Terahertz-Spektrometrie Kirill Klein E-Mail: kirill.klein@tu-berlin.de Fachgebiet...

Terahertz-Spektrometrie

Kirill Klein

E-Mail: kirill.klein@tu-berlin.de

Fachgebiet Hochfrequenztechnik

TECHNISCHEUNIVERSITÄTBERLIN

Filling the Terahertz Gap

Kirill KleinTerahertzspektrometrie

TECHNISCHEUNIVERSITÄTBERLIN Fachgebiet Hochfrequenztechnik

1. Einführung in das Terahertz

2. Terahertzstrahlung

2.1 Eigenschaften

2.2 Erzeugen

2.3 Wechselwirkung

2.4 Detektion

3.Anwendungen (ThzImaging : scanner anal)

4.Ausblicke in die Zukunft und Schlusswort

Gliederung

TECHNISCHEUNIVERSITÄTBERLIN Fachgebiet Hochfrequenztechnik 3

Elektronik

Photonik

μm nm pm

THzgap

1550nm →193.4THz

1mm →300GHz

Warum THz?

• sensitiv auf inter- und intramolekulare Wechselwirkungen durch Anregung kollektiver Schwingungsmoden in Festkörpern

( geringe Probenverbrauch,kontaktfreie Untersuchung)

• zerstörungsfrei / geringe Ionisation

• löst keine photochemischen Reaktionen aus

• schnelle Datenaufnahme

• für Verpackungsmaterialien (z.B. Papier), Keramik, Kunststoffe (z.B.Polyethylen, Nylon) und Kleidung transparent

• Messung von Amplitude und Phase des THz-Transienten

• Messung der dielektrischen Funktion und der Leitfähigkeit

Plasmagrenzfrequenz

• Metall => Elektronengas

• Kraft auf ein Elektron:

• Konvektionsstrom:

• Effektive Dielektrizitätszahl :

• Zusammenfassend:

Plasmagrenzfrequenz

2.Erzeugen

Was wollen wir denn erzeugen?

• inkohärente z.B.:thermische Strahlung

• schmalbandige z.B.: Dauerstrich(cw)-Strahlung

• breitbandige z.B.: gepulste Strahlung (T-Ray)

Klassifizierung von THz-Strahlung

Igemessen

Iabsorbiert

• Thermisch: – Schwarzkörperstrahlung, Gasentladungslampen

• Elektronisch:

– HL-Oszillatoren bis 140 GHz mit anschliessender Vervielfachung

– Supraleitende Josephson Oszillatoren– Quantum Cascade Laser

• Relativistisch:

– Modulierte Elektronenstrahlen (Klystron, Free Electron Laser)

• Optisch: Molekül Laser

– Differenzfrequenz aus zwei Diodenlasern– fs-Laserpulse

Strahlungsquellen

• Halbleiter mit negativer Strom/Spannungskennlinie (z.B. Gunn Diode) in Hohlraumresonator (bis 140 GHz)

+ Vervielfachung mit nicht linearen Bauelementen (z.B. Schottky-Diode) auf bis zu 2 THz

Elektronische Signalgeneratoren

http://www.iapmw.unibe.ch/teaching/vorlesungen/submm_optik/thz_quellen.pdf

• Dauerstrich(cw)Terahertz-Strahlung

• sog. Photonischer Mischer

schmalbandig

z.B.:853nm … 351THz

z.B.:855nm 350.87THz

∆f = 0.8 THz

Breitbandige (gepulste) Strahlung

ndenlas

≈100 V

≈10fs

Wechselwirkungen

<300 cm-1

200-900 cm-1

>700 cm-1

• Photoleitende Antenne: Durch Laserimpuls und THz-Feld erzeugter Strom wird gemessen

• Elektro-optisches Abtasten

Detektion

ANWENDUNGEN

Terahertz-Zeitbereichsspektroskopie

Quelle6

Medizinische Diagnostik

Sicherheitsanwendungen

Biomoleküle

Nacktscanner

Nicht nur Metalle, sondern auch einzelne Stoffe erkennbar!!!

Anwendungen in Kunststoffindustrie

CONDOR (1.5 THz)

Stratospheric Observatory For Infrared Astronomy = SOFIA

Hochbitratige Kommunikation mit THz-Wellen

The Terahertz Communications LabPhilipps-Universität MarburgTU BraunschweigDeutsches Terahertz-Zentrum

Hochbitratige Kommunikation mit THz-Wellen

Qualitätskontrolle der Lebensmittel

• Script „Hochfrequenztechnik I“ Prof. Dr.-Ing. K. Petermann

• http://controls.als.lbl.gov/als_physics/Fernando/USPASJan08AllLecturesPDF/ThzScience.pdf

• http://www.popsci.com/technology/article/2009-12/tunable-lasers-could-allow-airport-scanners-tell-between-aspirin-or-explosives

• http://www.iapmw.unibe.ch/teaching/vorlesungen/submm_optik/thz_quellen.pdf

• http://www.ece.virginia.edu/graduate/THz%20Research%20at%20UVA.pdf

• www.THzNetwork.org

• www.aps.org/units/fiap/meetings/presentations/upload/globus.pdf

• http://www.spectronet.de/portals/visqua/story_docs/vortraege_2008/081013_technologietag_jett/081013_01_koch_tu_braunschweig.pdf (Anwendung)

• http://www.ipm.fraunhofer.de/fhg/Images/Thz_Spektroskopie_TM_2005_tcm91-51260.pdf (Detektion)

• http://www-brs.ub.ruhr-uni-bochum.de/netahtml/HSS/Diss/SchroeckKonstanze/diss.pdf

• http://edoc.ub.uni-muenchen.de/9527/1/Buersgens_Federico_F.pdf

• Wikipedia.org und Google.de als Informationsquelle zum schnellen nachschauen.

Quellen:

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Documents

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