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Main Title: Entwicklung und Charakterisierung eines 2D, 3D und spektral bildgebenden Systems mit einem Terahertz-Quantenkaskadenlaser
Translated Title: Design and characterization of a 2D, 3D, and spectral imaging system with a terahertz quantum cascade laser
Author(s): Rothbart, Nick
Advisor(s): Hübers, Heinz-Wilhelm
Richer, Heiko
Referee(s): Hübers, Heinz-Wilhelm
Masselink, Ted W.
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Terahertzstrahlung bietet aufgrund ihrer charakteristischen Eigenschaften ein großes Potential für Bildgebung. Anwendungsszenarien, die sich daraus ergeben, liegen z.B. in den Bereichen Sicherheit, Materialprüfung, Medizin oder Lebensmittelkontrolle. Es existieren zahlreiche Ansätze, Bildgebung mit Terahertzstrahlung durchzuführen, die jedoch spezifische Nachteile, wie z.B. lange Messzeiten oder Artefakte, aufweisen. Auch Systeme zur 3D und spektralen Bildgebung wurden bereits demonstriert, doch auch hier zeigen sich u.a. die erwähnten Nachteile. In dieser Arbeit wird ein System präsentiert, welches 2D, 3D und spektrale Terahertzbildgebung mit guter Bildqualität in verhältnismäßig kurzen Messzeiten durchführen kann. Ausgangspunkt für das in Transmission 2D bildgebende System ist ein 2.5 THz Quantenkaskadenlaser in einem mechanischen Kühler. Quantenkaskadenlaser stellen aufgrund ihrer positiven Eigenschaften vielversprechende Terahertzquellen dar. Weitere Komponenten des Systems sind ein schneller Scannerspiegel, mit dem die Strahlung über das Objekt gerastert wird, sowie ein sensitiver Germanium-Gallium- Detektor. Eigenschaften und erzielte Ergebnisse des Systems werden gezeigt und ausführlich diskutiert. Das System ist durch eine Messzeit von 1.1 s, ein 40 mm×36 mm großes elliptisches Bildfeld mit etwa 4500 Pixeln, ein hohes SNR von 24.5 dB und eine Auflösung von etwa 1 mm gekennzeichnet. Darauf aufbauend wird anschließend ein mittels Computertomographie 3D bildgebendes System dargestellt, das um eine Rotationsplattform zur Aufnahme von 2D Einzelbildern aus verschiedenen Winkeln erweitert wurde. Anhand von verschiedenen Proben werden zahlreiche Ergebnisse gezeigt, die ausführlich diskutiert werden. Dabei wird auch auf Artefakte eingegangen, die z.B. aufgrund von Streueffekten für Computertomographie mit Terahertzstrahlung typisch sind. Das 3D messende System zeichnet sich durch ein 40 mm×40 mm×36 mm großes ellipsoides Messvolumen mit etwa 440000 Voxeln und einer Messzeit von 87 s für 60 Einzelbilder aus. Strukturgrößen von etwa 1 mm können gut aufgelöst werden. Für den spektral bildgebenden Aufbau wurde ein 3.4 THz Quantenkaskadenlaser verwendet, der während der Bildaufnahme in der Frequenz durchgestimmt wurde. Dadurch erhält man Daten, die in jedem Pixel spektrale Informationen enthalten. Aus jeder Messung können dabei drei Bilder mit unterschiedlichem Informationsgehalt generiert werden. Die Aufnahmezeit einer Messung mit 7327 Spektren beträgt 14.7 s. Neben der Bildgebung beschäftigt sich diese Arbeit auch mit einer Frequenzstabilisierung des 2.5 THz Lasers. Dazu wurde dessen Strahlung in einer Schottky- Diode mit dem Frequenzvielfachen einer Mikrowellenquelle als Referenz gemischt. Die dabei entstehende Differenzfrequenz kann zur Regelung des Quantenkaskadenlasers genutzt werden. Es hat sich gezeigt, dass die Regelung über einen Zeitraum von wenigen Minuten funktioniert. Die systematische Untersuchung von Einflussfaktoren wird ausführlich dargestellt.
Terahertz radiation offers a great potential for imaging due to its characteristic properties. Applications are possible in security, non-destructive testing, medicine or food industry. There are many concepts of terahertz imaging. However, those reveal disadvantages e.g. long acquisition times or artifacts. 3D and spectral imaging systems were demonstrated as well, thus suffering from similar disadvantages. This work presents a 2D, 3D and spectral imaging system with high image quality and short acquisition times. The 2D imaging system is based on a 2.5 THz quantum cascade laser in a mechanical cryocooler. Quantum cascade lasers are promising terahertz sources due to their favorable properties. Further components of the system are a fast scanning mirror that scans the radiation across the object and a sensitive germanium gallium detector. Characteristics and results of the system are shown and discussed. Key features are an acquisition time of 1.1 s, a 40 mm × 36 mm wide elliptical field of view with about 4500 pixels, a high SNR of 24.5 dB, and a resolution of about 1 mm. Based on this, a 3D computer tomography imaging system is presented. It is modified by a rotation platform in order to allow for the acquisition of 2D images from different viewing angles. With the help of several samples, results are shown and discussed e.g. with respect to artifacts typical for terahertz computer tomography. Amongst others, these are caused by scattering effects. The 3D imaging system is characterized by a 40 mm × 40 mm × 36 mm ellipsoidal measurement volume with 440000 voxels and an acquisition time of 87 s for 60 single images. Structures with sizes of about 1 mm are well resolved. For the spectral imaging setup, a 3.4 THz quantum cascade laser was used. During the image acquisition, it was periodically tuned in frequency in order to obtain data containing spectral information of the pixels. From each measurement, three images with different information contents are generated. The acquisition time of a measurement of 7327 spectra amounts to 14.7 s. Besides imaging, this work also involves a frequency stabilization of the 2.5 THz laser. Therefore, the radiation was mixed with a high harmonic of a reference microwave source in a Schottky diode. The resulting intermediate frequency can be used for the control loop of the quantum cascade laser. The frequency stabilization worked on a time scale of a few minutes. Influences on the stabilization were evaluated systematically.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-73930
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5100
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4803
Exam Date: 15-Sep-2015
Issue Date: 17-Nov-2015
Date Available: 17-Nov-2015
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Terahertz-Bildgebung
Terahertz-Quantenkaskadenlaser
Terahertz imaging
Terahertz quantum cascade laser
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/de/
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