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.