THzSpektrometrie

Report
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

similar documents