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Titel: Erzeugung und Nachweis von Terahertz-Strahlung unter Verwendung von Multimode-Lasersystemen
Autor: Scheller, Maik Andre
Weitere Beteiligte: Koch, Martin (Prof. Dr.)
Erscheinungsjahr: 2011
URI: https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2011/0462
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2011-04629
DOI: https://doi.org/10.17192/z2011.0462
DDC: Physik
Titel(trans.): Generation and Detection of Terahertz Radiation Employing Multimode Laser Systems

Dokument

Schlagwörter:
Dauerstrichlaser, Terahertz, Spektroskopie, Signalverarbeitung, QTDS, Multimode, Terahertz, QTDS, Nichtlineare Optik, Laser, Multimode

Zusammenfassung:
Seit mehreren Jahren wird intensiv nach leistungsstarken und kostengünstigen Systemansätzen gesucht, welche den Terahertz(THz)-Frequenzbereich für einen weitreichenden Einsatz in der Wissenschaft und Industrie öffnen. Der prinzipielle Nutzen von THz-Wellen in vielseitigen Bereiche, etwa der biologischen Probencharakterisierung, der Halbleiteruntersuchung, bis hin zur Sicherheitstechnik oder industriellen Prozesskontrolle wurde bereits in der Vergangenheit deutlich belegt. Trotz dieses hohen Nutzens konnte die THz-Technologie bisher nicht in den technologischen Alltag vordringen, da einer weitläufigen Anwendung die Komplexität sowie die hohen Kosten der bestehenden Systemansätze als Hindernisse entgegenstanden. Heutzutage werden zumeist aufwendige Femtosekundenlaserquellen in THz-Zeitbereichsspektrometern eingesetzt, um breitbandige Messungen zu ermöglichen. Hiermit ist es prinzipiell möglich, die dielektrischen Materialeigenschaften mittels einer einzelnen Probenmessung über ein weites Frequenzintervall zu bestimmen. In der Realität gestaltet sich die Signalanalyse jedoch als aufwendig und fehleranfällig, da nur über numerische Signalverarbeitung eine genaue Probencharakterisierung möglich ist. Ebenfalls sind die Kosten dieser Spektrometer aufgrund der notwendigen Femtosekundenlaser noch immer so hoch, dass eine kommerzielle Vermarktung als Sensorsystem für technische wie auch wissenschaftliche Bereiche problematisch erscheint. Als Alternative zu den Zeitbereichsspektrometern existieren Quellen für die Erzeugung von leistungsstarker Dauerstrich-THz-Strahlung, welche in Kombination mit einem THz-Kamerasystemen direkte bildgebende Untersuchungen ermöglichen. Hier sind beispielsweise die Quanten-Kaskaden-Laser zu nennen, welche insbesondere im höheren THz-Frequenzbereich um 3 THz leistungsstark und effizient arbeiten. Allerdings benötigen diese eine kryogene Kühlung, so dass deren Einsatz in vielen Bereichen erschwert oder gar verhindert wird. Im Rahmen dieser Arbeit wurden drei Konzepte entwickelt, welche einen Beitrag liefern sollen, die THz-Technologie in die praktische Anwendung zu überführen. Der Aufbau der Arbeit gliedert sich dabei wie folgt: Zunächst wird eine Einführung in die THz-Spektroskopie anhand des Beispiels der Zeitbereichsspektroskopie gegeben. Hierbei wird das Grundkonzept der kohärenten Signaldetektion und der photoleitfähigen THz-Antennen, welche als Emitter und Detektoren für die THz-Wellen eingesetzt werden, erläutert. Ebenfalls werden in diesem Kapitel die Grundlagen der Wellenpropagation innerhalb von Materie dargestellt, wobei der Fall einer rein linearen Materie-THz-Wechselwirkung vorausgesetzt wird. Schließlich wird ein Anwendungsbeispiel für die THz-Spektroskopie vorgestellt, um dem Leser ein grundlegendes Verständnis für den THz-Wellenlängenbereich näherzubringen. Darauf folgend wird auf die Frage eingegangen, wie das detektierte komplexe elektrische Feld der THz-Welle bestmöglich analysiert werden kann, um hieraus die dielektrischen Probeneigenschaften zu extrahieren. Im Rahmen dessen wird gezeigt, dass mittels numerischer Signalauswertung die Messinformation optimal aus den experimentell aufgenommen Daten bestimmt werden kann. So ist es mit den im Rahmen der Arbeit entwickelten Analysealgorithmen möglich, die sonst bei der Auswertung störenden Mehrfachreflexionen innerhalb der Probe zu nutzen, um neben den komplexen dielektrischen Eigenschaften gleichzeitig auch die Probendicke aus den aufgenommen THz-Signalen automatisiert zu extrahieren. Als zweiter Ergebnisteil dieser Arbeit wird ein neuer Ansatz für die THz-Spektroskopie untersucht. Hierbei wird die Multimode-Emission einer Laserquelle eingesetzt, um ein multifrequentes THz-Spektrometer zu verwirklichen. Dabei wird gezeigt, dass bei geeigneter Wahl der Laserquelle ähnliche Signale wie bei der THz-Zeitbereichsspektroskopie erhalten werden können, so dass dieser Ansatz als Quasi-Zeitbereichsspektroskopie bezeichnet wurde. Die Möglichkeit, eine einfache Laserdiode als Kern eines breitbandigen THz-Spektrometers zu nutzen, ermöglicht neben einem hohen Miniaturisierungspotential zugleich eine signifikante Kostenreduzierung. Damit wird die Grundlage geschaffen, die THz-Technologie für viele Anwendungsgebiete markttauglich zu machen. Der dritte Ergebnisteil der Arbeit stellt ein Konzept vor, um leistungsstarke Dauerstrich-THz-Wellen im höheren THz-Frequenzbereich bei Raumtemperatur zu generieren. Dieses basiert darauf, die hohen Lichtintensitäten innerhalb der Kavität eines Lasers, welcher zwei Lasermoden gleichzeitig emittiert, auszunutzen, um über eine intrakavitäre parametrische Frequenzwandlung THz-Wellen im Milliwatt-Bereich zu erzeugen. Es wird gezeigt, dass gerade in dem Frequenzbereich zwischen 1 THz und 2,5 THz mit einem kompakten Systemaufbau hohe Leistungswerte erreicht werden können, welche beispielsweise für den Bereich der Radioastronomie von hoher Bedeutung sind.

Summary:
The enormous potential of terahertz(THz) waves for a variety of scientific applications and for non-destructive sensing drove research efforts to efficient and compact THz systems in recent years. Especially, THz time-domain spectroscopy, employing ultra short femtosecond lasers, was under thorough investigation. This method enables characterizations of the complex dielectric parameters of the sample under investigation over a broad frequency range with just one single measurement. But one has to bear in mind that for the required analysis of the time domain data numerical signal processing is necessary. In this work, three concepts are proposed to advance the versatility of THz spectrometers. The presented advances lay in the field of THz signal data analysis, THz spectroscopy and THz sources. In the first part, the signal processing and data analysis measured by THz spectroscopy is discussed. It is shown that numerical signal processing allows for an accurate extraction of the dielectric characteristics of a sample. Three different analyzing algorithms based on numerical optimization are introduced that simultaneously extract the dielectric material parameter of the sample under investigation and its thickness. The first method is analyzing the time-domain data and suits fast preliminary evaluations, whereas the two latter methods are contemplating the frequency-domain. While the second method offers the best resolution and highest depth of information, the third one combines the information depth of the second with the computational speed of the first by introducing a three dimensional optimization step. Measurements providing all relevant information can now be achieved in real time. In the following second part multimode laser emission is analyzed regarding its suitability for THz generation with photoconductive THz antennas. The correlation between the number of laser modes and the resulting THz waveform and signal quality is investigated. It was found that an increase in laser modes leads to a better frequency resolution but reducing the spectral intensity for each of the individual frequencies at the same time. However, choosing a laser diode with equidistant mode spacing overcomes these limitations and allows for a spectral bandwidth of approx. 1 THz. Besides the high potential for miniaturization this approach offers a significant costs reduction compared to existing THz laser sources and will speed up the introduction of THz spectrometers for the mass market. The thesis will be concluded by a chapter on a novel design for a highly efficient continuous wave THz source operating at room temperature. High infrared laser intensities of an external disc laser are used for a parametric frequency conversion by a nonlinear crystal embedded within the laser cavity. In contrast to photomixing on a semiconductor antenna, the conversion efficiency of the crystal increases with ascending frequency. Thus, this method allows for generation of milliwatt THz powers in the regime above 1 THz at room temperature and emission lines at 1.0 and 1.9 THz, respectively, were exemplarily realized.


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