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Liquids and molecular solids investigated by THz time-domain reflection and parallel-plate waveguide spectroscopy

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Flüssigkeiten und molekulare Feststoffe untersucht mit Hilfe von THz Zeitbereichsreflexions- und Parallelplattenwellenleiter-Spektroskopie
Publikationstyp
Dissertation
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Zusammenfassung

In this thesis, two THz-TDS systems were presented. The first one was the reflection THz-TDS system for the study of liquids. By using this system we measured liquid water as well as water based HCl and NaCl solutions. The Debye model and an extend model based on the Debye model and harmonic dampened oscillators were used to analyze the measurement results of liquid water and water based solutions. The second one was a compact low-temperature parallel metal-plate waveguide THz-TDS system. Using this system we studied the temperature dependence of newly developed photo-Dember emitter as well as the temperature dependence of an absorption line of 1, 2-dicyanobenzene below 1 THz.

In Chapter 2, the experimental basics were described. THz time domain spectroscopy using ultra short laser pulses was reviewed. THz generation from a large area microstructured photoconductive switch and from a photo-Dember emitter as well as THz detection using an electro-optic crystal were carefully introduced. The principle and setup of the time-domain technique used in this work (ASOPS) was described. The fundamentals of interaction between electromagnetic waves and matter were also given in this chapter.
In Chapter 3, we presented THz time domain reflection spectroscopy of aqueous systems. The data analysis required for data obtained in this setup was also given. The Debye model and dampened harmonic oscillator model were carefully introduced and applied for the analysis of the dielectric relaxation of water and water based solutions. A linear increase of the dielectric function compared with pure water with increasing ion concentrations was verified by both experiment and theoretic analysis.

In Chapter 4, we presented a compact low-temperature THz parallel plate waveguide spectrometer. The temperature dependence of the system including the photo-Dember emitter, the copper plate, and the electro-optic crystal was discussed. Using this setup we measured the absorption of 1,2-dicyanobenzene at different temperatures. We found that the absorption peak around 750 GHz of 1, 2-dicyanobenzene displays a blue shift with increasing temperature.

Zusammenfassung in einer weiteren Sprache

In dieser Arbeit wurden zwei THz-Zeitbereich-Systeme vorgestellt. Das erste diente der Zeitbereich-THz Spektroskopie in Reflexion an wässrigen System. Mit diesem System haben wir flüssiges Wasser sowie Lösungen von HCl und NaCl in Wasser gemessen. Das Debye-Modell und ein erweitertes Modell auf Basis des Debye-Modells und gedämpfter harmonischer Oszillatoren wurden verwendet, um die Messergebnisse von flüssigem Wasser und wässrigen Lösungen zu analysieren. Das zweite System war ein kompaktes Zeitbereich-THz Tieftemperatur System mit parallelen Metallwellenleitern. Mit diesem System untersuchten wir sowohl die Temperaturabhängigkeit eines neu entwickelten Photo-Dember Emitters als auch die Temperaturabhängigkeit einer Absorptionslinie des 1,2-Dicyanobenzol unterhalb 1 THz.

In Kapitel 2 wurden die experimentellen Grundlagen beschrieben. Die Grundlagen der Zeitbereich-Spektroskopie im THz-Bereich mittels ultrakurzer Laserpulse wurden vorgestellt. Die Prinzipien der THz-Generation in einem großflächigen mikrostrukturierten photoleitenden Schalter und einem Photo-Dember-Emitter sowie der THz-Detektion unter Verwendung eines elektro-optischen Kristalls wurden dargelegt. Das Prinzip und der Aufbau für die Zeitbereich-Spektroskopie, die in dieser Arbeit (ASOPS) verwendet wurde, wurde beschrieben. Die Grundlagen der Wechselwirkung zwischen elektromagnetischen Wellen und Materie wurde auch in diesem Kapitel erläutert.

In Kapitel 3 präsentierten wir Zeitbereich-THz Reflektions-spektroskopie an wässrigen System. Die Datenanalyse für die in diesem Aufbau erzielten Resultate wurde ebenfalls dargestellt. Das Debye-Modell und das Modell des gedämpften harmonischen Oszillators wurden ausführlich erläutert und für die Analyse der dielektrischen Relaxation von Wasser und Wasser-basierten Lösungen angewendet. Eine lineare Erhöhung der dielektrischen Funktion im Vergleich mit reinem Wasser mit zunehmender Ionenkonzentration wurde sowohl im Experiment als auch in theoretischen Analysen verifiziert.

In Kapitel 4 präsentierten wir ein kompaktes Tieftemperatur-THz-Spektrometer mit planparallelem Wellenleiter. Die Temperaturabhängigkeit des Systems, einschließlich des Photo-Dember-Emitters, der Kupferplatte und des elektro-optischen Kristalls wurde diskutiert. Mit diesem Aufbau wurde die Absorption von 1,2-Dicyanbenzol bei verschiedenen Temperaturen gemessen. Wir fanden, dass der Absorptions-Peak um 750 GHz von 1,2-Dicyanbenzol eine Blauverschiebung mit zunehmender Temperatur zeigt.

Fachgebiet (DDC)
530 Physik

Schlagwörter

Debye-Modells, THz-Zeitbereich-Systeme, THz Reflektions-spektroskopie, planparallelem Wellenleiter

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ISO 690QIAO, Wenchao, 2012. Liquids and molecular solids investigated by THz time-domain reflection and parallel-plate waveguide spectroscopy [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz
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December 4, 2012
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