Deutsches Terahertz-Zentrum e.V.

Terahertz-Zeitbereich-Spektroskopie



THz-TDS

Das Verfahren der Terahertz Zeitbereichs-Spektroskopie (engl.: terahertz time-domain spectroscopy, THz-TDS) hat maßgeblich zum Fortschritt der THz-Forschung in der letzten Dekade beigetragen. Es arbeitet nach dem Pump-Probe-Prinzip. Dabei wird ein Femtosekundenimpuls in zwei Teilstrahlen aufgeteilt, einer zur Erzeugung und der andere zur Detektion. Durch deren relative zeitliche Verzögerung kann der THz-Impuls abgetastet werden. Der zeitliche Abstand zwischen den Femtosekundenimpulsen in den beiden Teilstrahlen bestimmt die Zeitskale. Mittels kohärentem Nachweis wird das elektrische Feld als Funktion dieses Abstands detektiert, also die THz-Welle in Amplitude und Phase erfasst. Durch eine Fourier-Analyse des im Zeitbereich aufgenommen THz-Signals können spektrale Informationen gewonnen werden. Der kohärente Nachweis führt -trotz der geringen mittleren THz-Leistung- standardmäßig zu einem hohen Dynamikbereich des Messsignals von bis zu 100 dB.

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Abb. 3: Auswertemethoden an einem THz-Impuls: Laufzeit, Amplitude, Spektrum

In einer typischen Messanordnung wird der erzeugte THz-Impuls nach der Reflexion an einer Probe bzw. nach der Transmission durch die Probe gemessen und mit dem Eingangsimpuls (Referenz) verglichen. Zur Auswertung werden primär die Messgrößen Amplitude, Verzögerung und Spektrum genutzt. Die Änderung der Amplitude gibt Auskunft über die Probenbeschaffenheit wie Porosität, Absorption, Dicke und Homogenität. Die optische Dicke der Probe (Brechungsindex n mal geometrischer Dicke d) verzögert den THz-Impuls beim Durchgang durch die Probe. Durch Mehrfachreflexionen innerhalb der Probe können zusätzliche Echoimpulse auftreten, die abhängig von der Probendicke mehr oder weniger überlagert sind. Die Feldoszillationen im Anschluss an den Hauptimpuls beinhalten die spektralen Informationen der Probe, die durch eine Fourier-Transformation der zeitlichen Wellenform zugänglich sind. Im vorliegenden Fall sind die Absorptionslinien des in der Luft befindlichen Wasserdampfes zu sehen.

 

Einführung und Überblick

Erzeugung und Nachweis

Anwendungen von THz-Strahlung

veröffentlicht am 24. August 2016 durch