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
Typische Komponenten Linsen Materialien: Polymere: Teflon Polyethylen TPX Halbleiter: Silizium Germanium GaAs Dielektrika: Quarz Saphir Dispersion und Absorption begrenzen den nutzbaren Spektralbereich
Typische Komponenten Linsenmaterialien Silizium
Typische Komponenten Linsen
Typische Komponenten Linsen Totalreflexion begrenzt Öffnungswinkel Ziel: max. Öffnungswinkel φ max = 90 d R sinφ = R sinθ sinθ C = 1 n Virtueller Brennpunkt bei Berechnung optischer Systeme!!
Typische Komponenten Spiegel
Typische Komponenten Off-axis -Parabolspiegel
Typische Komponenten Polarisatoren Gitter-Polarisator T(E p) 0, T(E s) 0,95.0,98 Typ. Werte: a = 10µm, g = 25 µm, 0,1 THz < n < 3 THz
Typische Komponenten Wellenplatten und AR-Schichten Doppelbrechende Materialien d = λ 4n C n C = n
Typische Komponenten Wellenleiter Planparallele Platte 1. Keine räumliche Begrenzung: frei im Raum propagierende Welle 2. Allseitig begrenzt: Hohlraumresonator 3. Begrenzung an 1 oder 2 Seiten: Wellenleiter Gezielter Transport von elm. Wellen
Typische Komponenten Wellenleiter Randbedingungen und Feldverteilung E y x = 0 für x = 0, x = a k x = n π a 2π λ = nπ a a = n λ 2 Dispersion: 2 2 2 2 2 2 2 1 n z z x c a n c k k k k Grenzfrequenz: Propagation: imaginär k c a n z n n < Keine Propagation
Typische Komponenten Wellenleiter c v Für c a n c k v Ph n n z Ph 2 2 2 2 1 Phasengeschwindigkeit
Typische Komponenten Wellenleiter 2 2 2 1 2 2 1 1 1 c v v c c v c d d d dk dk d v Ph Gr n Gr n Gr < Gruppengeschwindigkeit
Typische Komponenten Wellenleiter ) cos( ) sin( 2 ),, ( )) ( sin( )) ( sin( ),, ( ),, ( ),, ( 0 0 z k t x k E t x z E z k x k t z k x k t t x z F mit t x z F E t x z E z x z x z x Feldverteilung Randbedingungen: E z (x=0) = E z (x=a) = 0 (Leiteroberfläche) In z-richtung Überlagerung zweier Wellen mit -k x und +k x Feldverteilung in x-richtung Propagation in z-richtung
Typische Komponenten Wellenleiter Verallgemeinerung auf 2D Wellenleiter Feldverteilung k z mit 1 c 2 2 mn mn c m a 2 n b 2
THz wave guide sensor Transverse resonance condition for TE-modes: t 2 n c THz t cos upper lower upper lower m n THz n t THz n THz t t 2 GHz µm Phase shift at boundary: Sensitive to - type of binding to surface - surface adsorbate interaction - polarizibility of adsorbates - dipole-dipole interactions
Intensity [a.u.] Intensity [a.u.] Spectral amplitude [b. E.] Spectral amplitude [b. E.] THz wave guide sensor Wave guide modes: 10-2 10-2 10-3 10-3 10-4 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Frequency [THz] 10-4 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 1508 3,0 Frequency [THz] 1 GaAs 80µm 40µm Wave guide thickness t Angle Distance d frequency frequency coupling strength 0-1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 Frequency [THz]
Parallel-Plate Waveguides quasi-optic approach layout PPWG THz THz out in Si lens gap micro crystals polished metal plates (aluminum, copper, ) silicon lenses for coupling sub-wavelength gap for compression (< 50 µm) amplitude transmission high (> 20%) measurement of thin films enhancement factor THz field is pressed into the sample, stronger interaction but sample mount too complex R. Mendis and D. Grischkowsky, Opt. Lett., Vol. 26, 846-848 (2001)
Waveguide THz-TDS Experimental apparatus Microwave approach THz time-domain spectroscopy system beam waist between two parabolic mirrors THz spot size approx. 9 µm in the center R. Mendis and D. Grischkowsky, Opt. Lett., Vol. 26, 846-848 (2001)
Waveguide THz-TDS Experimental apparatus Microwave approach THz form time-domain funnel using spectroscopy commercial metal system shim beam adjust waist opening between and curvature two parabolic to optimize mirrors coupling THz adiabatic spot size compression approx. 9 of µm the in THz the wave center M. Theuer, D. R. Grischkowsky, and R. Beigang, tm- Technisches Messen, Vol. 78, No. 5, pp. 268-273 (2011)
Coupling Ratio Amplitude Transmission Coupling using Metal Flares 0.50 0.45 0.40 0.35 0.30 gap size 200 m 150 m 100 m 50 m 0.40 0.35 0.30 0.25 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 20.0 Opening [mm] 0.20 0.15 0.10 0.05 PPWG flare coupling PPWG Si optics 0.00 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 Frequency [THz] flares show coupling ratio of 39% at 50 µm gap metal shim performs even better than Si optics no transmission optics or echo pulses Broadband coupling without disturbing modulations M. Theuer, D. R. Grischkowsky, and R. Beigang, tm- Technisches Messen, Vol. 78, No. 5, pp. 268-273 (2011)
Flare coupled parallel-plate waveguide (PPWG) Layout thin film THz in flare gap 3 cm length PPWG micro crystals THz out Tiny Easy single-crystalline to manufacture film is formed on the shim Microgram No transmission sample optics mass sufficient Technique Cheap, available is highly components sensitive Standard surface quality sufficient Appropriate sample mount Good thermal contact Microscope image (TCNQ) M. Theuer, D. R. Grischkowsky, and R. Beigang, tm- Technisches Messen, Vol. 78, No. 5, pp. 268-273 (2011)
Absorbance High-resolution spectroscopic results Flare coupled PPWG at 77 K 12 10 salicylic acid TCNQ 1,2-DCB 8 6 4 2 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 Frequency [THz] Absorption features as narrow as 30 GHz measured Fingerprint signatures identical to Si-lens PPWG M. Theuer and J. S. Melinger, Journal of Infrared, Millimeter and Terahertz Waves, Springer New York, Vo. 32, No. 11, pp. 1267-1284 (2011)
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
Anwendungsmöglichkeiten Kurzpuls-THz-Systeme Intensität Zeitstruktur 100 % R % T % Transmission & Reflexion Oberflächen, Absorption, Fremdkörper, Fehlstellen,. Tomographie Schichtdicken, Grenzflächen,... Amplitude & Phase 0,5 1,0 1,5 2,0 2,53,0 3,5 4,0 Frequenz [THz] 0,5 1,0 1,52,0 2,5 3,0 3,5 4,0 Spektroskopie Identifizierung, Inhalt, Konzentration,...
Auswertemöglichkeiten Signal-basiert Zeit-basiert: A. Maximales Signal B. Minimales Signal C. Amplitude D. Gesamtenergie E. FFT-Maximum F. Absorption a. Position des Maximums b. Position des Minimums c. Nullstelle d. pre-zero Position e. max-min -Abstand f. max (min) Breite g. FFT max-position
Anwendungsmöglichkeiten Kurzpuls-THz-Systeme Intensität Zeitstruktur 100 % R % T % Transmission & Reflexion Oberflächen, Absorption, Fremdkörper, Fehlstellen,. Tomographie Schichtdicken, Grenzflächen,... Amplitude & Phase 0,5 1,0 1,5 2,0 2,53,0 3,5 4,0 Frequenz [THz] 0,5 1,0 1,52,0 2,5 3,0 3,5 4,0 Spectroskopie Identifizierung, Inhalt, Konzentration,...
Imaging Räumliche Auflösung
Imaging Räumliche Auflösung
Imaging Räumliche Auflösung
THz-Messtechnik und Systeme Imaging Räumliche Auflösung
Imaging Räumliche Auflösung 0-0,5 0,5 1,0 1,0 1,5 1,5 2,0
THz Streuung Messung von Inhomogenitäten 0 1 2 Frequenz [THz] Messung mit 33 Hz Repetitionsrate
THz Streuung Vergleich mit x-ray Messungen (schneller Scan, geringe Auflösung)
THz Streuung Vergleich mit x-ray Messungen Röntgen THz 33 Hz Repetitionsrate Echtzeit-Messung Komplette Information pro OPixel 0,12 MPixel spektrale Information verfügbar
THz Imaging in Reflexion Korrosion unter Farbaufträgen
Anwendungsmöglichkeiten Kurzpuls-THz-Systeme Intensität Zeitstruktur 100 % R % T % Transmission & Reflexion Oberflächen, Absorption, Fremdkörper, Fehlstellen,. Tomographie Schichtdicken, Grenzflächen,... Amplitude & Phase 0,5 1,0 1,5 2,0 2,53,0 3,5 4,0 Frequenz [THz] 0,5 1,0 1,52,0 2,5 3,0 3,5 4,0 Spectroskopie Identifizierung, Inhalt, Konzentration,...
Schichtdickenmessungen Tesafilm in Reflexion
Schichtdickenmessungen Tesafilm in Reflexion THz in <50 µm plastic holder THz out sensitive auf Dickenänderungen Genauigkeit +/- 2 µm Minimale Schichtdicke: < 10 µm Fokus-Durchmesser 1 mm Brechungsindex muss bekannt sein False color image
Schichtdickenmessungen Beschichtete Metallplatte Schichtdicke ung. 100 µm
Schichten auf CFRP
Polyethylen-Schichten auf Papier Phasensprung bei Reflexion von Vorder- und Rückseite
Liquid on PE Foil Reduzierung der Schichtdicke beim Trockenprozess! Messungen alle 15 Minuten
Electrical Field Untersuchung von Mehrschichtsystemen d 1 & n 1 d 2 & n 2 Δt 1 Δt 2 Time [ps]
Keramik-Schicht auf Stahlplatte 180 µm 1 2 3 143 µm 151 µm
Mehrschicht-System auf bidirektionalem CFRP CFRP d blue = 90 µm d white = 190 µm
Analyse von Mehrschichtsystemen Dünne Schichten Simulated THz pulse Simulated THz pulse Prinzip: Probleme: Simulation des reflektierten THz-Impulses Vergleich mit gemessenem Impuls Optimierung der Schichtdicke Kenntnis der Materialparameter erforderlich Zeit für Optimierung Optimierungsalgorithmus
Abweichung Elektrisches Feld [Bel. Einh.] Analyse von Mehrschichtsystemen Mehrfachschichten auf Metall 1.2 0.8 0.4 Messung Simulation 55.84 µm 0.0-0.4-0.8-1.2 8.76 µm 18.10 µm 16.11 µm -1.6 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0.06 0.00-0.06 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Zeit [ps] Dicke Schicht (µm) THz- Technik Querschliff Klarlack 54 ± 1 55.8 ± 1 Basislack 7 ± 0.5 8.7 ± 0.4 Primer 15 ± 1 16.1 ± 0.5 Schutzlack 19 ± 1 18.1 ± 0.7
Abweichung Elektrisches Feld [Bel. Einh.] Analyse von Mehrschichtsystemen Doppelschichten auf CFRP 0.8 Messung Simulation 94.72 µm 94.08 µm 0.4 0.0-0.4 Basislack Klarlack 102.40 µm 0.06 0.00-0.06 5 10 15 20 25 5 10 15 20 25 Zeit [ps] Dicke Schicht (µm) THz- Technik Querschliff Klarlack 100± 0.2 102 ± 1 Basislack 94.5 ± 0.3 94 ± 1
Abweichung Elektrisches Feld [Bel. Einh.] Analyse von Mehrschichtsystemen Doppelschichten auf Plastik 0.8 0.4 Messung Simulation 0.0 Dicke Schicht (µm) THz- Technik Mechanisch -0.4-0.8 Klarlack 44.7 ± 0.3 44.9 ± 3.3 Basislack 13.9 ± 0.5 10.3 ± 3.5 Substrat 2893 ± 1 2889 ± 7 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 0.06 0.00-0.06 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 Zeit [ps] Optimierungszeit: < 1 sec mit graphics processing unit (GPU) real time Messungen möglich.
Real-time 2D THz Tomography of Moving Paint Film Sample: half-paint film on metal plate Continuous moving of a paint sample (moving speed = 5 mm/s) Takeshi Yasui, Takashi Yasuda, Ken-ichi Sawanaka, and Tsutomu Araki Graduate School of Engineering Science, Osaka University, Japan
Position(mm) THz Tomographic Movie of Moving half-paint Film 5 10 frame/sec q=20º, d=5mm Unpainted area Blurry edge Boundar y 0 0 Time(ps) 6 Painted area 162 ± 21 µm @ 1~4 mm Takeshi Yasui, Takashi Yasuda, Ken-ichi Sawanaka, and Tsutomu Araki Graduate School of Engineering Science, Osaka University, Japan