Terahertz Abstandsmessung und Bildgebung von beliebig geformten Objekten in unbekannter Entfernung mittels monolithischer modengekoppelter Laserdioden

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jan C. Balzer
• Fachliche Zuordnung: Kommunikationstechnik und -netze, Hochfrequenztechnik und photonische Systeme, Signalverarbeitung und maschinelles Lernen für die Informationstechnik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: 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.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen