Anwendungen

Terahertz Spektroskopie in der Zeit-Domäne

Die THz-Spektroskopie ist ein wachsendes Forschungsfeld aufgrund zahlreicher interessanter Anwendungen in Bereichen der Wissenschaft, der Sicherheitsbranche und der Industrie in Form von Produkttests. Die THz-Strahlung liegt zwischen dem Infrarot- und dem Mikrowellenbereich des elektromagnetischen Spektrums, aber im Gegensatz zur UV-, VIS- oder IR-Spektroskopie gibt es gegenwärtig keine leistungsfähigen trivialen Methoden, die Absorption der Strahlung in herkömmlicher Art und Weise zu messen. Die Antwort darauf ist die Verwendung der Zeitbereichs-THz-Spektroskopie (THz-TDS, THz Time-Domain Spectroscopy), bei der das Frequenzspektrum mittels schneller Fourier-Transformation (FFT) aus einer Transienten im Zeitbereich gebildet wird. Typischerweise basiert die THz-TDS auf ultrakurzen Laserpulsen von einem modengekoppelten Laser zur Erzeugung ultrakurzer THz-Pulse und verzögerten Abfragepulsen für die phasensensitive Messung der Strahlung. THz-TDS Systeme können einen großen Frequenzbereich von ein paar zehn GHz bis ins nahe Infrarote abdecken.

Ein Nachteil herkömmlicher THz-TDS Systeme ist die Notwendigkeit mechanischer Verschiebetische zur Erzeugung der Zeitverzögerung zwischen THz Puls und optischem Detektionspuls, was inhärent langsame Erfassungsraten für die THz-Transienten zur Folge hat. Zur Analyse molekulare Absorptionsspektren in der Gasphase wird eine hohe spektrale Auflösung im einstelligen GHz Bereich benötigt (1 GHz Auflösung entspricht einer Zeitverzögerung von 1 ns). Ein herkömmliches THz-TDS System benötigt für eine solche Auflösung einen mechanischen Verschiebetisch mit einem Wegstreckenunterschied von 15cm. Die Zeit zum Anfahren von ungefähr 10000 Datenpunkten (mit Beschleunigung und Abbremsung) und die Unterdrückung des technischen Laserrauschens mittels Mittelung führt zu Gesamtmesszeiten in der Größenordnung von mehreren zehn Minuten. Daher sind Anwendungen, welche die Erfassung der THz-Transienten binnen Sekunden oder sogar Millisekunden erfordern, unmöglich.

Asynchrones optisches Abtasten (ASOPS, ASynchronous OPtical Sampling) ist eine Spektroskopie-Technik im Zeitbereich, die keine mechanischen Verzögerungsstrecken benötigt und damit die oben beschriebenen Probleme vermeidet. Die Hochgeschwindigkeits-ASOPS-Umsetzung von Laser Quantum verwendet zwei taccor Laser mit leicht verstimmten Wiederholraten.

Die THz-Strahlung wird entweder über nichtlineare Prozesse in speziellen Medien oder mittels auf Halbleitern basierender photoleitender Schalter erzeugt. Beide Methoden wandeln den optischen Pulszug in eine Abfolge von THz-Pulsen um. Photoleitende Schalter erlauben eine Art von Multiplexing, um die Konversionseffizienzen zu erhöhen und erreichen dabei Werte von bis zu 2x 10-3

Laser Quantum hat sich auf das Feld der THz-TDS spezialisiert und bietet eine breite Palette von passenden Produkten an.

  • Der Tera-SED ist ein THz-Emitter, der aus einem Array photoleitender Schalter besteht. Er verknüpft eine hohe Konversionseffizienz vom optischen in den THz-Bereich mit einfacher Handhabung.
  • Das HASSP-THz ist ein komplettes THz-TDS Spektrometer mit einer spektralen Auflösung von 1 GHz und einer spektralen Abdeckung von 6 THz für wissenschaftliche Anwendungen. Zentrale Komponenten sind zwei taccor Turnkey-Femtosekundenlaser mit einer Wiederholrate von 1 GHz.
  • Der gecco ist ein 80MHz Laser und eignet sich für herkömmliche THz-TDS Systeme. Er bietet kürzeste Pulse und gleichzeitig hohe Pulsenergien.
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