THz Physik: Grundlagen und Anwendungen

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 Erzeugung kurzer Pulse (Grundlagen) 4. Nachweis von THz-Strahlung 5. THz-Optik 6. THz-Zeitbereichs-Spektroskopie 6.1 Komplexer Brechungsindex 6.2 Fouriertransformation 7. Anwendungen THz Physik WS15/16 1

Terahertz Spectral Range THz Physik WS15/16 2

Material properties at THz frequencies 1 THz 330 µm 33 cm -1 1 ps 4.1 mev Advantages: THz radiation is non ionizing dielectrics are transparent location of substances in packaging characteristic absorption of polar molecules higher spatial resolution compared to microwaves Limitations: metals reflect THz strong absorption of polar liquids (water) THz Physik WS15/16 3

Charakteristische Größen Frequenz Wellenlänge Wellenzahl Schwingungsdauer Photonenenergie Temperatur 1 THz 330 µm 33 cm -1 1 ps 4.1 mev 45 K 1 K <> 8,61735 10-5 ev 1 ev <> 1,16045 10 4 K THz Physik WS15/16 4

Charakteristische Größen Energien THz Physik WS15/16 5

Erzeugung von THz-Strahlung gepulst kurze Pulse (< 1 ps) breitbandig lange Pulse (>10 ps) schmalbandig kontinuierlich PCS, Oberflächen- Emitter, opt. Gleichrichtung opt. Gleichrichtung in PPLN, GaAs, OPOs, Differenzfrequenz- Erzeugung; Photomischer Laser (Gas, Ge, Quantenkaskaden); Elektronik 1,0 0,8 10 Electric field [a. u.] 0,6 0,4 0,2 0,0-0,2-0,4 0 2 4 6 8 10 12 14 Field amplitude [a. u.] 5 0-5 Delay [ps] -10 0 10 20 30 40 50 60 Delay [ps] Spectral amplitude [b. E.] 10-2 10-3 10-4 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Frequency [THz] THz Physik WS15/16 6

Photonische Terahertz Technologien THz spectral range: 100 GHz < ν < 20 THz 3 mm < λ < 15 µm Photonic THz Sources Photoconductive switches Surface emitter Nonlinear optics DFG, OPO, OPG Lasers QCL, Ge, Gas D. Auston D. Grischkowski X.-C. Zhang B J. Faist, Q. Hu, F. Tredicucci, y z E D THz Physik WS15/16 7

THz-Strahlungsquellen Thermisch Elektronisch Relativistisch Optisch THz Physik WS15/16 8

Elektronische THz-Quellen THz-Erzeugung ohne Lasertechnologie: Backward wave oscillator (BWS) THz Physik WS15/16 9

Optische Frequenzmischung Photomixer Electrodes LTG-GaAs Epitaxial Layer on One-Inch Semi-Insulating GaAs Substrate Silicon Hyper- Hemispherical Lens 10 µm Fiber Pump Beams Photomixer Spiral Antenna Terahertz Signal S. Duffy & K. McIntosh, MIT Lincoln Labs Diode Lasers THz Physik WS15/16 10

Photonic THz Technologies Optoelektronisch: Optisch: Photoleitende Schalter, Oberflächenemitter (Magnetfeld-verstärkt) Optische Gleichrichtung, Optische Gleichrichtung in PPLN, Differenzfrequenzerzeugung, OPOs, quantum cascade lasers, THz Laser Detektion: Photoleitende Schalter opto-electronische Methoden Bolometer Golay Zelle, etc. kohärente Detektion (Amplitude und Phase) inkohärente Detektion Intensität) THz Physik WS15/16 11

Photoleitende Schalter als Emitter 80 µm E( t) j j( t) t = P t P( t) = N( t) e x( t) + - Semiconductor chip (GaAs) with applied voltage between Laserintensität electrodes I(t) - + Laser pulse generates free carriers Stromdichte j(t) Accelerated carriers emit electromagnetic wave (THz pulse) Zeit Time t THz Physik WS15/16 12

Transiente Photoleitung Prinzip THz Physik WS15/16 13

Photoleitender Schalter als Detektor Kohärente Detektion Femtosecond pulse Photoleitender Schalter THz Welle THz Impulszug A Ampere meter Kein Strom ohne Spannung Stromstärke abhängig von THz Feldstärke Aber: fs Impuls ist viel kürzer als THz Impuls (100 x) nur das momentane Feld beschleunigt die Ladungsträger fs Impulszug Zeitliche Mittelung des THz- Impulses über viele Impulse THz Physik WS15/16 14

Photoleitender Schalter als Detektor Kohärente Detektion Strom I(t) Photoleitende Antenne: Kurze NIR Impulse erzeugen freie Ladungsträger im Halbleiter Beschleunigung der freien Ladungsträger durch elektrisches Feld des synchronisierten THz- Impulses Strom-Verst. THz Impuls vor NIR Impuls Transienter Photostrom j(t) proportional zum THz Feld Lock-In Messung von Phase und Amplitude RyMess Zeit t THz Impulse nach NIR Impuls THz Physik WS15/16 15

Photoleitender Schalter als Detektor Kohärente Detektion THz Physik WS15/16 16

Komponenten eines Terahertz-TDS-Systems Laser fs Laser, Diodenlaser gepumpt/diodenlaser/ir Laser Emitter Photoleitende Schalter, Oberflächenemitter Detektor Photoleitende Schalter, EOS THz Optik Abhängig von Anwendung THz Physik WS15/16 17

THz TDS System für (industrielle) Anwendungen Schlüsselkomponenten: Laser Emitter and Detektor Opt. Verzögerung THz Optik Delay line detector Faserkopplung kompakt, flexibel und stabil 1500 nm 100 fs 080 MHz 100 mw compensator beam splitter emitter parabolic mirror THz Physik WS15/16 18

Messprinzip Direkte Messung des elektrischen Feldes Kohärente Detektion mit hohem S/N Verhältnis Informationen über: Amplitude/Intensität electric field [arb. u.] 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0-0.2 amplitude delay time reference with sample spectral features echos Zeitverzögerung Spektraler Inhalt -0.4-0.6 0 5 10 15 20 25 time [ps] THz Physik WS15/16 19

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 < ν < 4 THz THz Physik WS15/16 20

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: iωt iωt ˆ ( ω) g( t) e dt g( t) = gˆ ( ω) e dt g = 2 1 π 1 2π Fast Fourier Transformation (FFT): gˆ f N 1 = g t= 0 t e i2πft / N g t = N 1 1 i2πft/ N gˆ f e N f = 0 Verschiedene Algorithmen zur Implementierung von FFTs. Der schnellste und am meisten verwendete ist der Cooley- Tukey algorithm (Voraussetzung: N = 2 k ) http://lcni.uoregon.edu/fft/fft.ppt Fourier made easy THz Physik WS15/16 21

Zeitbereichsspektroskopie TDS Eigenschaften der Fast Fourier Transformation: gˆ f N 1 = g t= 0 t e i2πft / N g t = N 1 1 i2πft/ N gˆ f e N f = 0 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 THz Physik WS15/16 22

THz-Zeitbereichsspektroskopie TDS (a) (b) Intramolecular Electric Field [a.u.] 0.8 0.4 0.0-0.4 60-5 0 5 10 15 20 25 30 (c) Time Delay Reference Sample FFT (d) Reference Sample 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 Frequency [THz] 0.01 1E-3 1E-4 1.75 1.70 Amplitude Spectrum [a.u.] THz-Messtechnik und Systeme Abs.coeff. [cm -1 ] 40 20 1.65 1.60 Refractive Index Intermolecular 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 Frequency [THz] 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 Frequency [THz] 1.55 THz Physik WS15/16 23

Halbleiteroberflächen Beschleunigung der Ladungsträger durch Oberflächen- semiconductor Verarmungsfeld E d Emitter mit großer Fläche: - geringe Divergenz der THz-Strahlung - höhere mittlere Leistung möglich laser puls THz-radiation θ θ E d B THz-radiation Erzeugung von THz- Impulsen in Richtung von Reflexion und Transmission Enhancement of THz-power using an external magnetic field THz Physik WS15/16 24

Optische Gleichrichtung ω 1 ω 1 2ω 1 ω1 - ω 1 1 + 2 ω 1 - ω 2 ω ω 2 - ω 2 2 2ω 2 Polarisation des Mediums ω 2 P! P( t) = χ P( t) = P (1) (1) E( t) ( t) + P (2) 2 (3) + χ E( t) + χ E( t) NL ( t) 3 dc +... Nonlineare Polarisation Ursache für: Summmen- und Differenzfrequenz optische Gleichrichtung Phasenanpassung wählt den Prozess THz Physik WS15/16 25

Optische Gleichrichtung Periodically poled Nichtlineares Material fs Impuls Nichtlineare Polarisation Elektrisches Feld P NL I(t) di( t) E THz ( t) dt THz Physik WS15/16 26

Optische Gleichrichtung Nichtlineare Polarisation P NL I(t) Nonlineares Material Elektrisches THz Feld di( t) E THz ( t) dt E THz Bandbreite Δν des fs Impulses begrenzt THz Frequenz ν Δ max THz ν fs Nichtlineares Material: GaAs, ZnTe, LiNbO 3 GeSe Gruppengeschwindigkeits-Fehlanpassung: v THz << v vis Begrenzte Kristalllänge THz Physik WS15/16 27

Optische Gleichrichtung Phasenanpassung THz Physik WS15/16 28

Optische Gleichrichtung Phasenanpassung DFG difference frequency generation provide two waves to be mixed optical rectification (OR) of fs pulses Cherenkov radiation: nonlinear point sources of THz radiation coherent phase fronts form a single cycle THz pulse ( Cherenkov radiation ) refractive indices in LiNbO 3 : n NIR = 2.2 & n THz = 5.2 Θ = arccos(n NIR /n THz ) = 65 pump Si-prism ν THz θ ν NIR THz THzpulse pulse MgO:LN V vis V THz M. Theuer, G. Torosyan, C. Rau, R. Beigang, K. Maki, C. Otani, and K. Kawase, Appl. Phys. Lett., Vol. 88, p. 071122 (2006) THz Physik WS15/16 29

Optische Gleichrichtung Phasenanpassung durch tilted wavefronts DFG difference frequency generation provide two waves to be mixed optical rectification (OR) of fs pulses Generation of high field, broadband THz pulses using tilted pulse fronts t 1 + Δt Fs laser pulse t 1 t 1 + Δt improved overlap between nir pump and THz THz Physik WS15/16 30

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 THz Physik WS15/16 31

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! THz Physik WS15/16 32

Ansätze ohne mechanische Verzögerungsstrecken ASOPS (asynchronous optical sampling) Information (~100 ps) Warten (~2.5-10 ns) benötigt zwei Laser mit unterschiedlicher Repetitionsrate à unterschiedliche Resonatorlängen ~99 % der Messzeit ist Verschwendung THz Physik WS15/16 33

Ansätze ohne mechanische Verzögerungsstrecken ASOPS (asynchronous optical sampling) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 1 3 5 7 9 Information (~100 ps) Benötigt zwei Laser mit unterschiedlicher Repetitionsrate à unterschiedliche Resonatorlängen ~99 % der Messzeit ist Verschwendung Warten (~2.5-10 ns) THz Physik WS15/16 34

Ansätze ohne mechanische Verzögerungsstrecken ASOPS à ECOPS (electronically controlled optical sampling) 1 2 3 4 5 6 6 7 7 8 8 9 910 11 11 10 12 12 11 13 12 14 13 15 15 1416 16 161517 1716 18 18 17 18 1 3 5 6 7 89 10 11 13 15 67 16 89 18 20 THz Physik WS15/16 35

ECOPS (electronically controlled optical sampling nachdem nützliche Information aufgenommen à Änderung der Resonatorlänge Wahl des abzuscannenden Zeitbereichs à 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 THz Physik WS15/16 36

Ansätze ohne mechanische Verzögerungsstrecken ASOPS à ECOPS à OSCAT (optical sampling by cavity tuning) t = t 0 Emitterarm Δt E 7 6 5 4 3 2 1 Δt E Δt D 5 4 3 2 1 Δt D Änderung der Repetitionsrate Detektorarm THz Physik WS15/16 37