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2006
Doctoral Thesis
Titel
A Comprehensive Study of Macromolecules in Composites Using Broadband Terahertz Spectroscopy
Alternative
Eine ausführliche Untersuchung von Makromolekülen in Verbundstoffen mit breitbandiger Terahertz Spektroskopie
Abstract
Since the pioneering work in the 1980's, time domain terahertz spectroscopy (THz-TDS) has experienced a huge boom mainly in the field of science and research. This part of the electromagnetic spectrum, which is located between microwaves and infrared, was not completely unknown, however, due to the lack of efficient sources and detectors this frequency range was not easily accessible. The breakthrough, which led to significant progress in the exploration of the far-infrared (FIR) region using THz-TDS is the coherent detection scheme, requiring no helium cooled bolometers to be applied for detection FIR radiation, which is superimposed with the thermal background noise (the thermal energy at room temperature correspond to 6.25 THz). THz-TDS is based on the generation of subpicosecond terahertz pulses using ultrashort laser pulses with pulse durations of a few femtoseconds. From the spectroscopic point of view terahertz radiation excites the low-frequency vibrations of molecules. Thus, THz-TDS is sensitive for small bonding forces and high masses, respectively, and gives an insight into the global or collective molecular structure. A THz-TDS system can work with different types of emitters and detectors. Historically photoconductive emitters and detectors based on antenna structures on semiconductor materials were initially used. On the detection side electrooptic sampling (EOS) is used in this thesis. In contrast to photoconductive detectors no resonant structures and only a few mW of optical power are necessary for detection. Particularly with regard to compact systems, which can be run using weak and compact lasers we developed and optimized a low-power THz system based on photoconductive emission and electrooptic sampling. This thesis is organized in the following way: Chapter 1 will give a resume of wave propagation in media with losses. The dielectric properties are expressed in terms of a complex refractive index and a complex permittivity, respectively. The resonant character is explained using a simple Lorentz oscillator model. The origin of resonances in the THz range will be briefly reviewed. In chapter 2 the principles of THz generation and detection will be discussed in detail. Chapter 3 will introduce the low-power THz-TDS setup. The measurement principles and data analysis are shown. The system is characterized using known test substances. The concept of the developed transmission THz-TDS system is transferred to a reflection setup in chapter 4. In chapter 5 we show the results of a comprehensive study of oil contaminations using THz-TDS. In addition, models needed to describe absorption and scattering are also discussed. Chapter 6 gives an account of our study of interactions in polymer excipients investigated with THz spectroscopy. In chapter 7 we will compare THz and ultrasonic spectroscopy on poly-propylene-chalk composites. In both cases scattering effects are targeted used to characterize the compound. We will give a short introduction to the used multivariate calibration method. In the last chapter 8, conductive carbon black in insulating rubber is studied by dielectric and THz spectroscopy. The experimental data are interpreted by percolation theory.
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Seit den Pionierarbeiten in den 1980er Jahren hat die Terahertz Zeit-Domänen-Spektroskopie (THz-TDS) einen großen Aufschwung, hauptsächlich im Bereich der Wissenschaft und Forschung, erfahren. Dieser Teil des elektromagnetischen Spektrums, der sich zwischen den Mikrowellen und dem Infraroten befindet war nicht gänzlich unbekannt, aber aufgrund fehlender Quellen und Detektoren schwer zugänglich. Der Durchbruch bei der Erforschung von Materialeigenschaften im fernen Infraroten (FIR) beruht auf dem kohärenten Detektionsverfahren. Dadurch werden keine Helium gekühlten Bolometer benötigt, um die FIR-Strahlung, die von der thermischen Hintergrundstrahlung überlagert wird zu detektieren. THz-TDS basiert auf der Erzeugung von Terahertzpulsen durch Verwendung ultrakurzer Laserpulse mit Pulsdauern von wenigen Femtosekunden. Aus spektroskopischer Sicht regt Terahertz Strahlung niederfrequente Molekülschwingungen an. THz-TDS ist empfindlich auf kleine Bindungskräfte bzw. hohe molekularen Massen und gibt dadurch einen tieferen Einblick in die globale oder kollektive Molekülstruktur. Ein THz-TDS System kann auf verschiedenen Emitter- und Detektortypen beruhen. Historisch gesehen wurden zunächst Emitter und Detektoren basierend auf Antennenstrukturen auf Halbleitermaterialen verwendet. Als Detektor wird in dieser Arbeit das Prinzip des elektrooptischen Samplings (EOS) benutzt. Im Unterschied zu photoleitenden Detektoren werden hier keine resonanten Strukturen benötigt und wenige mW Laserleistung reichen zur Detektion aus. Besonders im Hinblick auf kompakte Systeme, die mit kleinen und eher leistungsschwachen Lasern betrieben werden sollen, wurde in dieser Arbeit ein solches System mit photoleitendem Emitter und elektrooptischer Detektion entwickelt und optimiert. Die Arbeit ist wie folgt gegliedert: Kapitel 1 enthält eine Zusammenfassung über Wellenausbreitung in verlustbehafteten Medien. Die dielektrischen Eigenschaften werden in Form eines komplexen Brechungsindex bzw. einer komplexen Dielektrizitätskonstanten beschrieben. Der resonante Charakter von Absorptionen wird mit dem einfachen Modell eines Lorentz-Oszillators erklärt. Der Ursprung von Resonanzen im THz-Bereich wird kurz erläutert. Im Kapitel 2 werden die Prinzipien der THz Erzeugung und Detektion detailliert beschrieben. Kapitel 3 stellt das entwickelte und leistungsoptimierte THz-TDS System vor. Das Messprinzip und die Datenanalyse werden vorgestellt. Das System wird anhand bekannter Substanzen charakterisiert. Das Konzept des entwickelten Transmissions-Systems wird in Kapitel 4 auf einen Reflexionsaufbau übertragen. In Kapitel 5 werden die Ergebnisse einer ausführlichen Studie über Ölverschmutzungen, die mit THz-TDS charakterisiert werden gezeigt. Zusätzlich werden Modelle zur Beschreibung von Absorptions- und Streuverhalten eingeführt. In Kapitel 6 wird über Wechselwirkung von pharmazeutischen Substanzen in polymeren Hilfsstoffen berichtet, die mit THz-TDS untersucht werden. Im 7. Kapitel werden kreidegefüllte Polypropylen Verbundstoffe mit Ultraschall und THz-TDS untersucht und die Messungen verglichen. Bei beiden Messverfahren werden Streueffekte gezielt zur Charakterisierung der Verbundstoffe benutzt. Eine kurze Einführung in die verwendete Multivariate Kalibrierung wird gegeben. Im letzten Kapitel 8 wird russgefüllter Naturkautschuk mit Dielektrischer und THz Spektroskopie untersucht. Die Messergebnisse werden auf Basis der Perkolationstheorie interpretiert.
ThesisNote
Freiburg, Univ., Diss., 2006
Verlagsort
Freiburg