Terahertz Spektroskopie

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1 1 Terahertz Spektroskopie Joachim Jonuscheit, René Beigang Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik Standort Kaiserslautern Abteilung Terahertz-Messtechnik und Systeme Gliederung Grundlagen - Bindungsenergie - Terahertz-aktive Übergänge Spektroskopische Anwendungen Ausblick / Zusammenfassung - Technische Entwicklungen - Potentiale und Herausforderungen Seite 2

2 2 Bindungen und Wechselwirkungen C C Kovalente Bindungen (1-10 ev) Thermische Energie k B 300 K: 26 mev 1 THz: 4 mev C : : O H...: : O C Wasserstoffbrückenbindungen (bis zu 0,5 ev)... Ar δ - δ +... δ + δ - Dipol-Dipol Wechselwirkung (10-30 mev)... Ar van der Waals-Bindungen ( mev) Keine ionisierende oder zersetzende Wirkung! Seite 3 Terahertz-aktive Übergänge Gase Rotationsübergänge bei polaren Molekülen Festkörper Intramolekulare Schwingungen großer Molekülteile Intermolekulare Schwingungen der Moleküle Flüssigkeiten Starke gedämpfte Rotationen bzw. Schwingungen Intramolekulare Bewegungen Intermolekulare Bewegungen Seite 4

3 3 Aggregatszustände Abs. koeff. [b. E.] 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 H 2 O Gase / Dampf 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Frequenz [THz] Flüssigkeiten Festkörper Seite 5 Einsatzmöglichkeiten Zerstörungsfreie und kontaktlose Prüfung Prozess- und Qualitätskontrolle Sicherheitstechnik Reinheitsgrad und Analyse von Mischungen Konformation Polymorphie Isomere amorph vs. kristallin Bestimmung der Ladungsträgermobilität und -konzentration in Halbleitern Identifizierung von Drogen, Explosivstoffe und verwandte Substanzen DNA-Analyse Feuchtebestimmung Diagnose von Tumoren Seite 6

4 4 Gasanalyse 3 Absorptionskoeffizient [b. E.] Absorptionαz/2[a. u.] Absorptionskoeffizient [b. E.] ,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 CO + NO CO NO 0,6 0,8 1,0 1,2 Frequency [THz] H 2 O 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Frequenz [THz] Nur polare Moleküle nachweisbar, also nicht O 2, N 2, (CO 2 ),! Seite 7 Gasanalyse in Echtzeit Nachweisgrenzen: - CO: 20 ppm m - NO: 20 ppm m Zeitbereich - HCl: 300 ppm m -NH 3 : 300 ppm m Frequenzbereich Absorptionsspektrum Messungen in stark streuender Umgebung Messungen durch Kunststoffrohre HCl Seite 8

5 5 Pulvergemische Seite 9 Echtheitskontrolle Seite 10

6 6 Polymorphie C.J. Strachan et al., Chem. Phys. Lett 390, 20 (2004), J. A. Zeitler et al., J. Pharm. Sci. 95, 2486 (2006) Seite 11 amorph vs. kristallin Glucose Seite 12

7 7 Halbleitercharakterisierung Seite 13 Sprengstoffe Absorption coefficient (cm -1 ) TNT (pure) Frequency (THz) Refractive index Absorption coefficient (cm -1 ) RDX (35% w/w in PE) ~ ~ Frequency (THz) Refractive index Absorption coefficient (cm -1 ) HMX (35% w/w in PE) Frequency (THz) Refractive index Absorption coefficient (cm -1 ) PETN (50% w/w in PE) Frequency (THz) Refractive index X.-C. Zhang, RPI Seite 14

8 8 Drogen K. Kawase, Osaka University Seite 15 Drogen Vorselektion mittels Streuung Spektroskopie mit THz-OPO oder THz-TDS Airport Narita, Tokio K. Kawase, Nagoya University, Japan Seite 16

9 Hautkrebs R.M. Woodward, HT Consultants Seite 17 Einfluss von Dielektrika Spektraler Fingerabdruck im Spektralbereich von 500 GHz bis 20 THz 0,5 THz 2 THz Spektrales Fenster für Identifikation Transmission von Dielektrika Transmission 1 THz Frequenz Charakt. Absorptionen Seite 18 9

10 10 Einfluss von Kleidung Seite 19 Streuung an rauen Oberflächen Räumliche Mittelung Spectral Amplitude [arb. u] <r> = 160 μm 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 Frquency [THz] Seite 20

11 11 Technologieentwicklung Laborsystem portabel modular, portabel und flexibel Seite 21 Echtzeitmessung Eigenschaften: Monolithischer Aufbau 140 ps Verzögerung Spektroskopie möglich! > 250 Spektren / Sekunde Patent angemeldet Seite 22

12 12 Zusammenfassung Potential Terahertz Technologie hat das Potential zur kontakt- und zerstörungsfreien Prüfung Vielzahl von Terahertz Sender und Empfänger verfügbar Bildgebung und Spektroskopie gleichzeitig möglich Vielzahl von Anwendungen denkbar Kombination mit verschiedenen Sensoren und Messverfahren Herausforderungen Schnelle Datenakquisition und verarbeitung (Video rate) Leistungsstarke Terahertz Quellen Seite 23 Danksagung Seite 24

13 13 Danksagung Sebastian Bachtler René Beigang Frank Ellrich Hans Feurich Gunter Harzendorf Jürgen Heidrich Michael Herrmann Iliyana Hinkov Shany Islam Joachim Jonuscheit Kerana Kamaruzaman Tobias Klees Jens Klier Juraida Marhaban Daniel Molter Oliver Paul Christian Petermann Christian Rau Benjamin Reinhard Ute Rein-Rech Karola Rühle Michael Theuer Garik Torosyan Tristan Weinland Sabine Wohnsiedler Wissem Zouaghi Freiburg Kaiserslautern Seite 25 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Seite 26