THz Physik: Grundlagen und Anwendungen

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1 THz Physik: Grundlagen und Anwendungen Inhalt: 1. Einleitung 2. Wechselwirkung von THz-Strahlung mit Materie 3. Erzeugung von THz-Strahlung 3.1 Elektronische Erzeugung 3.2 Photonische Erzeugung 3.3 Nachweis von THz-Strahlung 4. Erzeugung ultrakurzer Pulse (Grundlagen) 5. THz-Optik 6. THz-Zeitbereichs-Spektroskopie 6.1 Komplexer Brechungsindex 6.2 Fouriertransformation 7. Anwendungen

2 Photoleitender Schalter als Detektor Kohärente Detektion Detektor ist aktiv für < 1 ps (aktiviert durch fs-impuls) Sampling durch Änderung der Zeitverschiebung zwischen Emitter- und Detektor-Impulsen

3 Ansätze ohne mechanische Verzögerungsstrecken ASOPS (asynchronous optical sampling) Information (~100 ps) Benötigt zwei Laser mit unterschiedlicher Repetitionsrate unterschiedliche Resonatorlängen ~99 % der Messzeit ist Verschwendung Warten (~ ns)

4 Abtastbreite [s] Messzeit [s] Ansätze ohne mechanische Verzögerungsstrecken ASOPS (asynchronous optical sampling) Zeitauflösung: ,2x ,0x fs MHz 1x10-2 8,0x x10-3 Messzeit: T 1 6,0x ,0x fs 1x10-4 ASOP- Faserlaser- System: 250 MHz 0 2,0x , Differenzfrequenz [Hz]

5 Ansätze ohne mechanische Verzögerungsstrecken ASOPS ECOPS (electronically controlled optical sampling) nachdem nützliche Information aufgenommen Änderung der Resonatorlänge Wahl des abzuscannenden Zeitbereichs Effizienz der Messung

6 ECOPS (electronically controlled optical sampling) nachdem nützliche Information aufgenommen Änderung der Resonatorlänge Wahl des abzuscannenden Zeitbereichs Effizienz der Messung zwei Faserlaser (Oszillatoren, Pumpdiodensätze, Diodentreiber, Isolatoren, Verstärker, Kompensation, ) einer davon: Variabel in der Resonatorlänge benötigt Stabilisierung des variablen Lasers auf den anderen

7 Ansätze ohne mechanische Verzögerungsstrecken ASOPS ECOPS OSCAT (optical sampling by cavity tuning) t = t 0 Emitterarm Mechanische Verzögerung Detektorarm

8 Ansätze ohne mechanische Verzögerungsstrecken ASOPS ECOPS OSCAT (optical sampling by cavity tuning) t = t 0 Emitterarm Detektorarm

9 Ansätze ohne mechanische Verzögerungsstrecken ASOPS ECOPS OSCAT (optical sampling by cavity tuning) t = t 0 Emitterarm t E t E = t D t D Änderung der Repetitionsrate Detektorarm

10 Ansätze ohne mechanische Verzögerungsstrecken ASOPS ECOPS OSCAT (optical sampling by cavity tuning) t = t 0 Emitterarm Detektorarm

11 Ansätze ohne mechanische Verzögerungsstrecken ASOPS ECOPS OSCAT (optical sampling by cavity tuning) t = t 0 Emitterarm t E t E t D t D Änderung der Repetitionsrate Detektorarm

12 OSCAT (optical sampling by cavity tuning) Wahl des abzuscannenden Zeitbereichs durch Differenz der Weglängen ein Faserlaser: Variabel in der Resonatorlänge Erfordert große Wegdifferenz zwischen Detektor- und Emitterarm Instabilitäten und Pulsverbreiterung durch Faserstrecke

13 Elektro-optische Detektion

14 Elektro-optische Detektion

15 Elektro-optische Detektion Terahertz-Impuls: Phasengeschwindigkeit NIR-Impuls: Gruppengeschwindigkeit Effektive Kristalllänge

16 Elektro-optische Detektion

17 Elektro-optische Detektion

18 Elektro-optische Detektion

19 Messprinzip Measuring principle Start End Emitter Receiver Time Start arrival Start

20 Messprinzip Measuring principle Start End Emitter Receiver Time Start arrival Start

21 Messprinzip Measuring principle Start End smaller amplitude delay absorption and/or thickness thickness and/or index of refraction Emitter Receiver Time Start Start arrival additional modulations spectroscopic information

22 electric field [arb. u.] Messprinzip Direkte Messung des elektrischen Feldes Kohärente Detektion mit hohem S/N Verhältnis Informationen über: Amplitude/Intensität amplitude delay time reference with sample spectral features echos Zeitverzögerung Spektraler Inhalt time [ps]

23 Zeitbereichsspektroskopie TDS Zeitbereich Direkte Messung des elektrischen Feldes (Amplitude und Phase) Impulsdauer < 1 ps Signal-Rausch-Verhältnis > 10 3 :1 (30 ms Integrationszeit) Fourier Transformation Frequenzbereich Spektrale Amplitude Phaseninformation Nutzbare Bandbreite 100 GHz < < 4 THz

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