Terahertz-Spektrometrie Kirill Klein E-Mail: [email protected] Fachgebiet...

Terahertz-Spektrometrie

Kirill Klein

E-Mail: [email protected]

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

2




TECHNISCHEUNIVERSITÄTBERLIN Fachgebiet Hochfrequenztechnik 3

Elektronik

Photonik

μm nm pm

THzgap

1550nm →193.4THz

1mm →300GHz





Warum THz?

5

• 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

6

• Metall => Elektronengas

• Kraft auf ein Elektron:

• Konvektionsstrom:

• Effektive Dielektrizitätszahl :





• Zusammenfassend:

7

Plasmagrenzfrequenz





2.Erzeugen

8

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

9

I

ω

Iein

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

10





• 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

11





Elektronische Signalgeneratoren

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





• Dauerstrich(cw)Terahertz-Strahlung

• sog. Photonischer Mischer

schmalbandig

13

z.B.:853nm … 351THz

z.B.:855nm 350.87THz

∆f = 0.8 THz





Breitbandige (gepulste) Strahlung

14

Femto

seku

ndenlas

er

≈100 V

≈10fs

B=4-5

THz





Wechselwirkungen

15

<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

16





ANWENDUNGEN

17





Terahertz-Zeitbereichsspektroskopie

18





Quelle6





Medizinische Diagnostik

21





Sicherheitsanwendungen

22





Biomoleküle

23





Nacktscanner

24

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





Anwendungen in Kunststoffindustrie





CONDOR (1.5 THz)

30





Stratospheric Observatory For Infrared Astronomy = SOFIA

31





Hochbitratige Kommunikation mit THz-Wellen

32





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:

37

Terahertz-Spektrometrie Kirill Klein E-Mail: [email protected] Fachgebiet...

Documents

Transcript of Terahertz-Spektrometrie Kirill Klein E-Mail: [email protected] Fachgebiet...