Terahertzes spektroszkópia

A terahertzes spektroszkópia olyan spektroszkópiai módszer, amelynek során a mintán átmenő, a róla visszavert (reflektált), vagy a kibocsátott (emittált) terahertzes frekvenciájú elektromágneses sugárzást figyeljük meg, és ennek tulajdonságaiból következtetünk a minta anyagi összetevőire, illetve a benne lezajló fizikai folyamatok, jelenségek jellemzőire.

A módszer kialakulásának története

A teljes elektromágneses spektrumban a terahertzes frekvenciájú tartomány a legkevésbé felderített terület, annak ellenére, hogy Heinrich Rubens és Ferdinand Kurlbaum már 1900-ban megmérték a feketetest emissziós spektrumát a 6 THz alatti frekvenciákon is. Ennek a mérési sorozatnak, továbbá a Rubens és Planck közötti egyeztetéseknek fontos szerepe volt abban, hogy Max Planck 1900 decemberében közzétette az azóta róla elnevezett sugárzási törvényt, ugyanis Rubensék mérései kísérletileg igazolták Planck elméleti úton nyert eredményeit.

Ezután mégis sok évtizedig elég egzotikus terület maradt, ez az akkoriban inkább távoli-infravörösnek, illetve szubmilliméteresnek nevezett tartomány. Az 1970-es években kezdték csak felfedezni, hogy egyedülálló lehetőségeket jelent a csillagászati megfigyelésekben. Azóta sok, a THz-es sugárzás észlelésére alkalmas földi és űrbéli távcsövet építettek és telepítettek.

A terahertzes tudományok rohamos fejlődése és széles körű elterjedése lényegében csak 20-30 éves múltra tekint vissza. Azóta állnak rendelkezésre ugyanis kisméretű, viszonylag kényelmesen és egyszerűen használható eszközök a 10¹² Hz körüli frekvenciájú elektromágneses sugárzás előállítására és detektálására.

Források és detektorok

A félvezetőkhöz kapcsolódó technológiai fejlődés és a különleges tulajdonságú lézerek megjelenése tette lehetővé mára az asztali méretű terahertzes források és detektorok kifejlesztését. Lehetőség van folytonos, de akár rövid ideig tartó, úgynevezett THz-es impulzus előállítására és detektálására is.

A forrásként és detektorként is használatos fotovezető kapcsolóban két, egymástól mikrométernyi nagyságrendű távolságban lévő fémelektróda között félvezetőréteg van. A réteget megfelelő hullámhosszú és impulzus idejű lézernyalábbal megvilágítva a félvezetőben töltéshordozók keletkeznek, amik az elektródákra kapcsolt néhány tíz V-nyi feszültség által létrehozott elektromos térben gyorsulni kezdenek. Az így létrejövő áram nagy sávszélességű terahertzes (mintegy ~10 THz) jelet generál. Az ilyen, úgynevezett egy ciklusú impulzus időbeli hossza tipikusan pikoszekundumos nagyságrendű. Az előbbi folyamat fordított irányú megfelelőjét detektálásra lehet felhasználni. A fotovezető antennában áram keletkezik, ha a terahertzes jellel egy időben lézerfény is érkezik rá. A keletkezett áramerősség nagysága arányos lesz a terahertzes jel elektromos térerősségének pillanatnyi értékével. Kellően rövid (<100 fs) lézerimpulzus időbeli léptetésével letapogatható a mérendő jel időbeli alakja is.

THz-es sugárzás előállítására alkalmas jelenség továbbá az optikai egyenirányítás. Amikor egy speciális kristályt nagyon rövid idejű, nagy intenzitású lézernyaláb ér, a kristályban a nemlineáris optikai folyamat révén széles frekvenciasávú terahertzes impulzus keletkezik. A folyamat megfordítottja ebben az esetben is detektálásra használható. Az elektro-optikai mintavételezés során a nemlineáris kristályon áthaladó lézerfény polarizációs tulajdonsága megváltozik, ha egy időben terahertzes tér is jelen van. A változás mértéke arányos a térerősséggel.

Elrendezések

Mára a módszert alkalmazók széles körű igényeinek megfelelően többféle mérési elrendezés is létezik.

TDTS (Time Domain Terahertz Spectroscopy, Időtartománybeli terahertzes spektroszkópia)

A mérőrendszerben egy széles frekvenciasávú terahertzes jel éri a mintát, és időtérben mérjük annak transzmisszióját vagy reflexióját. A terahertzes jel előállítására szolgáló nagyon rövid időtartamú lézerimpulzusból egy részt kicsatolva kapcsoljuk a detektort. A kapcsoló jel érkezésének idejét egy, a nyaláb úthosszát mechanikusan növelő késleltető egységgel változtatjuk, így időben letapogatható a mintáról jövő terahertzes jel alakja. Az infravörös spektroszkópiában már bevált módszerrel élve, az idő függvényében meghatározott térerősség amplitúdófüggvényből Fourier-transzformációval számoljuk ki a spektrumot. Így a mintára jellemző elektromos térerősség amplitúdójának frekvencia szerinti eloszlását a forrás által szolgáltatott teljes tartományon tudjuk meghatározni.

TRTS (Time Resolved Terahertz Spectroscopy, Időbontott terahertzes spektroszkópia)

A méréskor egy optikai hullámhosszú lézernyaláb éri a mintát, ezután egy változtatható időtartam múlva érkező terahertzes próbajel segítségével vizsgáljuk a minta tulajdonságait, illetve azok időbeli változásait. A vizsgálandó közeg a komplex permittivitásának megfelelően a THz-es jelet késlelteti, és az amplitúdóját csökkenti. Az időbontott transzmissziós spektrumokat a fotogerjesztést követő 100 fs-1 ns közötti időtartományon tudjuk felvenni. A TDTS mérésből a minta statikus tulajdonságaira tudunk következtetni, a TRTS mérésből viszont a közeg tulajdonságainak időbeli fejlődését tudjuk követni. A módszer segítségével 200 fs-nál jobb felbontásban tudjuk meghatározni a frekvenciafüggő komplex permittivitást.

TES (Terahertz Emission Spectroscopy, Terahertzes emissziós spektroszkópia)

A TDTS-hez bizonyos szempontból hasonló elrendezésben nincs szükség forrásra, hiszen az maga a minta. A módszer olyan minták vizsgálatára alkalmas, amelyek lézernyaláb fényével megvilágítva THz-es sugárzást bocsátanak ki magukból. Ezt a THz-es jelet figyeljük meg a TDTS-nél is használt időkésleltető egységgel és detektorrendszerekkel. A minta jellegétől függően többféle folyamat során is történhet terahertzes sugárzás kibocsátása, például töltéstranszfer folyamatok következtében. Ilyenek többek között a biológiában: a fotoszintézis, a légzés; vagy más területen: a korrózió, a fotográfia.

Alkalmazása

A terahertzes sugárzást felhasználó vizsgálati módszerek mára igen elterjedtek, mind az anyagtudomány, a biológia, az orvosi diagnosztika és a biztonságtechnika terén, ugyanis a THz-es frekvenciákon a különböző anyagok nagyon különböző tulajdonságokkal bírnak.

A víz például nagyon elnyeli, de a fémek nagyon jól visszaverik a terahertzes sugárzást. A különböző összetételű vegyszerek jellegzetes spektrumokkal, úgynevezett spektrális ujjlenyomattal jellemezhetők, ebből következően a terahertzes sugárzás nagyon jól használható az analitikai azonosításukra. Mivel a módszer igen érzékeny a víz jelenlétére vagy éppen hiányára, az abszorpció mértékének a megfigyelésével következtetni lehet a víztartalomra.

A THz-es elektromágneses tér változásának periódus ideje ~1 ps. A módszer egyedülálló lehetőséget biztosít az olyan jelenségek megfigyelésre, kontrollálásra, amelyeknek időtartama ilyen nagyságrendű. Ilyen például a gázfázisú molekulák közötti ütközés szobahőmérsékleten, de a kismolekulák rotációs frekvenciája is THz körüli. Poláros folyadékok – például a víz – korlátozott forgási és kollektív rezgési módusai ebbe a tartományba esnek. Így az analitikai alkalmazásokon kívül a módszert előszeretettel alkalmazzák molekuláris dinamikai vizsgálatokban is.

Az optikai tartományokon az elektromágneses térerősség amplitúdójának négyzetével arányos intenzitást tudjuk csak mérni. A jóval kisebb frekvenciájú terahertzes tartományon az amplitúdó nagyságának időbeli változását, azaz a fázist is tudjuk követni. Az alkalmazási lehetőségeket jelentősen bővíti, hogy ily módon egy mérésből tudjuk meghatározni a minta törésmutatóját és abszorpciós együtthatóját, ezekből pedig a komplex permittivitást.

További információk

• Hebling J., Almási G.: Képalkotás és spektroszkópia THz-es sugárzással: a Csillagászattól az orvosi alkalmazásokig, Magyar Tudomány, 2005/12, 1483.
• THz-es mérés animációja TDTS elrendezéssel
• http://thz.yale.edu/techniques
• https://web.archive.org/web/20150314003601/http://www.ruhr-uni-bochum.de/pc2/forschungeins.html.en
• https://en.wiki.x.io/wiki/Terahertz_spectroscopy_and_technology