Ultrakurze Pulse bei extrem großen Wellenlängen. Erzeugung und Anwendung von photonischer THz-Strahlung

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1 Ultrakurze Pulse bei extrem großen Wellenlängen Erzeugung und Anwendung von photonischer THz-Strahlung

2 47/2002 Splitternackt auf dem Monitor Eine geheimnisvolle Strahlung hält die Physiker in Bann: Allgegenwärtig und doch kaum nachweisbar strahlen die Terahertz-Wellen im Frequenzbereich zwischen Infrarotlicht und Mikrowellen. Nun sollen sie die Krebsvorsorge verbessern und die Flughäfen sicherer machen.

3 THz-Spektralbereich: Die THz-Lücke B Wellenlänge [m] terra incognita Radio V Mikrowellen THz-Strahlung Infrarot I UV S Frequenz [Hz] Frequenz [Hz]

4 Eigenschaften von THz-Strahlung THz-Strahlung ist nicht ionisierend keine Änderung der chemischen Eigenschaften von organischen Substanzen wichtig für lebende Zellen Charakteristische Absorptionen von nahezu allen polaren Molekülen spezifischer Nachweis auch für komplexe Moleküle 3 Nachweis von Veränderungen Pharmaka, Drogen, Sprengstoff Absorptionαz/2[a. u.] 2 1 CO + NO CO NO Absorptionskoeffizient [b. E.] 0 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 0,6 0,8 1,0 1,2 H 2 O Frequency [THz] 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Frequenz [THz]

5 Eigenschaften von THz-Strahlung Starke Absorption von polaren Flüssigkeiten (Wasser) geringe Eindringtiefe für wasserhaltige Substanzen quantitative Bestimmung des Wassergehalts Metalle sind nicht transparent für THz Dielektrika (Papier, Plastik, Textilien, etc.) sind transparent Nachweis von Substanzen innerhalb von Behältern (Verpackungen, Kleidung, etc.) Großes Anwendungspotenzial: Grundlagenforschung, Qualitätskontrolle, Sicherheitstechnologie,.

6 Nicht-klassische THz-Technologie Laser basierte Technologien Opto-elektronisch: - Schnelle photoleitende Schalter - Oberflächenemitter (mit Magnetfeld) Optisch: - optische Gleichrichtung - optische Gleichrichtung in PPLN - Differenzfrequenzerzeugung - Quantenkaskadenlaser - Gaslaser Empfänger: -Schnelle photoleitende Schalter - optolektronische Verfahren kohärente Messverfahren

7 Photoleitende Schalter: Emitter 80 µm Transiente Fotoleitung: Generation o Ultrakurze Pulse erzeugen freie Ladungsträger in Halbleitern o Beschleunigung der freien Ladungsträger durch externes elektrische Feld o Transienter Fotostrom j(t) o Abstrahlung eines THz-Impulses Laser Laserintensität Intensität I(t) I(t) V j E( t) j( t) t = P t Stromdichte j(t) Stromdichte j(t) o Nachweis mit fotoleitenden Antennen Time t Zeit

8 Photoleitende Schalter: Detektoren Current I(t) Fotoleitende Antenne: Generation o Ultrakurze Pulse erzeugen freie Ladungsträger in Halbleitern o Beschleunigung der freien Ladungsträger durch elektrisches Feld des zeitlich synchronisierten THz-Impulses o Transienter Fotostrom j(t) proportional zum THz Feld Current ampl. Lock-In THz pulse leading nir pulse j ( τ ) E( t) g( t τ ) dt o Messung von Amplitude und Phase RyMess THz pulse trailing nir pulse Time t

9 Photoleitende Schalter: Detektoren fs-nir Generation ps-thz Repetitionsrate Abtastrate MHz, 1 10 khz

10 Photoleitende Schalter: Detektoren t = 0 fs-nir Generation Generation I t Δt ps-thz Δt = 0 Repetitionsrate Abtastrate MHz, 1 10 khz

11 Photoleitende Schalter: Detektoren t = 0 fs-nir Generation Generation t I Δt ps-thz Δt = 0 Repetitionsrate Abtastrate MHz, 1 10 khz

12 Photoleitende Schalter: Detektoren t = 0 fs-nir Generation Generation t I Δt ps-thz Δt = 0 Repetitionsrate Abtastrate MHz, 1 10 khz

13 Photoleitende Schalter: Detektoren t = 0 fs-nir Generation Generation t I Δt ps-thz Δt = 0 Repetitionsrate Abtastrate MHz, 1 10 khz

14 Photoleitende Schalter: Detektoren Current I(t) Generation - NIR Pulse ist keine Delta-Funktion Generation - endliche Lebensdauer der Ladungsträger Mittelung über el. Feldstärke Generation j ( τ ) E( t) g( t τ ) dt t - Dipolstruktur der Antenne bestimmt Grenzfrequenz I Current ampl. Lock-In RyMess Time t THz pulse leading nir pulse THz pulse trailing nir pulse

15 Empfängerchip Empfängerchip THz-System receiver (SOS) transmitter (GaAs) absorption cell Empfängerchip Si - lens Empfängerchip receiver transmitter current ampl. Lock-In lens chopper DC-Bias (10 kv/cm) beam splitter RyMess delay fs laser: Puls length: Average power: Repetition rate: ~ fs ~ mw ~ MHz

16 Typische Eigenschaften Zeitbild o Direkte Messung des el. Feldes o Pulslänge < 1 ps o Signal-Rausch-Verhältnis 10 4 :1 (30 ms Integrationszeit) Fourier Transformation Electric field [a. u.] 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0-0,2-0, Delay [ps] Frequenzbild o Spektrale Amplitude o Phaseninformation o Nutzbare Bandbreite 100 GHz < ν < 3 THz Spectral amplitude [b. E.] ,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Frequency [THz]

17 Zeitbereichsspektroskopie o weak THz-pulses linear polarization of the medium Application of linear dispersion theory o Frequency domain: complex wave vector k ω ) = k + Δk ( ω ) + ( 0 α ( ω ) i 2 propagation along distance z in the medium α ( ω ) ik z z 0 iδk ( ω ) z 2 E( z, ω) = E(0, ω) e e e o Fourier transform E( z, t) i = ω ω t E( z, ) e dω Direkte Messung von Dispersion und Absorption

18 Zeitbereichsspektroskopie Electric field [a. u.] Delay [ps] FFT Spectral amplitude [a. u.] ,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Frequency [THz] Absorptionskoeffizient α/2 [cm -1 ] 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0,00 Absorption 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Dispersion Δk [rad/cm -1 ] 0,06 0,04 0,02 0,00-0,02-0,04 Dispersion 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Frequenz [THz] Frequenz [THz]

19 Semiconductor surfaces Acceleration of charge carriers by surface depletion field E d semiconductor Emitter with large area: THz-radiation - small divergence of THz-radiation - higher average power possible laser puls θ θ E d Generation of THz pulses in direction of transmission and reflection B THz-radiation Enhancement of THz-power using an external magnetic field

20 Experimental set-up (SOS) S poles semiconductor Si - lens Empfängerchip semiconductor N permant magnet current ampl. receiver B < 1,2 Tesla P IR < 700 mw Lock-In chopper beam splitter RyMess delay fs Ti:Sa laser system: Puls length: < 100 fs Average power: ~ 1,5 W Repetition rate: ~ 82 MHz

21 Semiconductor surfaces Electric field [a. u.] Electric field [a. u.] without magnetic field Delay [ps] with magnetic field Polarity 1 15 Polarity Delay [ps] Electric field [a. u.] Contribution of magnetic field Polarity 1 Polarity Delay [ps] Separation of contributions due to magnetic and surface depletion fields possible

22 Optical rectification ω 1 ω 1 2ω 1 ω 1 ω 1 1 +ω ω 2 1 ω 2 ω 2 Polarisation of the medium ω 2 P r P( t) = P( t) = χ P (1) (1) 2ω 2 ω 2 ω 2 E( t) ( t) + P ( 2) 2 (3) + χ E( t) + χ E( t) NL ( t) dc Nonlinear polarisation gives rise to: sum and difference frequency optical rectification Phase matching selects process

23 Optische Gleichrichtung Nonlinear polarization Electric THz field P NL I (t) di ( t) E THz ( t) dt Nonlinear material E THz Bandwidth Δν of fs pulse limits THz frequency ν max THz Δν fs Nonlinear materials: GaAs, ZnTe, LiNbO 3 GeSe Group velocity mismatch: v THz << v vis Finite crystal length

24 Optische Gleichrichtung in PPLN Periodisch gepoltes nichtlineares Material fs Impuls Nichtlineare Polarisation P NL I (t) Elektrisches Feld di ( t) E THz ( t) dt

25 Optische Gleichrichtung in PPLN Periodisch gepoltes nichtlineares Material fs Impuls Nichtlineare Polarisation P NL I (t) Elektrisches Feld di ( t) E THz ( t) dt

26 Optische Gleichrichtung in PPLN Periodically poled crystal THz radiation in backward direction 1,2 fs pulse surface emitted THz radiation 3 : + whole crystal surface acts as emitter + generation close to the surface low absorption Λ y z x THz radiation in forward direction 1,2 [1] Y. S. Lee, et. al., Appl. Phys. Lett. 76, 2505 (2000) [2] Y. S. Lee, et. al., Appl. Phys. Lett. 77, 1244 (2000) [3] C. Weiss, et. al., Opt. Lett. Opt. 26, 563 (2001)

27 Optische Gleichrichtung in PPLN Example: total internal reflection Λ = 127 µm n THz = 5.16 n IR = 2.3 ν THz = c Λ n IR n 1 THz sin Θ v THz = v IR sin Θ Frequency ν THz [THz] THz THz THz Forward direction Cherenkov- Strahlung v THz 0.0 Backward direction Θ Θ Internal emission angle Φ [deg] v IR

28 Experimenteller Aufbau Photoconductive antenna (SOS) 0.5 mm 8 mm 50 µm Δφ collection angle Si - Lens Empfängerchip focusing lens Currrent amplifier Receiver PPLN Lock-In λ/4 Chopper Beamsplitter RyMess Delay Ti:Sapphire laser Pulse duration: Average power: Repetition rate: 100 fs 1.5 W 82 MHz

29 Experimentelle Ergebnisse ν THz = c Λ n IR n 1 THz sin Θ Field amplitude [a. u.] Electric field [a. u.] Delay [ps] -10 PPLN: Λ = 127 µm, L = 8 mm Delay [ps] 12 Spectral amplitude [a. u.] Frequency [THz]

30 Abstimmbare THz-Quelle THz radiation THz radiation α Laser pulse Λ = 127 µm d = 7.5 mm Frequenz in Vorwärtsrichtung: ν THz = c Λ n cos α n IR THz

31 Eigenschaften typischer THz-Systeme: Quellen Gepulst Kontinuierlich kurze Impulse (< 1 ps) breitbandig lange Imulse (>10 ps) schmalbandig PCS, Oberflächenemitt er, Gleichrichtung, 1,0 Opt. Gleichrichtung in PPLN, GaAs, OPOs, 10 DFG, Photomixing, Direkte Laser: Gas, Ge, QCL,. Backward Oszillatoren Electric field [a. u.] 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0-0,2 Field amplitude [a. u.] , Delay [ps] Delay [ps] Spectral amplitude [b. E.] ,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Frequency [THz] Variable THz-Quellen im Frequenzbereich von 50 GHz bis 10 THz

32 Eigenschaften typischer THz-Systeme: Detektoren Direkte Detektoren Golay-Zelle Pyroelektrische Detektoren Schottky-Dioden Bolometer Kohärente Detektion Photoleitende Schalter Elektrooptische Detektion Heterodynverfahren local Oszillator Schottky-Dioden Gepulst, cw Gepulst, (cw) (Gepulst), cw Intensität Amplitude und Phase Amplitude und Phase W/Hz 1/2 > NEP > W/Hz 1/2

33 Anwendungen mit THz-Strahlung Ausnutzen charakteristischer Eigenschaften der photonischen THz- Strahlung: Intensität Zeitstruktur Amplitude/Phase Imaging Tomographie Spektroskopie pump-probe TDS 0,51,01,52,02,53,03,54,0 Frequenz [THz] 0,51,01,52,02,53,03,54,0 Kombinationen unterschiedlicher Nachweistechniken

34 Anwendungen mit THz-Strahlung Grundlagenforschung: Zeitaufgelöste Spektroskopie (vis-pump/thz-probe) Molekülspektroskopie Ladungsträgerdynamik in Halbleitern Oberflächenplasmonen Metamaterialien Industrielle Anwendungen: Qualitätskontrolle, industrielle Inspektion Gasmesstechnik Sicherheitstechnologie Medizin

35 THz-Einsatz in der industriellen Inspektion Bildgebende Verfahren: Spektroskopie: 1-dim 2-dim 3-dim komplexer Brechungsindex, Frequenz Intensität Amplitude und Phase Zeitverzögerung Messungen innerhalb nicht transparenter (vis, IR) Behälter Grenzschichten, Dichte, Konzentrationen, Streuung, Absorption, Fremdkörper, Hohlräume

36 THz technology THz system with fiber coupled emitter and detector Well suited for industrial applications

37 THz technology Lab system portable - modular modular, portable und flexible - compact - flexible

38 THz technology THz system with fiber coupled emitter and detector THz components Well suited for industrial applications Photoconductive switches based on GaAs and InGaAs technology

39 THz technology THz system with fiber coupled emitter and detector Well suited for industrial applications THz components THz measuring methods Photoconductive switches based on GaAs and InGaAs technology Triangulation 2D-Imaging Reflection und transmission Real time

40 THz technology THz system with fiber coupled emitter and detector THz components THz measuring methods 2D imaging Variabler Einsatz für industrielle Anwendungen Photoleitende Schalter auf GaAs und InGaAs-Basis Vertrieb als OEM-Produkt Triangulationsverfahren 2D-Imaging Reflexions- und Transmissionsverfahren Echtzeitmessungen

41 THz technology THz system with fiber coupled emitter and detector THz components THz measuring methods 2D imaging Time delay measurements Aufbau eines Faserlaser-gepumpten THz-Systems, Demonstration auf der ACHEMA (Frankfurt) Photoleitende Schalter auf GaAs und InGaAs-Basis Vertrieb als OEM-Produkt Triangulationsverfahren 2D-Imaging Reflexions- und Transmissionsverfahren Echtzeitmessungen

42 THz imaging THz 30 μm Non-contact measurements of thickness of transparent objects (for THz) Measurements in reflection and/or transmission Measurements of paint (airplanes) and coatings (pharmaceutical industry), etc. 30 μm Layers of Scotch tape on a plastic plate (time delay measurements)

43 THz-Imaging Measuremetn of transmission, delay, phase, reflection Spectral information for each single pixel Spatial resolution < 1 mm

44 THz-Imaging

45 Security Problems stand-off detection?

46 Security Problems Combination with other security systems THz spectroscopy for identification of explosives X.-C. Zhang, RPI

47 Anwendungsfelder in der industriellen Inspektion Qualitätskontrolle fertiger Komponenten Überwachung von Fertigungs- und Bearbeitungsprozessen Wann ist THz sinnvoll? - einzige Technologie, die das Problem löst - deutliche Vorteile gegenüber andern Verfahren wirtschaftlicher schneller umweltfreundlicher geringere Gesundheitsgefährdung bessere Resultate (Genauigkeit, Empfindlichkeit, etc.) - Vergleich mit existierenden Verfahren Ersatz Ergänzung nicht geeignet

48 Anwendungsfelder in der industriellen Inspektion Kunststoff- und Verbundwerkstoffindustrie: Detektion von Materialinhomogenitäten und Fremdkörpern, Kontrolle von Mehrschichtsystemen, Delamination, Lunker Holz- und Möbelindustrie: Detektion von Verklebungsfehlern Lebensmittelindustrie: Detektion von Fremdkörpern, Messung der Schichtdicke der Schokoladenhülle von Pralinen Metallindustrie und Autoindustrie: Detektion von Dellen in Blechen oder Metallteilen, Detektion von Lackschäden, Klebeverbindungen, Kunststoffe, beschichtete Oberflächen Verpackungsindustrie: Endkontrolle von Vollständigkeit und/oder Füllstand Pharmaindustrie: Produktpiraterie, Prozesskontrolle Luftfahrtindustrie: Verbundwerkstoffe, Festtreibstoffe Halbleiterindustrie: Flussmittelverteilung, Lötstellen

49 Kunststoffindustrie Particle size around 1 µm REM image of Mg(OH) 2 powder Messung von Inhomogenitäten bei konstanter Dicke M. Koch TU Braunschweig

50 Echtzeit-Gasanalyse Nachweisgrenzen: -CO: -NO: -HCl: -NH 3 : 20 ppm m 20 ppm m 300 ppm m 300 ppm m Messungen in stark streuender Umgebung möglich Time domain Frequency domain Absorption spectrum 1.3 Hz rep. rate HCl Messung durch Kunststoffrohre hindurch tm-technisches Messen 68,388 (2001)

51 Pharmaindustrie 6 80 Absorbance 4 2 L-alanine D-alanine DL-alanine Intermolecular vibrational modes Abs.coeff [cm -1 ] APharma Ratiopharm Bayer reine Acetylsalicylsäure Tani et al Wavenumber (cm -1 ) Determination between enantiomers and racemic compounds Frequency [THz] Unterschiedliche Zusammensetzung verschiedener Aspirin -Sorten Gorenflo (IPM) et al Kombination von Spektroskopie und bildgebenden Verfahren Wirkstoffnachweis in Pharmaka, Verfall, Produktpiraterie,..

52 Halbleiterindustrie

53 Luftfahrtindustrie

54 Luftfahrtindustrie Dr. Eric Madaras (NASA Langley Research Center) and RPI Researchers 57 defects were pre-built in a foam sample, can THz wave find them? 4 imaging methods were investigated: THz wave, microwave, backscatter x-ray, laser shearography

55 Luftfahrtindustrie X. C. Zhang Nature, August 14, 2003

56 Lebensmittelindustrie Kontrolle von Fremdkörpern: - Stark streuende Medien - Pulver, etc. z. B.: Plastik in Mehl M. Herrmann

57 Topografische Messungen: THz-Radar X.-C. Zhang, RPI THz transceiver target Distance: 15 meters THz Höhere räumliche Auflösung im Vergleich zu abbildenden Verfahren mit Mikrowellen Dave Zimdars, Picometrix, Inc.

58 Sicherheitstechnik 10 8 cocaine 10 8 morphine Absorption αd lactose PE plastic bag Absorption αd Frequency [THz] Moleküle einschließlich Drogen, Pharmaka, Sprengstoffe haben charakteristische Absorptionen im THz-Bereich. Nachweis innerhalb der Verpackung. 0 Frequency [THz] Peter Uhd Jepsen, Research Center COM Technical University of Denmark

59 Sicherheitstechnik

60 Sicherheitstechnik Laser L G E H S Emitter Detector Target

61 Kommerzielle Systeme Teraview? IPM THz-System Picometrix Tochigi Nikon Corporation Rensselaer

62 Zusammenfassung THz Technologien für industrielle Anwendungen: Vielzahl optischer Technologien zur Erzeugung und zum Nachweis von THz-Strahlung verfügbar, prinzipiell vielfältige Anwendungen, THz-Systme müssen kompakter, preisgünstiger und schneller werden, bildgebende und/oder spektroskopische System, kontinuierlich und gepulst, anwendungsorientierte Lösungen und Systemintegration erforderlich, THz-Technologie als Ergänzung zu und in Kombination mit anderen etablierten Verfahren, großes Marktpotenzial in verschiedenen Anwendungsfeldern, wie z. B. in der Kunststoffindustrie

63 Zusammenfassung THz Technologien für die Grundlagenforschung: Vielzahl optischer Technologien zur Erzeugung und zum Nachweis von THz-Strahlung verfügbar, prinzipiell vielfältige Anwendungen, Aber: THz-Systeme sind zur Zeit i. a. Bestimmung des komplexen Brechungsindex, Amplitude und Phase spektrale Information, zu teuer hohe Zeitauflösung, zu aufwändig Pump-Probe-Experimente, Modellsysteme für die Nanowelt (Linearität der Maxwell- Gleichungen) zu langsam

64 Ausblick Technologische und wissenschaftliche Problemstellungen: 1. Kompakte preisgünstige THz-Quellen: gepulst: kontinuierlich: fs-faserlaser hoher Leistung QCLs cw Mischsysteme hochfrequente elektr. Systeme direkte Laser 2. Empfindliche 1- und 2-dim. Detektionsverfahren 3. Entwicklung schneller Messverfahren ( video rate ) 4. Kombination mit anderen Messverfahren z. B.: Lichtschnitt: Oberflächenvermessung + THz: zusätzlicher Blick ins Innere 5. Systemintegration