THz Physik: Grundlagen und Anwendungen

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Sebastian Linden
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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 ECOPS OSCAT (optical sampling by cavity tuning) t = t Emitterarm Dt E Dt E Dt D Dt D Änderung der Repetitionsrate Detektorarm

4 Elektro-optische Detektion

5 Elektro-optische Detektion

6 Single shot elektro-optische Detektion

7 Single shot elektro-optische Detektion E THz-Impuls gechirpter Femtosekunden-Impuls instantane Feldstärke für EOS t instantane Feldstärke für EOS bei dieser Wellenlänge Frequenzauflösung des Spektrometers bestimmt Zeitauflösung!

8 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]

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

10 Zeitbereichsspektroskopie TDS TDS macht das Gleiche wie konventionelle Spektroskopie Direkter Zugang zum komplexen Brechungsindex ñ einschließlich Realteil Spezielle Auswertealgorithmen im Zeitbereich für spezielle Anwendungen Fourier Transformation: i t i t ˆ g t e dt g t gˆ e dt g Fast Fourier Transformation (FFT): gˆ f N 1 g t t e i2 ft / N g t N 1 1 i2 ft / N gˆ f e N f Verschiedene Algorithmen zur Implementierung von FFTs. Der schnellste und am meisten verwendete ist der Cooley- Tukey algorithm (Voraussetzung: N = 2 k ) Fourier made easy

11 Zeitbereichsspektroskopie TDS Eigenschaften der Fast Fourier Transformation: gˆ f N 1 g t t e i2 ft / N g t N 1 1 i2 ft / N gˆ f e N f FFT ist exakt, keine Näherung 1 / T = Δf: Die Schrittweite im Frequenzbereich (Frequenzauflösung) ist die Inverse des gesamten gemessenen Zeitbereichs 1 / Δt = 2 f max : Die maximale Frequenz ist die Inverse der halben Schrittweite im Zeitbereich g t ist real, ĝ f ist konjugiert komplex

12 Bekannte Fourier Transformationen 2 1 Sinus Welle Delta Funktion

13 Bekannte Fourier Transformationen Gauss Gauss

14 Bekannte Fourier Transformationen Sinc Funktion Rechteck

15 Abs.coeff. [cm -1 ] Refractive Index Electric Field [a.u.] Amplitude Spectrum [a.u.] THz-Messtechnik und Systeme THz-Zeitbereichsspektroskopie TDS (a) (b).8 Reference Sample Reference Sample.1.4 1E-3. FFT 1E Intramolecular (c) Time Delay (d) Frequency [THz] Intermolecular Frequency [THz] Frequency [THz] 1.55

16 Absorptionskoeffizient a/2 [cm -1 ] Dispersion Dk [rad/cm -1 ] Electric field [a. u.] Spectral amplitude [a. u.] Zeitbereichsspektroskopie von CO FFT Delay [ps],12 Absorption CO Spectrum geteilt durch Referenz-SpeKtrum: 1-3,6,5 1, 1,5 2, 2,5 Frequency [THz] Dispersion,1,8,6,4,2,4,2 -,2 -,4,5 1, 1,5 2, 2,5 Frequenz [THz],5 1, 1,5 2, 2,5 Frequenz [THz]

17 Zeitbereichs-Spektroskopie: FFT o Fast Fouriertransformation (FFT) N 1 n n m i N k E (m D ) E(n Dt) e N 2 k,1, 2,... o Schrittweite: o Spektrale Auflösung - Frequenzbereich - Zeitbereich D Dt D 1 N Dt o Zero filling k k 1 1) Dt,...,E (2 ) Dt E (2 k 1 k 2 1) Dt,...,E (2 ) Dt E (2 Interpolation zwischen benachbarten Datenpunkten!

18 Absorption [(35 cm) -1 ] Zeitbereichs-Spektroskopie: Spektrale Auflösung o Auflösung hängt ab von der Anzahl der Datenpunkte: D 1 N Dt Reduzierung der Datenpunkte Zunahme der Linienbreite 1,14 1,145 1,15 1,155 1,16 1,165 2, 1,5 167 ps 533,5 ps 267 ps 133,5 ps 67 ps 2, 1,5 1, 1,,5,5,, 1,14 1,145 1,15 1,155 1,16 1,165 Frequency [THz]

19 Absorption [(35 cm) -1 ] Absorption [(35 cm) -1 ] Absorption [(35 cm) -1 ] Absorption [(35 cm) -1 ] Zeitbereichs-Spektroskopie: Spektrale Auflösung,75,8,85,9,95 1, 1,5 1,1,75,8,85,9,95 1, 1,5 1,1,2, ps,2,15,2, ps,2,15,1,1,1,1,5,5,5,5 -,5 -,5,75,8,85,9,95 1, 1,5 1,1 Frequency [THz] -,5 -,5,75,8,85,9,95 1, 1,5 1,1 Frequency [THz],75,8,85,9,95 1, 1,5 1,1,75,8,85,9,95 1, 1,5 1,1,2, ps,2,15,2,15 67 ps,2,15,1,1,1,1,5,5,5,5 -,5 -,5,75,8,85,9,95 1, 1,5 1,1 Frequency [THz] -,5 -,5,75,8,85,9,95 1, 1,5 1,1 Frequency [THz]

20 Dispersion [rad/cm] Feldstärke [b. E.] Absorption a/2 [cm -1 ] Dispersion [rad/cm] Feldstärke [b. E.] Absorption a/2 [cm -1 ] Zeitbereichs-Spektroskopie: Spektrale Auflösung Messung,6,4 5mbar NO -1, Rechnung,3,4,5,6,7,8,6 1,4-1, Verzögerung [ps] Messung,3,4,5,6,7,8,4 Frequenz [THz] 4mbar CO -1, ,3,4,5,6,7,8,9 1 Rechnung,4, THz Physik Verzögerung WS14/15 [ps],3,4,5,6,7,8,9 Frequenz [THz]

21 Absorption az/2 [a. u.] Feldstärke [b. E.] Electric field [a. u.] THz Spectroskopie von CO und NO Rechnung calc. Messung meas Delay [ps] Verzögerung [ps] CO NO,6,8 1, 1,2 Frequency [THz]

23 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 3.4 Nichtlineare Methoden 4. Erzeugung ultrakurzer Pulse (Grundlagen) 5. THz-Optik 6. THz-Zeitbereichs-Spektroskopie 6.1 Komplexer Brechungsindex 6.2 Fouriertransformation 7. Anwendungen

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