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Terahertz-Bildgebung mit Verstärkerlaser

1. Experimenteller Aufbau


Aus optische Pulsen (1 kHz, 150 fs, 850 µJ, 775 nm) aus einem Verstärkerpulslaser (CLARK, CPA 2001) werden mittels eines 3 cm x 3 cm GaAs-Emitters (vorgespannt mit 1 kV/cm) THz- (Ferninfrarot-) Pulse erzeugt. Die zeitaufgelöste elektrische THz-Feldstärke wird elektrooptisch mittels eines 1 mm ZnTe-Kristalls detektiert. Das Objekt wird durch den Fokus der THz-Strahlung gerastert. Auf Basis der Zeitbereichsdaten der einzelnen Bildpunkte kann durch Fourier-Transformation die Transmission, Absorption, Zeitverzögerung und Dispersion für diskrete THz-Frequenzen berechnet werden.
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2. Ortsauflösung

Zur Charakterisierung der Ortsauflösung wird eine Metallblende mit einer 0.5 mm großen Öffnung durch den Fokus der THz-Strahlung gerastert. Die Variation der Ortsauflösung mit der Frequenz ist deutlich zu erkennen. Bei 1 THz liegt die Ortsauflösung etwa in der Größenordnung von 1 mm, was etwa 3 Wellenlängen entspricht. Wie Modelrechnungen für die Ausbreitung der THz-Strahlung ausgehend vom planaren Emitter zeigen, kann grundsätzlich eine weitere Fokussierung nur bei der Verwendung deutlicher größerer Emitter erreicht werden.
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3. Bleistiftzeichnung

Hier ist an dem Objekt einer 10 mm x 10 mm großen Bleistiftzeichnung eine Absorptionsmessung demonstriert. Die Verbesserung der Ortsauflösung und eine Verschlechterung des Signal-zu-Rausch Verhältnisses mit steigender Frequenz ist deutlich zu erkennen. Letzteres ist ein Resultat der spektralen Energiedichte des vorgespannten GaAs-Emitters, welche ein Maximum bei 0.4 THz zeigt und dann zu höheren Frequenzen abfällt um bei etwa 3 THz das Rauschniveau zu erreichen.
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4. Marzipan - Schwein

In diesem Beispiel wird nur die Laufzeit der THz-Strahlung bei einer diskreten Frequenz (1 THz) dargestellt. Dieses erfolgt mittels Auswertung der Phaseninformation in der Fourier-Transformation. Als Testobjekt dient der vordere Teil eines Marzipanschweins.
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5. Ölgemälde

Die Erzeugung von RGB-Bildern mit unterschiedlicher Information, wie Absorption, Laufzeit, etc. in unterschiedlichen Farbkanälen, erlaubt die komprimierte Darstellung der zu Verfügung stehenden Daten. Durch geschickte Wahl der Parameter (welcher Bereich welcher Information in welchem Farbkanal) kann die Darstellung optimal an die Anwendung angepaßt werden. Als Beispiel für die Technik ist ein THz-Bild eines Ölgemäldes dargestellt. Teilweise kann das Original gut reproduziert werden, Teilweise werden auch andere Details (z.B. dicke Pinselstriche; verborgene Farbschichten) deutlich.
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6. Vogelkopf

Besonders interessant ist der Einsatz der THz-Bildgebung grundsätzlich bei medizinischen und biologischen Anwendungen, da es sich bei THz-Strahlung aufgrund der Photonenenergie im meV-Bereich um nichtionsierende und damit unschädliche Strahlung handelt. Als Beispiel für eine biologische Anwendung ist hier ein THz-Bild eines 3 mm dicken Schnitts durch einen Kanarienvogelkopfes dargestellt. Das Gewebe wurde hierzu mit Alkohol dehydriert und in Paraffin fixiert. Man erkennt, daß die THz-Absorption und die THz-Zeitverzögerung zum Teil bei anderen Gewebetypen einen deutlichen Kontrast bildet, als das optische Transmissionsbild.  Hinweise zu den Proben.
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7. Tumor - Erkennung

Im medizinischen Bereich ist der Einsatz der THz-Bildgebung insbesondere zur Erkennung von Tumoren interessant. Im Rahmen einer Vorstudie wird in diesem Beispiel demonstriert, das eine Unterscheidung der Gewebetypen: Tumor, Fett, Haut und Bindegewebe im THz-Bild grundsätzlich möglich ist. Als Testobjekt dient dazu eine Gewebeprobe (3 mm dick, alkohol-dehydriert, paraffinfixiert) eines Tumors unter der Haut eines Hundes. Durch die gleichzeitige Darstellung mehrerer THz-Information in unterschiedlichen Farben, glingt es die unterschiedlichen Gewebetypen unterscheidbar darzustellen.  Hinweise zu den Proben.
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Die verwendeten biologischen und medizinischen Gewebeproben, stammen aus dem Archiv des  Instituts für Veterinär-Pathologie der Universität Gießen, d.h. die Tiere wurden nicht für diese Anwendung getötet. Für die Bereitstellung der Proben und die Unterstützung bei der Präparation bedanken wir uns besonders bei Stephanie Czasch und Tobias Bauer.

Ansprechpartner: Torsten Löffler

 

geändert am 10. Januar 2008  E-Mail: Webmasternovosel@physik.uni-frankfurt.de

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Druckversion: 10. Januar 2008, 16:23
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