Deutsches Terahertz-Zentrum e.V.

Erzeugung und Nachweis



Erzeugung / Nachweis

Die Entwicklung von THz-Quellen und Detektoren nimmt in der THz-Forschung eine Schlüsselstellung ein. Letztlich kann die THz-Technik nur dann breite Anwendungsgebiete erschließen, wenn leistungsfähige, kostengünstige und kompakte Systeme zur Erzeugung und zum Nachweis von THz-Strahlung vorhanden sind. Das zeigt sich auch darin, dass das Interesse an der THz-Forschung ab den 90-er jahren des letzten Jahrhunderts erst durch die Entwicklung leistungsfähiger THz-Quellen initialisiert wurde. Seitdem wurde eine Fülle neuartiger THz-Quellen entwickelt, die weitgehend in zwei Klassen eingeteilt werden können, nämlich Quellen kontinuierlicher THz-Strahlung eines engen Frequenzbandes sowie Quellen ultrakurzer THz-Impulse großer Bandbreite.

Kontinuierliche THz-Strahlung kann sowohl elektronisch als auch optisch erzeugt werden. Die elektronischen Quellen haben großes Potenzial für kostengünstige, kompakte Quellen, arbeiten aber nur im unteren THz-Bereich bzw. erreichen den oberen THz-Bereich nur mit sehr geringer Ausgangsleistung.  Optische Quellen sind zum Beispiel THz-Gaslaser, Frequenzmischung in Halbleitern oder durch Laser gepumpte nichtlineare Kristalle.  Letztere nutzen nichtlineare Prozesse basierend auf der Erzeugung von Differenzfrequenzen zweier Laser sichtbaren Lichts oder des nahen Infrarots.

Die Klasse gepulster THz-Quellen hat den Vorteil, dass die dazugehörigen Detektoren nur sehr kurze Zeiten „aktiv“ sein müssen, so dass nur ein sehr geringer Teil der Hintergrundstrahlung den Detektor beeinflusst. Typische Tastverhältnisse sind 10000:1. Gepulste THz-Quellen werden in der Regel durch Lichtimpulse ultraschneller Femtosekunden-Laser angeregt. Die Laserimpulse werden entweder mit Hilfe der elektro-optischen Konversion in nichtlinearen Materialien, z.B. in dielektrischen Kristallen oder auf Halbleiteroberflächen, für die Erzeugung und den Nachweis von THz-Impulsen genutzt, oder sie werden zum Pumpen von photoleitenden Schaltern eingesetzt. Photoleitende Schalter sind diejenigen Komponenten, die anfangs der 1990er das seitdem andauernde Interesse an der THz-Strahlung einleiteten. Sie sind auch heute noch besonders leistungsfähige und zuverlässige Quellen und Detektoren für THz-Strahlung. Daher werden diese im Folgenden ausführlich vorgestellt.

Ein typischer THz-Impuls besitzt eine Länge von ca. einer Pikosekunde und besteht aus nur einem einzelnen Zyklus. Dieser Impuls wird zeitabhängig abgetastet. Die so erhaltene Wellenform kann mittels Fourier-Transformation in den Frequenzraum übertragen werden. Man erhält dadurch ein breitbandiges Spektrum. Für Pumpimpulse mit einer Länge von 100 fs sind Frequenzen zwischen 100 GHz und 4 THz detektierbar. Zusätzlich bietet die Femtosekunden-Zeitbereichsspektroskopie den Vorteil, dass die Phase der Strahlung genau definiert ist und nicht nur bis auf Vielfache von 360° gemessen werden kann. Dadurch kann man mittels Laufzeitmessungen den Brechungsindex von durchstrahlter Materie direkt bestimmen, sowie Dickenmessungen durchführen, was bei der Bildaufnahme mit THz-Strahlung vielfältige Möglichkeiten eröffnet.

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Abb. 4: Arbeitsbereich

Photoleitende Schalter bzw. Antennen sind Leiterbahnstrukturen auf Halbleitern mit niedriger elektrischer Leitfähigkeit (hoher Dunkelwiderstand). Im Zentrum der Antennenstruktur befindet sich eine Lücke, so dass die beiden Elektroden der Antenne elektrisch gegeneinander isoliert sind. Bei Verwendung der photoleitenden Antenne als Sender werden die Elektroden elektrisch vorgespannt, so dass über der Lücke ein elektrisches Feld der Größenordnung 106 V/m anliegt, ohne dass jedoch ein nennenswerter Strom fließt, da keine freien Ladungsträger vorhanden sind. Wird nun ein Laserimpuls geeigneter Wellenlänge in diese Lücke fokussiert, so erzeugt dieser Impuls Ladungsträger und es fließt ein Strom zwischen den Elektroden der Antenne. Er fließt so lange, wie Ladungsträger existieren, also zunächst über die Dauer des Laserimpulses hinweg bis zum Abschluss der Ladungsträgerrekombination. Dieser zeitlich schnell veränderliche Stromimpuls in der Antenne führt zur Abstrahlung eines elektromagnetischen Impulses, dessen Maximalfrequenz im Prinzip durch den Kehrwert der Anstiegszeit gegeben ist. Durch die Form der Antenne und deren Abstrahlcharakteristik kann das erzeugte Spektrum weiter beeinflusst werden. Um die Ladungsträgerlebensdauer klein zu halten, werden spezielle Halbleiterschichten verwendet wie z.B. bei tiefen Temperaturen gewachsenes Galliumarsenid (LT-GaAs) oder strahlengeschädigtes Silizium auf Saphir (RD-SOS). Photoleitende Antennen sind gewissermaßen Transistoren, die statt durch ein elektronisches Gate durch einen Lichtimpuls geschaltet werden. Eine räumliche Bündelung der THz-Strahlung erreicht man durch Einsatz von Siliziumlinsen, die sich in direktem Kontakt mit dem Halbleiter befinden.

Beim Nachweis wird zwischen inkohärenter und kohärenter Detektion unterschieden. Beim den inkohärenten Verfahren wird die Leistung der absorbierten Strahlung ermittelt („Powermeter“). Bei der kohärenten Detektion wird das elektrische Feld mit der dazugehörigen Phase der THz-Strahlung gemessen, wodurch eine sehr hohe Sensitivität zu erreichen ist.

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Abb. 5: THz-Sender und THz-Empfänger

Ein kohärenter THz-Nachweis ist etwa unter Einsatz von heterodynen Verfahren möglich. Hierbei wird das Signal einer lokalen Quelle, die eine Frequenz nahe dem zu detektierenden Signal aufweist, mit dem nachzuweisenden Signal gemischt, um eine Signalverstärkung durch die entstehende Interferenz zu erreichen. Als Detektor wird ein direkter Empfänger benutzt, der ausreichend schnell ist, um der Feldoszillation zu folgen.

Die meisten kohärenten Nachweisverfahren basieren auf opto-elektronischen Methoden. Der große Vorteil dieser Techniken liegt darin, dass trotz der verhältnismäßig geringen mittleren THz-Leistung von ungefähr 1 µW eine extrem große Empfindlichkeit bei Raumtemperatur erzielt werden kann.

Analog zur Erzeugung von THz-Strahlung können photoleitende Schalter auch zum Nachweis verwendet werden, jedoch ersetzt man die Spannungsquelle durch ein empfindliches Amperemeter. Ein Strom fließt nur dann, wenn ein Laserimpuls Ladungsträger erzeugt und diese gleichzeitig durch ein elektrisches Feld beschleunigt werden. Dieses elektrische Feld wird durch den einfallenden THz-Impuls bereitgestellt. Dieser ist (wegen der Abstrahlcharakteristik des Senders und ggf. Streueffekten in einer Probe) typischerweise länger als die Lebensdauer der Ladungsträger im Empfänger. Als Folge ist im Empfänger nur derjenige Teil des THz-Impulses zu sehen, der gleichzeitig mit dem schaltenden Laserimpuls eintrifft. Indem man nun die Ankunftszeit des THz-Impulses und des Laserimpulses gegeneinander verzögert, kann man unterschiedliche Teile des THz-Impulses abtasten bzw. die THz-Wellenform Stück für Stück abrastern. Die Verzögerung geschieht mit einer Verschiebeeinheit über eine Verlängerung des Lichtweges auf der Sender- oder Empfängerseite. Dabei wird eine Zeitauflösung besser als 10 fs erreicht, wofür die Verzögerungsstrecke auf ca. 1 μm genau positioniert sein muss. Der abgefahrene Weg kann mehr als 10 cm betragen, wodurch man einen großen Zeitbereich abtasten und damit eine hohe Frequenzauflösung im Frequenzraum bis hin zu 1 GHz erreichen kann.

Ein weiteres Detektionsverfahren -das elektro-optische Detektionsverfahren- nutzt die Abhängigkeit der Doppelbrechung in einem Kristall von einem externen elektrischen Feld aus (Pockels Effekt). Das Brechungsindexellipsoid eines geeigneten Kristalls wird durch das Feld des THz-Impulses verändert. Überlappt der Laserimpuls räumlich und zeitlich mit der induzierten Doppelbrechung, wird seine Polarisation beim Durchgang geändert. Häufig verwendete Kristalle sind Zinktellurid (ZnTe) und Galliumphosphid (GaP). Durch die Kristalldicke können die Empfindlichkeit und die Nachweisbandbreite angepasst werden.

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Abb. 6: Skizze eines typischen Versuchsaufbaus mit PL-Antennen

Die Komponenten eines THz-TDS Systems zeigt Abb. 6. Man erkennt den Laser, die Verzögerungsachse sowie photoleitende Antennen als Sender und Empfänger. Oft wird der senderseitige Laserstrahl periodisch moduliert, um Rauschen zu unterdrücken (Lock-in Technik). Zur Fokussierung der THz-Strahlung auf den Empfänger werden meist Parabolspiegel verwendet. Zusätzliche Linsen werden in der Anordnung eher vermieden, weil dort unerwünschte Reflexionen an den Linsenoberflächen auftreten. Soll nur ein kleiner räumlicher Bereich der Probe untersucht werden, kann man mit einem weiteren Satz Parabolspiegel einen Fokus erzeugen. Wird in einem solchen Aufbau die Probe zusätzlich rasterförmig senkrecht zur Strahlrichtung bewegt, kann man die Apparatur bereits zur Bildaufnahme mittels THz-Strahlung verwenden (THz-Imaging).

 

Einführung und Überblick

Terahertz-Zeitbereich-Spektroskopie

Anwendungen von THz-Strahlung

veröffentlicht am 24. August 2016 durch