Hochmobile Echtzeit-THz- Zeitbereichsspektroskopie

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1 Hochmobile Echtzeit-THz- Zeitbereichsspektroskopie Kompakte Terahertzsysteme ermöglichen Vor-Ort-Analysen Zahlreiche Terahertzanwendungen wurden erfolgreich im Labormaßstab entwickelt. Im Praxiseinsatz herrschen jedoch andere, weniger kontrollierbare Umgebungseinflüsse vor als im Labor. Kompakte, integrierte Terahertzspektrometer sind flexibel einsetzbar, sodass sie für Vor-Ort-Analysen eingesetzt werden können. Außerdem erlauben sie Echtzeitanalysen und erweitern so das Einsatzspektrum kommerzieller Produkte. Terahertz-(THz-)Strahlung bezeichnet den Anteil des elektromagnetischen Spektrums zwischen Infrarot- und Mikrowellenstrahlung, d. h. nominell den Frequenzbereich von 0,1 bis 10 THz. Die Erzeugung, Detektierung und Anwendung von Terahertzstrahlung hat in den vergangenen Jahren geradezu explosionsartig zugenommen, ebenso wie die Anzahl wissenschaftlicher Publikationen zum Thema. Die häufigsten Anwendungen im Labor liegen im Bereich der grundlagenorientierten Werkstoffwissenschaften und erstrecken sich von Vibrationsmoden in der Organik bis hin zur Aufdeckung von Leitungsmechanismen in Halbleitern. Außerhalb von Labors liegen vielversprechende Einsatzbereiche in der chemischen Analytik und Schichtdickenmessung. Besonderes Interesse zeigte sich bereits im Bereich sicherheitstechnischer Anwendungen, da die Technologie geeignet ist, um Sprengstoff zu detektieren, der unterhalb von Materialien wie Textilien oder Kunststoff verborgen ist. THz-Spektroskopie Terahertz-Zeitbereichsspektroskope nutzen das Aussenden und die Laufzeitmessung ultraschneller Laserimpulse. Ein typisches System (s. Abbildung 1a) enthält einen ultraschnellen Laser im Zentrum. Der Laserimpuls wird aufgeteilt in einen Pump- und einen Sondenimpuls, deren relative Laufzeit mittels einer Zeitverzögerungseinrichtung, etwa eines Lineartisches oder einer rotierenden Verzögerungsoptik, gesteuert wird. Der Pumpimpuls erzeugt Fotoladungsträger, die zwischen einer geladenen Antennenanordnung, die einen THz-Impuls erzeugt, beschleunigt werden. Der Impuls wechselwirkt entweder über Transmission oder über Reflexion mit der zu untersuchenden Probe und wird anschließend wieder in den THz- Detektor gebündelt. Dieser Detektor wird durch den Sondenimpuls gegatet. Während die Verzögerung zwischen Pump- und Sondenimpuls das Spektrum durchläuft, wird das gesamte elektrische Feld der THz-Wellenform (Abbildung 2a) aufgenommen. Eine Fouriertransformation dieses Breitbandimpulses liefert die Amplitude und Phaseninformation des THz-Spektrums (Abbildung 2b). Im Labor wird zur Erzeugung ultrakurzer Impulse meist ein Ti:Saphir-Laser eingesetzt, der extrem kurze Impulse (10 bis 100 fs) mit sehr hoher Durchschnittsleistung (400 mw bis 3 W) liefern kann. Allerdings sind diese Apparaturen aufgrund ihrer Größe und Empfindlichkeit gegenüber Umgebungseinflüssen nicht für den mobilen Einsatz geeignet. In der jüngsten Vergangenheit wurden kompakte Faserlaser mit Leistungswerten entwickelt, die hinreichende Leistung (> 20 mw) und Pulsbreiten (< 100 fs) liefern, um THz-Systeme mit hohem Dynamikumfang anzutreiben. Getrieben von Entwicklungen im Telekommunikationssektor sind inzwischen erbiumdotierte Faserlaser in Baugrößen und einer Zuverlässigkeit kommerziell verfügbar, die ein breites Spektrum von Anwendungen erlauben, welche zuvor auf kontrollierte Laborumgebungen beschränkt waren. Aufgrund der moderaten Pulsenergien, die mit Faseroszillatoren erzeugt werden können, sind fotoleitende Antennen, bestehend aus einem Halbleitersubstrat mit applizierten metallischen Streifenleitern, optimale Terahertzemitter. Die Streifenleiter erhalten eine elektrische Vorspannung (Bias). Sobald der Pumpimpuls die Streifenleiter erreicht, verwandeln die injektierten Fotoladungsträger den Halbleiter von einem Isolator zu einem Leiter und verursachen so einen Stromstoß. Dieser transiente Strom Der Autor Norman Laman Dr. Norman Laman wurde 2005 an der Universität Toronto zum PhD in Experimentalphysik promoviert. Seine Forschungen richteten sich auf Ströme, die mittels nichtlinearer Optiken in Halbleitern erzeugt werden. Im Anschluss an seine Promotion arbeitete Laman an der Oklahoma State University im Bereich Terahertzspektroskopie mit Wellenleitern. Seit 2008 ist der Physiker bei der Zomega Terahertz Corporation tätig, wo er für die Optimierung von THz-Spektrometern zuständig ist. Dr. Norman Laman Zomega Terahertz Corp Sixth Ave. Troy, NY 12180, USA Tel.: nlaman@z-thz.com Website: emittiert elektromagnetische Strahlung, deren zeitlicher Verlauf der Stromerzeugung (optische Pulsbreite, Beweglichkeit, Bias) und Stromabnahme (Plasmaabschirmung, Ladungsträgerfallen/Trapping) entspricht, woraus sich ein Breitband-Terahertzimpuls ergibt. Dieser Impuls wird typischerweise über eine Si-Linse gebündelt und entweder über einen außeraxialen Parabolspiegel oder eine Polymerlinse weiter kollimiert. Es existieren zwei Standardtechnologien zur zeitaufgelösten Detektion von Terahertzstrahlung. Ein Ansatz besteht darin, eine weitere fotoleitende Antenne zu nutzen, die mit dem Sondenimpuls gegatet wird. Hierbei erzeugt der THz-Impuls nur dann einen elektrischen Strom, wenn die Antenne gegated ist, sodass der THz-Impuls gesampelt werden kann. Die zweite Variante nutzt den Pockelseffekt in einem nichtzentrosymmetrischen Kristall und wird als 42 Optik & Photonik Oktober 2011 Nr Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

2 ABB. 1: a) Schematische Darstellung eines typischen THz-Spektrometers im Transmissionsmodus. b) Reflexionsmodus. c) Doppeltransmissionsmodus. ABB. 2: a) THz-Wellenform im Zeitverlauf ohne Probe (Referenz) und nach Transmission durch ein alpha-lactose-pellet. Pelletwellenform zur Verdeutlichung verschoben. b) Zugehörige Spektren, ermittelt über Fouriertransformation der Wellenformen im Zeitverlauf. Die Pfeile zeigen charakteristische Absorptionsmerkmale von alpha-lactose. elektrooptisches Sampling bezeichnet. Hier durchstrahlen der THz-Impuls und der Sondenimpuls den Kristall gemeinsam. Der THz-Impuls induziert eine Doppelbrechung im Kristall, die eine leicht elliptische Sondenpolarisation erzeugt. Diese Elliptizität wird mittels einer Viertelwellenplatte, eines Wollaston-Prismas und zweier abgestimmter Fotodioden gemessen. Das resultierende Signal ist proportional zum elektrischen THz-Feld (das Vorzeichen richtet sich nach dem Vorzeichen des Felds), wodurch der THz-Impuls gesampelt wird. Diese zweite Technik ist weniger anfällig gegenüber Ausrichtungsinstabilitäten des Strahls, da typische fotoleitende Antennenreceiver eine Spaltbreite von 5 µm aufweisen, während elektrooptische Kristalle typische Samplingbereiche von 100 bis 300 µm aufweisen. Eine große Bandbreite an optischen Verzögerungseinrichtungen ist verfügbar; die meisten arbeiten mechanisch. Das Hauptmerkmal einer typischen Wellenform ist ihre Länge von einigen ps, während Nachschwingerscheinungen im polykristallinen Festkörper auf Raumtemperatur mehrere 10 ps Länge aufweisen. Eine Verzögerung von 100 ps entspricht einer physikalischen Entfernung von 3 cm. Es existiert eine immanente Austauschbeziehung zwischen der Größe, Geschwindigkeit und Verzögerungsspanne einer physikalischen Verzögerungseinrichtung. In Laborsystemen werden üblicherweise große, langsame Verfahreinheiten verwendet. Diese sind geeignet, wenn die Aufnahmegeschwindigkeit weniger relevant ist und die Umgebungsbedingungen während langer Scanzeiten präzise eingestellt werden können. In kompakten Systemen müssen die Verfahreinheiten klein sein, wodurch deutlich höhere Verfahrgeschwindigkeiten möglich werden, sodass sie einfacher zu handhaben und deutlich toleranter gegenüber der Veränderung von Umgebungsbedingungen sind. Hohe Raten der Wellenformaufnahme blenden Umgebungsvariationen effektiv für die Dauer der Analyse aus und eine Mittelwertbildung vieler THz-Impulse liefert qualitativ hochwertigere Daten, selbst wenn die Einzelpulse höheres Rauschen aufgrund kürzerer Abtastzeitkonstanten aufweisen oder bei variablen Umgebungsbedingungen aufgenommen wurden. Das Platzieren einer Probe in den THz- Strahl verändert den Impuls grundsätzlich auf zweierlei Art. Zum einen verschiebt der (von 1 abweichende) Brechungsindex der Probe den Impuls hin zu späteren Zeiten. Hieraus resultiert außerdem eine spektrale Phasenverschiebung. Bei bekannter Probendicke lässt sich somit einerseits der tatsächliche Brechungsindex als Funktion der Frequenz ermitteln. Wenn andererseits der THz-Brechungsindex des Materials bekannt ist, kann die Probendicke mit dieser berührungslosen Methode gemessen werden. Multiple Reflexionen in einer Probe erzeugen sekundäre Signalspitzen, sodass sich dadurch die Dicke mehrlagiger Materialien bestimmen lässt. Zum zweiten ergibt sich eine Abschwächung der Terahertzsignalstärke, und somit Reduktion der Spektralamplitude, infolge Absorption in der Probe. Scharf abgegrenzte Spektrallinien stehen in Verbindung mit Nachschwingerscheinungen im zeitlichen Signalverlauf. Für das Beispiel in Abbildung 2b sind die breiten Merkmale bei 0,55 und 1,39 THz charakteristische Absorptionserscheinungen der alpha-lactose- Probe. Die vielen schmalen Signalmerkmale sind auf Wasserabsorption zurückzuführen, wobei die stärksten Linien bei etwa 1,1 THz, ein Einzelmerkmal bei 1,4 THz und Doppelmerkmale um 1,7 und 1,9 THz liegen. Zwei Standardmodi sind in der Terahertzspektroskopie verbreitet. Im Transmissionsmodus wird eine Probe einfach im THz- Strahl positioniert, wie in Abbildung 1a gezeigt. Das Durchstrahlungssignal wird mit dem Referenzsignal verglichen, um das Absorptionsspektrum zu erhalten. Hieraus ergibt sich im Allgemeinen das qualitativ hochwertigste Signal bei hinreichend transparenten Proben. Allerdings eignet sich diese Vorgehensweise nicht für undurchlässige Proben oder solche, die zu unhandlich sind, um in der THz-Apparatur platziert zu werden. In diesen Fällen kann der Reflexionsmodus genutzt werden. Wie Abbildung 1b zeigt, wird der THz-Strahl von einem Strahlteiler (beispielsweise ein hochohmiger Si- Wafer) reflektiert und auf die Probe fokussiert, von wo er reflektiert und zurück durch den Strahlteiler geleitet wird. Ein Strahlteiler reduziert zwar die THz-Leistung, doch demgegenüber ist die Probenausrichtung deutlich einfacher und sicherer als bei der komplizierteren Sender-Empfänger-Anordnung. In einigen Fällen reflektieren die Proben schwach, sind aber unhandlich. Dann wird der Reflexionsmodus verwendet, jedoch mit einem Spiegel hinter der Probe, sodass ein doppelter Transmissionsmodus vorherrscht (Abbildung 1c). Einer der begrenzenden Faktoren für den Arbeitsabstand zwischen Die Firma Zomega Terahertz Corp. Zomega Terahertz was incorporated in 2005 to commercialize a number of THz innovations. We manufacture THz spectrometers, optics and accessories. Our flagship product is the mini-z compact THz spectrometer Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim 43

3 ABB. 3: a) Mini-Z-Spektrometer, montiert für Bildaufnahme in Doppeltransmission. Die Proben sind als Aminosäurepellets auf einem Spiegel angeordnet. b) Zeitverlauf des Signals des mini-z im Transmissionsmodus. c) Zugehöriges Spektrum. Das Rauschen (rot) wird über Maskieren des THz-Strahls ermittelt. ABB. 4: Aufnahme der Pellets aus Abbildung 3. Das große Bild entspricht den Signalspitzen des elektrischen THz-Felds in Doppeltransmission. Die kleinen Bilder sind THz-Wellenformen von Signalen durch ein Pellet (rot) und reflektiert von einem Spiegel (orange-gelb). der Apparatur und der Probe ist der Verfahrbereich des Verzögerungstisches, da jegliche Zunahme des THz-Strahlenwegs mit einer passenden Zunahme des Probenstrahlenwegs kompensiert werden muss. Kompakte Systeme THz-Spektrometer für den Laboreinsatz sind nützliche Werkzeuge in Forschung und Entwicklung, ihr Einsatz erfordert jedoch Expertenwissen in Optik, sodass der Kreis von Forschern und Ingenieuren, die diese Instrumente und die Terahertztechnologie produktiv einsetzen können, begrenzt ist. Diese Einschränkung wird zusätzlich durch die notwendigen Einrichtungen zum Betrieb von Laborsystemen verschärft, wie etwa große Optiktische und sehr zuverlässige Atmosphärenkontrollen für Feuchtigkeits- und Temperaturregelegung. Noch bedeutender ist, dass es eine Reihe von Anwendungen gibt, bei denen es nicht praktikabel ist, das Untersuchungsobjekt in ein Labor zu bringen oder die Proben in einer vorgegebenen Geometrie auf einem Optiktisch unterzubringen. Um derartige Untersuchungen zu ermöglichen, sind kompakte, portable Systeme zur Marktreife gebracht worden. Diese Systeme beinhalten Laser, Emitter, Detektor, Verzögerungseinrichtung sowie die notwendige Steuerungselektronik. Die kurzen Signalwege, die ein solches System bietet, fördern aufgrund der geringen lateralen Abweichung, die bei Laserausrichtungen stets zu berücksichtigen ist, außerdem die Gesamtstabilität des Systems. Ein monolithisches Rückwanddesign der Optik verbessert die Stabilität des Systems gegenüber thermisch bedingten Schwankungen. Abweichungen infolge Veränderungen der Luftfeuchtigkeit bleiben trotz ihres geringen Einflusses auf die technischen Komponenten jedoch zu berücksichtigen, da Wasserdampf den THz-Strahl selbst absorbiert. Falls möglich, können Einflüsse, die auf Luftfeuchtigkeitsvariationen zurückzuführen sind, dadurch minimiert werden, dass der THz-Signalweg in einer Umgebung platziert wird, die mit getrockneter Luft geflutet ist. Die Zomega Terahertz Corporation hat 2007 den mini-z vorgestellt, das erste kommerziell verfügbare kompakte THz-TDS-System, mit den Abmessungen cm 3 und einem Gewicht von 2,2 kg. Dieses integrierte System enthält Emitter, Detektor, Laser und DSP-Elektronik (s. Abbildung 3a). Zusätzlich wird eine externe Laserenergieversorgung sowie ein Steuerungsrechner eingesetzt. Als Emitter wird eine fotoleitende Niedertemperatur-GaAs-Antenne mit einem sinusförmigen Bias von 100 V und 100 khz verwendet. Der Detektor ist ein elektrooptischer ZnTe-Kristall. Die Biasmodulation gewährleistet, dass die Signalfrequenz des Detektors oberhalb des 1/f-Rauschens des Lasers liegt. Als Verzögerungsstrecke dient ein mechanischer Sechsfach-Lineartisch (2 Pump, 4 Probe), sodass eine Verzögerung von 50 cm bei dennoch kompakten Abmessungen erreicht wird. Der Verfahrbereich des Tisches ist einstellbar, damit zwischen Verzögerung und Samplinggeschwindigkeit der Wellenform optimiert werden kann. Noch entscheidender ist, dass durch die einstellbare Verzögerung Proben im Reflexionsmodus bei einer großen Bandbreite an Arbeitsabständen untersucht werden können. Das beige Modul in der Abbildung enthält Siliziumstrahlteiler, Spiegel und Polyethylenlinse für Reflexions- oder aber Doppeltransmissionsmessungen. Für einfache Transmissionsmessungen können die nicht benötigten Komponenten entfernt werden. Die Strom- versorgung des Lasers und der Steuerungsrechner sind nicht abgebildet. Eine typische Wellenform und ihr zugehöriges Spektrum sind in Abbildungen 3b und 3c dargestellt. Hier sind Mittelwerte von 100 Scans über 25,4 Sekunden aufgenommen worden, sodass sich ein Signal-Rausch-Verhältnis im Zeitbereich von nahezu und eine Bandbreite von mehr als 4 THz ergibt. Häufig wird eine Probe auf einem motorgetriebenen xy-tisch montiert und ein THz- Bild über einen Rasterscan erzeugt. Die resultierenden 3D-Daten enthalten eine THz-Wellenform (und das zugehörige Spektrum) für jeden Rasterpunkt. Das Beispiel in Abbildung 3a ergibt sich aus 16 Pellets, die auf einem Spiegel arrangiert wurden. Die Pellets enthalten zahlreiche Aminosäuren, verteilt in HD-Polyethylen (high density). Abbildung 4 zeigt eine Falschfarbenaufnahme des elektrischen THz-Felds der gesamten Probe zu einem spezifischen Zeitpunkt. Das untere kleine Bild zeigt die von einem Sektor des Spiegels reflektierte, vollständige THz- Wellenform. Die obere Kurve visualisiert die Terahertzwellenform, wie sie von einem der Pellets reflektiert wird. Diese Wellenform zeigt zwei Hauptmerkmale. Das Merkmal zu früheren Zeiten ist das Terahertzsignal, das von der vorderen Fläche des Pellets reflektiert wird, das spätere Merkmal repräsentiert dagegen das Signal, welches in Doppeltransmission durch das Pellet geleitet wurde. Eine Fouriertransformation des ersten Merkmals würde somit das Reflexionsspektrum, eine Fouriertransformation des zweiten Merkmals entsprechend das Transmissionsspektrum liefern. Bemerkenswerterweise ist auch zu erkennen, dass einige THz-Merkmale auf Defekte oder Verunreinigungen in den Pellets zurückzuführen sind, die in einer normalen spektroskopischen Untersuchung nicht offensichtlich wären. Obwohl das mi- 44 Optik & Photonik Oktober 2011 Nr Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

4 ABB. 5: a) Foto eines micro-z. b) Signal eines micro-z im Zeitverlauf. c) Zugehöriges Spektrum. ni-z kompakt ist, eignet es sich für einige Anwendungen, die besondere Mobilitätsanforderungen aufweisen (wie etwa in der Sicherheitstechnik). Das von Zomega vorgestellte micro-z, ein batteriebetriebenes Handgerät, das die Steuerung und Displayelektronik enthält, ist speziell für mobile Anwendungen entwickelt worden. Seine Abmessungen betragen cm 3 bei einem Gewicht von 4,7 kg inklusive Batterie. Die Bauform ähnelt der einer akkubetriebenen Handbohrmaschine. Oberhalb des Griffes liegen Laser, Optik, THz-Komponenten und der Steuerungsrechner, während Batterie und Stromversorgung im unteren Bereich arrangiert sind (Abbildung 5a). Mit Hilfe der rautenförmigen Tasten wird das Spektrometer über Bildschirmmenüs bedient. Das System funktioniert vollständig autark, da auch die dem Bediener im Display angezeigten spektroskopischen Analysen mit einer spektroskopischen Datenbank abgeglichen werden, sodass unmittelbar abgelesen werden kann, welche Stoffe aus der Datenbank dem gemessenen THz-Spektrum entsprechen. Durch den Einsatz als Handgerät ergeben sich einige spezifische Herausforderungen gegenüber einem stationären Einsatz, beispielsweise die Umgebungsvariationen infolge beabsichtigter oder unabsichtlicher Handbewegungen relativ zum Messobjekt. Um zeitliche und amplitudenbezogene Schwankungen auszugleichen, die durch Verwackeln und Zittern des Bedieners entstehen, wurde ein Hochgeschwindigkeitsrotationstisch als Verzögerungseinrichtung integriert, der eine 100-ps-Wellenform innerhalb von 2 ms aufnehmen kann. Im Gegensatz zum mini-z ist das micro-z für einen festen Arbeitsabstand von 8 cm ausgelegt. Dies ergibt sich daraus, dass die rotierende Verzögerungseinrichtung nicht so flexibel einsetzbar ist, wie der Lineartisch des mini-z. Ein zweiter, größerer Tisch, mit dem unterschiedliche Arbeitsabstände kompensiert werden könnten, würde die Baugröße des micro-z unzulässig vergrößern. Zwei Laserdioden, die den Bediener zum korrekten Arbeitsabstand leiten, sind vorn am Gerät montiert. Im Reflexionsmodus verursachen Handbewegungen deutliche Zeitverschiebungen, die dadurch ausgeglichen werden, dass die Signalspitzen vor der Mittelwertbildung ausgerichtet werden. Abbildungen 5b und 5c zeigen das zeitliche und spektrale Signal nach einer Sekunde Mittelwertbildung (500 Wellenformen insgesamt), mit einem Signal-Rausch-Abstand im Zeitbereich von 570 und einer Bandbreite von 2,5 THz. Zukünftige Entwicklungsstufen des mini- Z werden den schnellen Rotationstisch des micro-z sowie einen zusätzlichen Lineartisch zur Kompensation flexibler Arbeitsabstände enthalten. Somit werden schnellere Datenaufnahmen bei einer breiten Palette an Arbeitsabständen unterstützt, sodass Hochgeschwindigkeitsprozessuntersuchungen und verbesserte Bildaufnahmezeiten erreicht werden. Die Beispiele dieser kompakten Systeme zeigen nicht nur ihre Praxistauglichkeit, sondern auch ihre Betriebssicherheit. So kann das Spektrometer nun zur Probe gebracht werden, womit neue Anwendungen erschlossen werden, die auch von Experten aus anderen Gebieten als der Optik genutzt werden können Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

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