Filling the Terahertz Gap Terahertz-Spektrometrie Filling the Terahertz Gap Kirill Klein E-Mail: kirill.klein@tu-berlin.de TECHNISCHE UNIVERSITÄT BERLIN Fachgebiet Hochfrequenztechnik

Gliederung 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

1mm →300GHz THz gap 1550nm →193.4THz Elektronik Photonik μm nm pm

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 Freqmoden......Dazu gibts später eine Folie! Energiearm=> nicht ionisierend Warum dringt eigentlich Thz in metalle nicht ein?

Plasmagrenzfrequenz Metall => Elektronengas Kraft auf ein Elektron: Konvektionsstrom: Effektive Dielektrizitätszahl :

Plasmagrenzfrequenz Zusammenfassend:

Was wollen wir denn erzeugen? Welche Anforderungen setzen wir den Quellen voraus?

Klassifizierung von THz-Strahlung inkohärente z.B.:thermische Strahlung schmalbandige z.B.: Dauerstrich(cw)-Strahlung breitbandige z.B.: gepulste Strahlung (T-Ray) I Iein Igemessen Iabsorbiert Inkoh: bsp aus NÜ? Weisses rauschen : inkoherent , so wäre die thermische Strahlung einzuordnen Anforderungen an die Strahlungsquellen hängen natürlich sehr von der Anwendung letztlich ab. Man kann im Grunde unterscheiden zwischen spektral schmalbandigen und breitbandigen Quellen. Was heißt spektral schmal oder breitbandig.es ist immer relativ zu dem Feature zu der Absorption ODER Reflexion oder zu dem Spektralfeature , was eben grade interessiert. Schmalbandig kann sein , wenn man Molekularabsorptionslinien auflösen will bei niedrigen Drücken . In der Marsatmosphäre oder so,da sind einige 10 Megahertz breit,d.h. Wir wollen die Strahlungsquelle die möglichst die Bandbreite kleiner als 1 Megahertz hat andererseits wenn sie breitbandige Signaturen haben wie Explosivstoffe oder die gleichen die häufig dann 100 Gigahertz oder mehr Bandbreite haben.Da wollen sie eigentlich Strahlungsquellen haben die deutlich breiter sind oder die sehr schnell über sie Spektralsignaturen aufstellen kann. Erstmal spektral schmalbandig ,da wünscht man, grundsдtzlich das gilt dann auch fьr die Breitbandige quellen die viel Leistung haben.,aber nicht die Leistung irgendwo,sondern Leistung mцglich in der schmalen Bandbreite der quelle.letztendlich es ist gutes MaЯ dafьr auch Leistung pro Bandbreite oder pro Frequenzintervall,die zur Verfьgung stehen. Bei den schmalbandigen Quellen möchte man gerne dass die Bandbreite kleiner ist als die zu messende Spektralsigantur. Und wenn man ьber die Signatur irgendwie abstimmen will,i.d.R Frequenzabstimmen,z.B. Eine Absorptionslinie.soll sie kontinuierlich abstimmbar in Frequenz sein. Also im Kern steckt folgendes Bild... Wenn Sie Absorptionslinie haben,die Gaussfцrmigen Profil hat. ω

Strahlungsquellen 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 Entsprechend den Anforderungen können wir auch die Quellen wählen:

Elektronische Signalgeneratoren 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 10mW 1 uW

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

schmalbandig Dauerstrich(cw)Terahertz-Strahlung sog. Photonischer Mischer z.B.:853nm … 351THz ∆f = 0.8 THz Wenns Mischer heisst,dann müssen wir was mischen: IR Laser sind oft Distributed Feedback Diodenlaser (DFB Laser) vorige VL!!! Wegen hohen Pout und schmalen B `, UND kontinuirliche Frq abstimmung über 1THz Oder 1550 und 1555 nm Bestrahlung=>Ladungsträger Spannung => LT beschleunigt Photostrom ist mit der Differenzfreq beider Laser moduliert Eein=60mW Eout=0.05-1mW z.B.:855nm 350.87THz

Breitbandige (gepulste) Strahlung B=4-5 THz ≈10fs ≈100 V Femtosekundenlaser

Wechselwirkungen <300 cm-1 200-900 cm-1 >700 cm-1

Detektion Photoleitende Antenne: Durch Laserimpuls und THz-Feld erzeugter Strom wird gemessen Elektro-optisches Abtasten Elektro-optisches Abtasten Polarisationsdrehung durch Pockels-Effekt

ANWENDUNGEN

Terahertz-Zeitbereichsspektroskopie • Puls des Fs-Lasers wird mit einem Strahlteiler aufgespalten (rot). Eine Hälft beleuchtet die THz Quelle, die andere triggert einen ähnlich aufgebauten Detektor. • THz Puls wird als Gauss-Strahl auf die zu messende Probe fokussiert (gelb). • Optische Delay-Line bewirkt eine einstellbare Zeitverzögerung zwischen den Pulsen.

Quelle6

Medizinische Diagnostik In jedem Fall die Thy systeme müssen viel billiger werden!

Sicherheitsanwendungen

Biomoleküle

Nicht nur Metalle, sondern auch einzelne Stoffe erkennbar!!! Nacktscanner Nicht nur Metalle, sondern auch einzelne Stoffe erkennbar!!! Sehr perspektivvoll

Anwendungen in Kunststoffindustrie Extra für die Photonicluete hier!

Anwendungen in Kunststoffindustrie Kennt ihr den Schweißfehler im Elektronenbeschleuniger?

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Anwendungen in Kunststoffindustrie Zusatzstoffmenge kontrolle Siehe nächste FOLIE

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CONDOR (1.5 THz) in Chilean Andes Detektiert Strahlung von neuentstehenden Sternen 140 K Gaswolken

Stratospheric Observatory For Infrared Astronomy = SOFIA

Hochbitratige Kommunikation mit THz-Wellen

Hochbitratige Kommunikation mit THz-Wellen The Terahertz Communications Lab Philipps-Universität Marburg TU Braunschweig Deutsches Terahertz-Zentrum UND jetzt kommt ein leckeres Bisschen

Qualitätskontrolle der Lebensmittel UND jetzt kommt ein leckeres Bisschen

Qualitätskontrolle der Lebensmittel

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Quellen: 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.