Blömer, Dominik (2015)
Erzeugung und Anwendung von Dauerstrich-Terahertz-Strahlung unter Verwendung von Halbleiterkomponenten.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Seit einigen Jahren ist die Forschung auf dem Gebiet der THz-Strahlung zunehmend in den Mittelpunkt zahlreicher Forschergruppen getreten. Das gestiegene Interesse wird durch zahlreiche Anwendungen weiter gefördert. Viele dieser Anwendungen erfordern eine schmale Linienbreite der THz-Strahlung sowie eine Durchstimmbarkeit der THz-Wellenlänge. Um auch außerhalb von Laboratorien eingesetzt zu werden und eine möglichst große Verbreitung zu erlangen, sollen die THz-Quellen bei Raumtemperatur betrieben werden und möglichst geringe Kosten in Anschaffung und Betrieb verursachen.

Das Ziel dieser Arbeit war es daher zwei Erzeugungsmethoden, die die oben genannten Anforderungen erfüllen zu untersuchen, namentlich die Erzeugung durch Photomischen und die Erzeugung durch Differenzfrequenzerzeugung. Im ersten Teil dieser Arbeit stand daher die Realisierung und Charakterisierung einer solchen Quelle, die hinreichend stabil ist, um auch bildgebende THz-Messungen zu ermöglichen im Mittelpunkt. Neben der inkohärenten Detektion und deren Anwendungen sollte auch die kohärente Detektion untersucht werden.

Der in dieser Arbeit realisierte Laseraufbau verwendet zur Erzeugung der beiden Moden einen Halbleiterlaserchip mit einem doppelten externen Resonator in Littman-Metcalf-Konfiguration. Hierdurch werden zwei getrennt voneinander durchstimmbare Lasermoden erzeugt. Die Erzeugung der Lasermoden in einem einzigen Laserchip hat den Vorteil, dass die Moden intrinsisch einen perfekten Überlapp aufweisen. Zudem ist die Differenzfrequenz sehr stabil, da mögliche Fluktuationen beide Moden gleichermaßen beeinflussen, sodass die Differenzfrequenz stabil bleibt.

Mit diesem Aufbau konnte eine sehr stabile Laserquelle realisiert werden, die über einen Zeitraum von mehr als einer Stunde stabil im Hinblick auf Leistungsschwankungen emittiert. Die Schwankungen der Differenzfrequenz betrugen über einen Zeitraum von 45 Minuten maximal 25 MHz. Diese sehr gute Stabilität wurde ohne zusätzliche externe Stabilisierung der Frequenz erreicht. Der Abstimmbereich beträgt für den reinen Dual-mode Betrieb 0,2 – 3,2 THz.

Die Zwei-Moden-Quelle wurde anschließend zur Erzeugung von durchstimmbarer cw-THz-Strahlung mittels Photomischen auf photoleitenden Antennen verwendet. Es zeigt sich, dass die THz-Leistung quadratisch von der optischen Leistung und hyperquadratisch von der Biasspannung abhängt. Die THz-Strahlung ist linear polarisiert und das mit dem FTIR gemessene Spektrum zeigt eine einmodige, durch das Auflösungsvermögen des FTIR begrenzte Emissionslinie. Insgesamt kann mit der realisierten THz-Quelle Strahlung bis zu einer Frequenz von 2,3 THz erzeugt werden, wobei die Antenne auf eine Frequenz von 1 THz optimiert ist.

Das THz-System wurde anschließend verwendet, um mehrere typische THz-Anwendungen zu demonstrieren. Als spektroskopisches Beispiel wurde die Transmission von Luft vermessen und es konnten zahlreiche Absorptionslinien des in der Luft enthaltenen Wasserdampfs identifiziert werden. Zudem wurde der dynamische Trockenvorgang von Papier durch eine Echtzeitmessung der Transmission untersucht.

Aufgrund der guten Stabilitätseigenschaften, kann die THz-Quelle sehr gut für bildgebende Messungen eingesetzt werden. Es wurde exemplarisch ein künstlicher Verbundwerkstoff mit charakteristischen Fehlstellen untersucht. Hierbei konnten die Inhomogenitäten eindeutig identifiziert werden. Auch zur zerstörungsfreien Qualitätskontrolle wurde das System eingesetzt. Hierbei wurden eine Klebefläche und ein Klebepunkt untersucht. Die räumliche Auflösung des Systems liegt bei 670 µm, bei einer verwendeten THz-Wellenlänge von 296 µm. Durch Optimierungen des Messprozesses konnte zudem die notwendige Messdauer für bildgebende Messungen auf die Hälfte reduziert werden.

In einem Homodyn-Aufbau mit Sende- und Empfängerantenne wurde die kohärente Detektionsmethode realisiert und erfolgreich für die Bestimmung des Brechungsindex von Teflon eingesetzt. Die homodyne Messmethode wurde im Rahmen dieser Arbeit weiterentwickelt, indem gezeigt werden konnte, dass eine gleichzeitige Emission und Detektion mit einer einzigen Antenne möglich ist. Durch die Eliminierung der zweiten Antenne entfallen zahlreiche optische Komponenten, sodass der experimentelle Aufbau vereinfacht werden kann und damit robuster wird. Zudem muss die optische Leistung nicht auf zwei Antennen aufgeteilt werden.

Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde die Möglichkeit untersucht, THz-Strahlung durch den nichtlinearen Prozess der Differenzfrequenzerzeugung zu erzeugen. Hierbei werden in einem Medium mit quadratischer Nichtlinearität zwei Wellen mit den Frequenzen ν_1 und ν_2 überlagert. Diese erzeugen in einem nichtlinearen Mischprozess Strahlung mit einer Frequenz ν_3=ν_1-ν_2, die gerade im THz-Bereich liegt.

Auch diese Art der THz-Erzeugung funktioniert bei Raumtemperatur. Die THz-Linienbreite wird hierbei durch die Linienbreite der Pumplaser definiert. In dieser Arbeit wurden Pumpwellen im Mittelinfrarot betrachtet. Als Quellen kommen hierbei leistungsstarke QCL in Frage. Um eine möglichst hohe Effizienz zu erreichen, muss der nichtlineare Kristall einen großen nichtlinearen Koeffizienten aufweisen. Hier bieten sich Halbleitermaterialien mit Zink-Blende Struktur an. Zudem muss eine Phasenanpassung der beteiligten Wellen gewährleistet werden.

In dieser Arbeit wurden daher zunächst Schichtwellenleiter für das THz simuliert. Es zeigt sich, dass es möglich ist, Phasenanpassung in Schichtwellenleitern für den gesamten von den QCL abgedeckten Wellenlängenbereich zu erzielen. Aufgrund der Form der Materialdispersion hat hierbei die Wahl der Pumpwellenlänge keinen großen Einfluss auf die Dimension des Wellenleiters. Allerdings bleiben in diesem Szenario die MIR-Wellen ungeführt, sodass die effektive Länge durch die Rayleigh-Länge begrenzt ist.

Daher wurden im nächsten Schritt zweidimensionale Wellenleiter betrachtet. Diese Strukturen bieten Wellenleitung sowohl für die MIR- als auch für die THz-Strahlung. Es zeigt sich, dass es auch in diesem Fall möglich ist, Phasenanpassung für Pumpwellen im MIR zu gewährleisten. Die Wellenleiter sollten auf einem Substrat gewachsen sein, damit eine einfache Handhabung gewährleistet ist. Auch muss die Anordnung der Wellenleiter so erfolgen, dass ein guter Überlapp der Moden entsteht. Die Konversionseffizienz liegt im Bereich von 1 µW/W2. Je nach Anforderung der Anwendung kann das Design der Wellenleiter auf einzelne Aspekte wie einen großen Abstimmbereich, hohe Effizienz oder Monomodigkeit der Wellenleiter optimiert werden.

Die beiden Pumpwellen im MIR können durch zwei separate QCL erzeugt werden. Allerdings bietet sich auch hier die Möglichkeit eine Zwei-Moden-Quelle zu realisieren. Die Ergebnisse und Erfahrungen, die im ersten Teil der Arbeit gewonnen wurden, können auf das MIR übertragen werden, um mit ähnlichen Konzepten auch hier erfolgreich einen Zweiwellenlängen-Laser zu realisieren.

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