Stabilität der modengekoppelten Laserdioden wird ausgenutzt, um die Zeitachse des THz-Signals mit einer hohen Genauigkeit zu rekonstruieren. Dies erlaubt die Verwendung von einfachen und kompakten Verfahreinheiten ohne Einbußen in der Präzision.

Verbleibende systematische Fehler der Verfahreinheit werden durch einen genetischen Algorithmus korrigiert.
Ein programmierbares optisches Filter wird verwendet, um die Bandbreite und das Signal-zu-Rausch-Verhältnis des Systems zu optimieren.
Die durch die hohe Wiederholrate entstehende Uneindeutigkeit in der Entfernungsmessung wird durch zwei Methoden aufgelöst.
Zum einem wird die Phase des Lock-In Verstärkers benutzt, um die Länge der THz-Freistrahlstrecke zu bestimmen.

Ein weiterer Ansatz beruht auf der Amplitudenmodulation des optischen Signals, das die optoelektronischen THz-Antennen speist.
Durch einen Frequenzdurchlauf lässt sich die Entfernung zwischen THz-System und Messobjekt ebenfalls bestimmen.
Um Objekte und verborgene Objekte von beliebiger Form ohne a-priori Wissen abbilden zu können, wird ein auf divergenter Strahlung basierendes Verfahren für THz-Systeme mit ultrahoher Wiederholrate adaptiert.  Hierbei wird die Bildrekonstruktion in einem Nachbearbeitungsschritt mittels der Kirchhoff-Migration realisiert.
Als Ergebnis dieses Projekts entstehen Methoden für ein THz-Bildgebungssystem, das grundsätzlich komplett integrierbar ist.
Durch die für dieses System entwickelten Algorithmen können Objekten mit beliebiger Form auch außerhalb eines optischen Labors vermessen werden.

My research is focused on the radar cross sections (RCS) of small objects in the terahertz domain (THz-TDS) such as insect for terahertz imaging and spectroscopy applications.

In additional deep learning-based solutions to calculate the Synthetic Aperture Radar (SAR) Image for different objects. 

Additionally, I am pursuing research activities in the Submillimeter-wave and Terahertz Antennas, Devices, and Technologies for 6G Applications.

My current research interests are innovative Metallic Lenses and Multi-beam.
 

Die Terahertz Zeitbereichsspektroskopie (THz-TDS) ermöglicht die Extrahierung elektromagnetischer Materialeigenschaften wie der komplexen Permittivität. Dabei wird ein THz-TDS Puls mit einem breiten Spektrum (hier: 50 GHz-5 THz) auf eine Probe geleitet. Über die Auswertung der Intensitätsverteilung des transmittierten oder reflektierten THz-Pulses kann eine Berechnung der dielektrischen Materialeigenschaften vorgenommen werden.

Eine Unterscheidung zwischen Materialien kann über die extrahierten dielektrischen Materialparameter geschehen. Zur automatischen Unterscheidung können jedoch auch
Neuronale Netzwerke eingesetzt werden. Faltungsautoencoder werden trainiert eine Reduktion der Datenpunkte vorzunehmen. Diese generierten Features können mit einer Clusteranalyse (Beispielsweise K-Means oder DBSCAN) in Kategorien eingeteilt werden.

           
Mit einer 2-D Verfahr Einheit werden bildgebend THz-TDS Pulse aufgenommen, sodass ein Terahertz Bild eines Objekts erstellt wird. Das Neuronale Netzwerk führt die Extrahierung der Features durch und ordnet Teile des Bildes einer Klasse zu.

             
Neben der Materialparameterextrahierung kann die Terahertz Zeitbereichsspektroskopie zur hochgenauen 3-D Rekonstruktion von Objekten genutzt werden. Eine besondere Methode ist das Nutzen einer (inversen) synthetischen Apertur, wo ein Objekt entlang verschiedener Raumrichtungen bewegt oder gedreht wird. Dabei werden Reflektionsmessungen im divergenten Messaufbau durchgeführt.
  
     
Durch die sogenannte Backpropagation können die aufgenommenen THz-TDS Pulse auf ein Volumen projiziert werden. Dadurch sind die Positionen bestimmbar, an denen eine Reflektion an einer Materialschicht stattgefunden hat. Für den verbrannten Teil der oben gezeigten vermessenen Probe ist der Querschnitt durch eine Rekonstruktion links gezeigt. Die hohen Intensitäten (rot) zeigen die Stellen, wo eine Reflektion stattgefunden hat. Deutlich sieht man hier, dass auch Reflektionen in tieferen Schichten stattgefunden haben. Durch die 3-D Bildgebung mit Hilfe der Synthetischen Apertur können somit auch Mehrschichtsysteme erfolgreich rekonstruiert werden

Eine Möglichkeit zur Erzeugung und Detektion von Terahertzsignalen besteht in der Verwendung von gepulsten Lasern.  Die eingesetzten Laserquellen beeinflussen maßgeblich die Form und Eigenschaften sowie die Anwendbarkeit eines Terahertzsystems in verschiedenen Szenarien. In unserem Labor arbeiten wir mit verschiedenen Laserquellen;
darunter modengekoppelte Laserdioden (Mode-Locked Laser Diode, MLLD), die optische Pulse mit einer Pulswiederholrate von 40 GHz bis 65 GHz erzeugen.  Der Umgang mit diesen Laserdioden umfasst den Aufbau, die Kontaktierung, Ansteuerung, Charakterisierung und gezielte Manipulation des optischen Spektrums, um eine Vielzahl von Anwendungen im Terahertzfrequenzbereich zu realisieren.

Mit den UHRR-MLLD entwickeln wir Terahertzsysteme,
die auf der Terahertz-Zeitbereichsspektroskopie (THz-TDS) basieren.
 

Die Größe der verwendeten Laser sowie die Eigenschaften der hohen Wiederholrate ermöglichen den Aufbau sehr kompakter und schneller Messsysteme.

Das gezeigte System wird in zahlreichen Anwendungen erprobt und auf seine Eignung hin untersucht. Dazu gehören unter anderem Spektroskopie, radarbasierte Entfernungsmessung, radarbasierte Bildgebung und Kommunikation.