Systeme, Verfahren und Komponenten zur hochauflösenden Dauerstrich-Terahertz-Spektroskopie (PDF)

Durch den langjährigen Mangel an künstlichen Quellen ist der Terahertzbereich des elektromagnetischen
Spektrums weit weniger erforscht, als die benachbarten Gebiete der Mikrowellentechnik
und Optik. Seit wenigen Jahren schließt sich die sogenannte „THz-Lücke“,
die Frequenzen von 300 GHz bis 10 THz umfasst, durch den technologischen Fortschritt
jedoch stetig und zeigt eine immense Anzahl von Einsatzgebieten für THz-Strahlung auf.
Dazu gehört die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung genauso wie biomedizinische Anwendungen
oder Sicherheitstechnologien.
Optoelektronische Verfahren zur kohärenten Generation und Detektion von THz-Signalen
bieten, auch ohne den Einsatz kryogener Komponenten, Bandbreiten von mehreren Terahertz
und sind somit rein elektronischen Ansätzen deutlich überlegen. Auf dem Gebiet
der Dauerstrich-THz-Systeme hat sich die sogenannte Photomischung, eine heterodyne
Differenzfrequenzerzeugung in schnellen Photohalbleitern, als besonders geeignet herauskristallisiert.
Diese Technik vereint große Bandbreite und präzise Frequenzauflösung mit
einem hohen Signal-zu-Rausch-Verhältnis.
In der vorliegenden Dissertation werden Systeme, Verfahren und Komponenten zur hochauflösenden
Dauerstrich-THz-Spektroskopie entwickelt. In der Systemtechnik konnte die
Frequenz- und die Signalstabilität kohärenter THz-Systeme verbessert werden. Durch den
Einsatz einer externen optischen Wellenlängenstabilisierung wurde eine Langzeitstabilität
der THz-Frequenz von 50MHz in 24 h erreicht. Im gleichen Zeitraum konnte eine
Amplitudenstabilität von 3% sowie eine Phasenstabilität von 4° erzielt werden. Durch
eine modifizierte Systemkonfiguration und ein neuartiges Modulationsverfahren ist es zudem
gelungen, die Dauer phasensensitiver THz-Messungen, gegenüber bisher bekannten
Verfahren, um 95% zu reduzieren. Weiterhin werden in dieser Arbeit die Angaben hinsichtlich
des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses photokonduktiver THz-Systeme erstmals mit
einer Aussage über die Lebensdauer von Photomischern verknüpft. Mit einem, für 1000
Betriebsstunden ausgelegten, THz-System konnte bei einer Frequenz von 1THz ein Signalzu-
Rausch-Verhältnis von 31 dB erreicht werden.
Im Bereich der Komponentenentwicklung werden neuartige Subwellenlängen-Resonatoren
für den Einsatz in der THz-Spektroskopie optimiert. Der Einfluss von Geometrie und
Material auf die spektralen Eigenschaften sowie die Kombinierbarkeit der Resonatoren
mit den vorangehend entworfenen THz-Systemen sind Bestandteil der Untersuchungen.
Zur schnellen computergestützten Synthese der Subwellenlängen-Sensoren wurde zudem
ein analytisches Modell entwickelt und durch numerische Simulation verifiziert. Die
plementierten Strukturen weisen Sensitivitäten auf, die um bis zu 25% über den Werten
bekannter Resonatorverfahren liegen. So konnten Materialien erfolgreich charakterisiert
werden, deren optische Dicke unter einem hundertstel der Resonanzwellenlänge der
Subwellenlängen-Sensoren liegt.
Im dritten und letzten Schwerpunkt dieser Arbeit sind integrierte Dauerstrich-THz-Systeme
entworfen worden, die THz-Emitter, Sensoreinheit und THz-Detektor auf einem
Halbleitersubstrat vereinen. Durch den Einsatz neuer, robuster Phasenmodulationsverfahren
konnte der nutzbare Frequenzbereich im Dauerstrichbetrieb um einen Faktor 5
verbessert werden. Die erreichten Frequenzen von über 1 THz stellen einen internationalen
Bestwert dar.