Systeme, Verfahren und Komponenten zur hochauflösenden Dauerstrich-Terahertz-Spektroskopie

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.... Mehr