Additiv hergestellte Multispektrale Nahinfrarot- & Terahertz Sensorsysteme

• Antragsteller: Professor Dr. Sascha Preu; Professor Dr.-Ing. Oliver Stübbe
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Kommunikationstechnik und -netze, Hochfrequenztechnik und photonische Systeme, Signalverarbeitung und maschinelles Lernen für die Informationstechnik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 502254396

Das vorgeschlagene Projekt befasst sich mit der Entwicklung eines additiv hergestellten, multispektralen Sensorsystems, bestehend aus einem photonischen Hauptgerät und einem Sensorelement für den Einmalgebrauch bzw. ein wiederverwendbares Sensorelement. Der kompakte, photonisch-Terahertz (THz; 100 GHz-10 THz) kointegrierte Sensor wird synchron Daten im Nahinfrarotbereich (NIR, 1550 nm) und im THz Bereich (0.1 THz- 1.25 THz mit einer möglichen Erweiterung bis 2 THz) aufnehmen und auswerten, wobei lediglich ein Lasersystem verwendet wird, um beide Teilaufbauten zu treiben. Das THz System wird aus einem homodynen Photomischeraufbau bestehen. Das Sensorsystem wird aus additiv hergestellten dielektrischen Wellenleiterschaltungen gefertigt- sowohl für den Nahinfrarotbereich als auch für den THz-Bereich. Sowohl das Sensorelement als auch das photonische Hauptgerät werden diese Wellenleiterstrukturen und daraus gefertigte Komponenten, wie 3dB Koppler und Ein- bzw. Auskoppelstrukturen, nutzen. Diese Wellenleiterstrukturen und -komponenten werden in Arbeitspaket 1 entwickelt. Als Materialien für die THz Wellenleiter kommen TOPAS, Polyethylen, Polypropylen oder HIPS in Betracht. Für den NIR Bereich werden PLA, HD Glas oder ABS verwendet. Das Substrat wird entweder aus Quarz, metallisiertem Quarzglas oder Polyethylen bestehen. Arbeitspaket 2 befasst sich mit dem eigentlichen Sensorelement. Drei verschiedene Architekturen sind geplant: Architektur i ist zugeschnitten auf Proben mit niedriger oder mittlerer Absorption, wie z.B. Öle. Hier werden Resonatorstrukturen eingesetzt. Architektur ii zielt auf Proben mit starker Absorption ab. Der eigentliche Sensor wird aus einer Mikrofluidikzelle bestehen. Das Sensorelement bei Architekturen i und ii wird ein Einwegelement sein. In Architektur iii wird ein wiederverwendbarer Sensor basierend auf Reflexion, totaler interner Reflexion oder Transmission entwickelt. Das Sensorelement wird sich auf der Spitze eines koparallelen THz-NIR Wellenleiter befinden. In Arbeitspaket 3 wird das System zusammengesetzt und mit aktiven Strukturen (Quellen und Detektoren) integriert, um die Leistungsfähigkeit an Anwendungen zu prüfen. Im Fokus stehen Anwendungen aus den Biowissenschaften, wie z.B. Vitamine in Öl, Zucker in Wasser aber auch komplexere Substanzen. Analytische Modelle werden eingesetzt, um verschiedene Mixturen voneinander zu unterscheiden. Die entwickelten Technologien werden weitreichende Anwendungsmöglichkeiten für integrierte NIR&THz Systeme haben.Das Projekt wird in Kollaboration zwischen dem Fachgebiet Terahertz Bauelemente und Terahertz Systeme der TU Darmstadt (Sascha Preu) und der TH Ostwestfalen-Lippe (Oliver Stübbe) durchgeführt. Sascha Preu hat langjährige Erfahrung in Terahertz-Technologie und dielektrischen Wellenleitern während Oliver Stübbe einen großen Erfahrungsschatz im Bereich der additiv gefertigten optischen Komponenten und im Bereich der optischen Übertragungs- und Sensortechnik vorweisen kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen