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

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• Publisher: Cuvillier Verlag
• Year: 2011
• Print ISBN: 9783869556819
• eBook ISBN: 9783736936812
• Edition: 1

Durch den langjährigen Mangel an künstlichen Quellen ist der Terahertzbereich des elektromagnetischenSpektrums weit weniger erforscht, als die benachbarten Gebiete der Mikrowellentechnikund Optik. Seit wenigen Jahren schließt sich die sogenannte "THz-Lücke", die Frequenzen von 300 GHz bis 10 THz umfasst, durch den technologischen Fortschrittjedoch stetig und zeigt eine immense Anzahl von Einsatzgebieten für THz-Strahlung auf.Dazu gehört die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung genauso wie biomedizinische Anwendungenoder Sicherheitstechnologien.Optoelektronische Verfahren zur kohärenten Generation und Detektion von THz-Signalenbieten, auch ohne den Einsatz kryogener Komponenten, Bandbreiten von mehreren Terahertzund sind somit rein elektronischen Ansätzen deutlich überlegen. Auf dem Gebietder Dauerstrich-THz-Systeme hat sich die sogenannte Photomischung, eine heterodyneDifferenzfrequenzerzeugung in schnellen Photohalbleitern, als besonders geeignet herauskristallisiert.Diese Technik vereint große Bandbreite und präzise Frequenzauflösung miteinem hohen Signal-zu-Rausch-Verhältnis.In der vorliegenden Dissertation werden Systeme, Verfahren und Komponenten zur hochauflösendenDauerstrich-THz-Spektroskopie entwickelt. In der Systemtechnik konnte dieFrequenz- und die Signalstabilität kohärenter THz-Systeme verbessert werden. Durch denEinsatz einer externen optischen Wellenlängenstabilisierung wurde eine Langzeitstabilitätder THz-Frequenz von 50MHz in 24 h erreicht. Im gleichen Zeitraum konnte eineAmplitudenstabilität von 3% sowie eine Phasenstabilität von 4° erzielt werden. Durcheine modifizierte Systemkonfiguration und ein neuartiges Modulationsverfahren ist es zudemgelungen, die Dauer phasensensitiver THz-Messungen, gegenüber bisher bekanntenVerfahren, um 95% zu reduzieren. Weiterhin werden in dieser Arbeit die Angaben hinsichtlichdes Signal-zu-Rausch-Verhältnisses photokonduktiver THz-Systeme erstmals miteiner Aussage über die Lebensdauer von Photomischern verknüpft. Mit einem, für 1000Betriebsstunden 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-Resonatorenfür den Einsatz in der THz-Spektroskopie optimiert. Der Einfluss von Geometrie undMaterial auf die spektralen Eigenschaften sowie die Kombinierbarkeit der Resonatorenmit den vorangehend entworfenen THz-Systemen sind Bestandteil der Untersuchungen.Zur schnellen computergestützten Synthese der Subwellenlängen-Sensoren wurde zudemein analytisches Modell entwickelt und durch numerische Simulation verifiziert. Die plementierten Strukturen weisen Sensitivitäten auf, die um bis zu 25% über den Wertenbekannter Resonatorverfahren liegen. So konnten Materialien erfolgreich charakterisiertwerden, deren optische Dicke unter einem hundertstel der Resonanzwellenlänge derSubwellenlängen-Sensoren liegt.Im dritten und letzten Schwerpunkt dieser Arbeit sind integrierte Dauerstrich-THz-Systemeentworfen worden, die THz-Emitter, Sensoreinheit und THz-Detektor auf einemHalbleitersubstrat vereinen. Durch den Einsatz neuer, robuster Phasenmodulationsverfahrenkonnte der nutzbare Frequenzbereich im Dauerstrichbetrieb um einen Faktor 5verbessert werden. Die erreichten Frequenzen von über 1 THz stellen einen internationalenBestwert dar.

Table of contents

• Vorwort
• Kurzfassung
• Inhaltsverzeichnis
• Kapitel 1
• Kapitel 2
• Kapitel 3
• Kapitel 4
• Kapitel 5
• Kapitel 6
• Anhang A
• Anhang B
• Anhang C
• Anhang D
• Anhang E
• Anhang F
• Literaturverzeichnis
• Liste der eigenen Veröffentlichungen
• Curriculum Vitae