THzSpektrometrie
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Terahertz-Spektrometrie Filling the Terahertz Gap Kirill Klein E-Mail: [email protected] TECHNISCHE UNIVERSITÄT BERLIN Fachgebiet Hochfrequenztechnik Kirill Klein Terahertzspektrometrie Gliederung 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 TECHNISCHE UNIVERSITÄT BERLIN Fachgebiet Hochfrequenztechnik 1 Kirill Klein Terahertzspektrometrie 1mm →300GHz Elektronik 1550nm →193.4THz THz gap Photonik μm TECHNISCHE UNIVERSITÄT BERLIN nm Fachgebiet Hochfrequenztechnik pm 2 Kirill Klein Terahertzspektrometrie TECHNISCHE UNIVERSITÄT BERLIN Fachgebiet Hochfrequenztechnik 3 Kirill Klein Terahertzspektrometrie 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 TECHNISCHE UNIVERSITÄT BERLIN Fachgebiet Hochfrequenztechnik 4 Kirill Klein Terahertzspektrometrie Plasmagrenzfrequenz • Metall => Elektronengas • Kraft auf ein Elektron: • Konvektionsstrom: • Effektive Dielektrizitätszahl : TECHNISCHE UNIVERSITÄT BERLIN Fachgebiet Hochfrequenztechnik 5 Kirill Klein Terahertzspektrometrie Plasmagrenzfrequenz • Zusammenfassend: TECHNISCHE UNIVERSITÄT BERLIN Fachgebiet Hochfrequenztechnik 6 Kirill Klein Terahertzspektrometrie 2.Erzeugen Was wollen wir denn erzeugen? TECHNISCHE UNIVERSITÄT BERLIN Fachgebiet Hochfrequenztechnik 7 Kirill Klein Terahertzspektrometrie 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 ω TECHNISCHE UNIVERSITÄT BERLIN Fachgebiet Hochfrequenztechnik 8 Kirill Klein Terahertzspektrometrie 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 TECHNISCHE UNIVERSITÄT BERLIN Fachgebiet Hochfrequenztechnik 9 Kirill Klein Terahertzspektrometrie 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 TECHNISCHE UNIVERSITÄT BERLIN Fachgebiet Hochfrequenztechnik 10 Kirill Klein Terahertzspektrometrie Elektronische Signalgeneratoren http://www.iapmw.unibe.ch/teaching/vorlesungen/submm_optik/thz_quellen.pdf TECHNISCHE UNIVERSITÄT BERLIN Fachgebiet Hochfrequenztechnik 11 Kirill Klein Terahertzspektrometrie schmalbandig • Dauerstrich(cw)Terahertz-Strahlung • sog. Photonischer Mischer ∆f = 0.8 THz z.B.:853nm … 351THz z.B.:855nm 350.87THz TECHNISCHE UNIVERSITÄT BERLIN Fachgebiet Hochfrequenztechnik 12 Kirill Klein Terahertzspektrometrie Breitbandige (gepulste) Strahlung B=4-5 THz ≈10fs ≈100 V TECHNISCHE UNIVERSITÄT BERLIN Fachgebiet Hochfrequenztechnik 13 Kirill Klein Terahertzspektrometrie Wechselwirkungen <300 cm-1 200-900 cm-1 >700 cm-1 TECHNISCHE UNIVERSITÄT BERLIN Fachgebiet Hochfrequenztechnik 14 Kirill Klein Terahertzspektrometrie Detektion • Photoleitende Antenne: Durch Laserimpuls und THz-Feld erzeugter Strom wird gemessen • Elektro-optisches Abtasten TECHNISCHE UNIVERSITÄT BERLIN Fachgebiet Hochfrequenztechnik 15 Kirill Klein Terahertzspektrometrie ANWENDUNGEN TECHNISCHE UNIVERSITÄT BERLIN Fachgebiet Hochfrequenztechnik 16 Kirill Klein Terahertzspektrometrie Terahertz-Zeitbereichsspektroskopie TECHNISCHE UNIVERSITÄT BERLIN Fachgebiet Hochfrequenztechnik 17 Kirill Klein Terahertzspektrometrie Quelle6 TECHNISCHE UNIVERSITÄT BERLIN Fachgebiet Hochfrequenztechnik 18 Kirill Klein Terahertzspektrometrie TECHNISCHE UNIVERSITÄT BERLIN Fachgebiet Hochfrequenztechnik 19 Kirill Klein Terahertzspektrometrie Medizinische Diagnostik TECHNISCHE UNIVERSITÄT BERLIN Fachgebiet Hochfrequenztechnik 20 Kirill Klein Terahertzspektrometrie Sicherheitsanwendungen TECHNISCHE UNIVERSITÄT BERLIN Fachgebiet Hochfrequenztechnik 21 Kirill Klein Terahertzspektrometrie Biomoleküle TECHNISCHE UNIVERSITÄT BERLIN Fachgebiet Hochfrequenztechnik 22 Kirill Klein Terahertzspektrometrie Nacktscanner Nicht nur Metalle, sondern auch einzelne Stoffe erkennbar!!! TECHNISCHE UNIVERSITÄT BERLIN Fachgebiet Hochfrequenztechnik 23 Kirill Klein Terahertzspektrometrie Anwendungen in Kunststoffindustrie TECHNISCHE UNIVERSITÄT BERLIN Fachgebiet Hochfrequenztechnik 24 Kirill Klein Terahertzspektrometrie Anwendungen in Kunststoffindustrie TECHNISCHE UNIVERSITÄT BERLIN Fachgebiet Hochfrequenztechnik 25 Kirill Klein Terahertzspektrometrie Anwendungen in Kunststoffindustrie TECHNISCHE UNIVERSITÄT BERLIN Fachgebiet Hochfrequenztechnik 26 Kirill Klein Terahertzspektrometrie Anwendungen in Kunststoffindustrie TECHNISCHE UNIVERSITÄT BERLIN Fachgebiet Hochfrequenztechnik 27 Kirill Klein Terahertzspektrometrie Anwendungen in Kunststoffindustrie TECHNISCHE UNIVERSITÄT BERLIN Fachgebiet Hochfrequenztechnik 28 Kirill Klein Terahertzspektrometrie CONDOR (1.5 THz) TECHNISCHE UNIVERSITÄT BERLIN Fachgebiet Hochfrequenztechnik 29 Kirill Klein Terahertzspektrometrie Stratospheric Observatory For Infrared Astronomy = SOFIA TECHNISCHE UNIVERSITÄT BERLIN Fachgebiet Hochfrequenztechnik 30 Kirill Klein Terahertzspektrometrie Hochbitratige Kommunikation mit THz-Wellen TECHNISCHE UNIVERSITÄT BERLIN Fachgebiet Hochfrequenztechnik 31 Kirill Klein Terahertzspektrometrie Hochbitratige Kommunikation mit THz-Wellen The Terahertz Communications Lab Philipps-Universität Marburg TU Braunschweig Deutsches Terahertz-Zentrum TECHNISCHE UNIVERSITÄT BERLIN Fachgebiet Hochfrequenztechnik 32 Kirill Klein Terahertzspektrometrie Qualitätskontrolle der Lebensmittel TECHNISCHE UNIVERSITÄT BERLIN Fachgebiet Hochfrequenztechnik 33 Kirill Klein Terahertzspektrometrie Qualitätskontrolle der Lebensmittel TECHNISCHE UNIVERSITÄT BERLIN Fachgebiet Hochfrequenztechnik 34 Kirill Klein Terahertzspektrometrie Qualitätskontrolle der Lebensmittel TECHNISCHE UNIVERSITÄT BERLIN Fachgebiet Hochfrequenztechnik 35 Kirill Klein Terahertzspektrometrie 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-airportscanners-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-unibochum.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. TECHNISCHE UNIVERSITÄT BERLIN Fachgebiet Hochfrequenztechnik 36
