Terahertz-Zeitbereichsspektroskopie

Das Pump-Probe Prinzip stellt eine Methode zur Messung ultrakurzer Vorgänge dar. Es ermöglicht zeitliche Auflösungen von unter 100 fs, obwohl die eigentliche Messdauer deutlich länger ist. Eine zeitliche Auflösung in dieser Größenordnung wird über ein Abtasten des zu messenden Vorgangs erreicht. Um einen kompletten Vorgang messen zu können, muss dieser mehrmals angeregt (»pump«) werden, um nacheinander kleine Teilausschnitt abzutasten (»probe«). In der Terahertz-TDS bedeutet dies, dass der Emitter nacheinander mehrere Terahertz-Impulse aussendet, während der Detektor den Terahertz-Impuls in kurzen Zeitfenstern abtastet. Entscheidend ist, dass der Detektor nur für einen sehr kurzen Moment aktiv ist, um präzise Messwerte zu erfassen. Um einen gewissen Bereich erfassen zu können, muss die zeitliche Verzögerung zwischen dem Emitter- und Detektorimpuls variabel sein (siehe Abbildung).

Auf der rechten Seite der Abbildung ist ein beispielhaftes Messergebnis dargestellt. Unter Berücksichtigung der zeitlichen Verzögerung zwischen Emitter- und Detektorimpuls kann aus den gemessenen Datenpunkten ein zeitlicher Verlauf erzeugt werden. Um Informationen über die frequenzabhängige Amplitude und Phase zu erhalten, kann die Messung mittels der Fourier-Transformation in den Frequenzraum übersetzt werden.

Erzeugung von Terahertz-Wellen

Zur Generierung von Terahertz-Wellen kommen häufig photoleitende Schalter zum Einsatz. Im universitären Umfeld werden auch Oberflächenemitter oder Verfahren der nichtlinearen Optik genutzt.

Die ersten gepulsten Terahertz-Strahlen wurden 1984 von H. Auston et al. mit photoleitenden Antennen ausgesendet und empfangen. Der Aufbau der Antennenstruktur einer photoleitenden Antenne ist in Abbildung drei dargestellt: Zwei symmetrische Leiterbahnen auf einem Halbleitermaterial liegen an einer Gleichspannung an. Das entstehende elektrische Feld hat in der Lücke der Dipol-Antenne die größte Feldstärke.

Diese Lücke wird von einem Femtosekundenlaser beleuchtet. Ist die Photonenenergie des Lasers größer als die Bandlücke des verwendeten Halbleitermaterials, werden Elektronen in das Leitungsband angehoben. Durch eine angelegte Vorspannung werden diese beschleunigt, sodass ein Stromfluss durch die Antenne entsteht. Die im Halbleitermaterial angeregten Elektronen hinterlassen Elektronenlöcher im Valenzband, wodurch es nach einer gewissen Zeit zu einer Rekombination zwischen Elektron und Elektronenloch kommt.

Diese zeitliche Änderung der Stromdichte – bedingt durch die Erzeugung und Rekombination der Ladungsträger – führt gemäß den Maxwellschen Gleichungen zur Emission elektromagnetischer Wellen.

Nachweis von Terahertz-Wellen

Zum Nachweis von Terahertz-Wellen kann ebenfalls eine photoleitende Antenne verwendet werden. Im Gegensatz zum Erzeugen von Terahertz-Strahlen erfolgt das Beschleunigen der Elektronen jedoch nicht durch eine externe Vorspannung, sondern durch das elektrische Feld des einfallenden Terahertz-Impulses. Der dabei entstehende Stromfluss wird mit einem Transimpedanzverstärker in eine Spannung umgewandelt und anschließend gemessen.

Typische Eigenschaften eines TDS-Systems

Bei mechanischen Verzögerungsstrecken sind typische Messraten von 40 Terahertz-Pulsen pro Sekunde möglich, bei elektronischen Verzögerungskonzepten bis zu 1.600 Terahertz-Pulsen pro Sekunde. Die vierte Abbildung zeigt einen typischen Terahertz-Puls und das zugehörige Spektrum.

Die Bandbreite beträgt typischerweise mehr als 4 THz bei einem Dynamikbereich von ca. 60 dB bei Messzeiten im Bereich von 1 s.

Anwendung der Terahertz-Technologie in der Materialanalyse

Der wichtigste Anwendungsschwerpunkt sind Laufzeitmessungen reflektierter Signale. Dank der kurzen Terahertz-Pulse und der hohen zeitlichen Genauigkeit beim Erfassen der Pulse, eignet sich diese Methode besonders gut zur Dickenmessung dünner Schichten, die im sichtbaren Bereich nicht transparent sind. Dies ist die Grundlage der industriellen Lackdickenmessung.

Die Terahertz-Zeitbereichsspektroskopie ist eine zuverlässige, berührungslose und zerstörungsfreie Methode zur Charakterisierung verschiedenster Materialien, wie Pulvern, Feststoffen, Flüssigkeiten und Gasen. Viele Moleküle zeigen im Spektralbereich charakteristische Signaturen in ihren Absorptionsspektren – ein eigener chemischer Fingerabdruck.

Gase weisen Rotationsspektren mit schmalen Absorptionslinien auf. Nur kristalline Festkörper zeigen aufgrund der Phononenschwingungen des Kristalls breite Absorptionsbanden. Pulverförmige oder feste Substanzen müssen mindestens einen kristallinen Anteil besitzen, um über diese Absorptionsbanden identifiziert werden zu können. Flüssigkeiten zeigen deshalb keine ausgeprägten Absorptionsbanden. Die Spektrenauswertung erfolgt mittels chemometrischer Methoden zur zuverlässigen Substanzidentifikation, etwa beim Postscanner, bei dem die Terahertz-Spektroskopie mit chemometrischen Auswertungen zur Drogen- und Sprengstoffdetektion kombiniert wird.

Im Unterschied zur IR- und Raman-Spektroskopie – die empfindlich für intramolekulare Schwingungs- und Rotationsbewegungen sind – gibt die Terahertz-Spektroskopie Aufschluss zu den intermolekularen Bewegungen. So lassen sich neben dem bloßen Nachweis von Makromolekülen, Aussagen über Aggregatzustand, polymorphe Strukturen sowie die Kristallinität der Substanzen treffen.