Filterkonzepte für den terahertz-Frequenzbereich

In dieser Arbeit werden Filter und Modulatoren für terahertz-Strahlung behandelt und Grundlagen, die zu neuen Eigenschaften oder neuen Bauelementen führen, studiert. Begonnen wird mit einer alternativen Herstellungsmethode für zweidimensionale Filteroberflächen, die im Vergleich zur Fotolithographi...

Ausführliche Beschreibung

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Bibliographische Detailangaben
1. Verfasser: Born, Norman
Beteiligte: Koch, Martin (Prof. Dr. rer. nat.) (BetreuerIn (Doktorarbeit))
Format: Dissertation
Sprache:Deutsch
Veröffentlicht: Philipps-Universität Marburg 2015
Physik
Schlagworte:
FIR
Online Zugang:PDF-Volltext
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Beschreibung
Zusammenfassung:In dieser Arbeit werden Filter und Modulatoren für terahertz-Strahlung behandelt und Grundlagen, die zu neuen Eigenschaften oder neuen Bauelementen führen, studiert. Begonnen wird mit einer alternativen Herstellungsmethode für zweidimensionale Filteroberflächen, die im Vergleich zur Fotolithographie sehr flexibel ist und zusätzlich die Herstellung von freistehenden Filtern erlaubt. Diese Methode basiert auf der Laser-Ablation, durch welche gezielt verschiedene Materialien von einer Probe oder einer dünnen Folie abgetragen werden können. In dieser Arbeit werden mit Hilfe dieser Herstellungstechnik einige Beispiele wie Bandpass-Filter oder Polarisatoren demonstriert und charakterisiert, die aus der Literatur bereits bekannt sind. Hierauf folgt ein breiter Themenkomplex, in dem unterschiedliche Hohlraumresonatoren als Filter und Modulatoren für den terahertz-Bereich adaptiert, studiert und besprochen werden. Dabei werden unter anderem Filter mit sehr schmalen Transmissionsbändern diskutiert, die Gütefaktoren in einem Bereich von 500 aufweisen. Durch ihr relativ robustes und einfach zu handhabendes Design von schmalen Metallgittern auf den sehr parallelen Grenzflächen eines Halbleiterwafers können sie ohne weiteres in Freistrahlaufbauten eingesetzt werden. Zusätzlich ist eine Feinjustage möglich, indem der Filter temperiert oder gedreht wird. Weiterhin wird in einem Ausblick beispielhaft demonstriert, wie sich mit einem Hohlraumresonator die Sensitivität eines möglichen Dünnfilmdetektors verbessern ließe. Der darauffolgende Abschnitt erweitert das Konzept des Hohlraumfilters für die Anwendung als Modulator. Genutzt wird hierbei, dass in dem halbleitenden Trägersubstrat optisch freie Ladungsträger angeregt werden können, die innerhalb des Resonators zu einer effektiven Dämpfung der Transmission führen. Dabei erreichte das Musterbauteil eine Modulationstiefe von 90% bei einer maximalen Ausgangstransmission von ca. 80% an einer ausgesuchten Frequenz bei 942 GHz. Darüber hinaus werden in der Diskussion Effekte besprochen, welche die Modulationseigenschaften verschlechtern oder verbessern. Im Anschluss wird ein Dünnfilm in einem Hohlraumresonator genutzt, der reversibel seinen Phasenzustand über verschiedene Stimuli von einer isolierenden in eine leitende Phase ändern kann. Dieser Phasenübergang kann extrem schnell vonstattengehen, unterliegt aber einer Hysterese für die Rückrichtung. Das Musterbauteil schaltet scharfe Transmissionsbänder über eine Temperaturänderung und erreicht eine Finesse von ca. 6. Die Phasenänderung geschieht dabei in einem Temperaturbereich, der kleiner als 10°C ist und gestattet möglicherweise zukünftig das Herabsetzen der Schwellintensität für einen zweiten, schnelleren Stimulus, der sowohl optisch als auch elektrisch sein könnte. Schließlich beschäftigt sich diese Arbeit mit Filteroberflächen, die sich aus periodisch angeordneten, metallischen Resonatoren auf einem dielektrischen Substrat zusammensetzen und Resonanzen aufweisen, die vorwiegend durch die Geometrie der Resonatoren bestimmt werden. Dabei sind die Resonatoren deutlich kleiner als die Resonanzwellenlänge und es kommt unter bestimmten Umständen zu asymmetrischen Resonanzverläufen, die als Fano-artig bezeichnet werden. Zunächst wird dabei ein Konzept vorgestellt und studiert, in dem sich multiple, scharfe und Fano-artige Resonanzen anregen lassen. Einige dieser Resonanzen können beispielsweise über asymmetrische Resonatoren erzeugt werden. Darüber hinaus wird gezeigt, dass auch ein leicht verändertes Gitter in einer Schachbrettgeometrie zu einem ähnlichen Resonanzverlauf führt. Werden beide Konzepte gleichzeitig auf eine Filteroberfläche angewandt, so lassen sich mehrere, scharfe Resonanzen auf einmal anregen. Die Demonstration gelingt anhand von zwei unterschiedlichen Beispielen, bei denen Geometrieparameter sowie ihr Einfluss auf die Transmissionseigenschaften und die Stromverteilungen untersucht werden. Zukünftig könnten derartige Oberflächen als Filter für verschiedene Bänder eingesetzt werden oder die Plattform für eine neue Generation von Dünnfilm-Sensoren bilden. Abschließend widmet sich diese Arbeit den winkelabhängigen Eigenschaften der zuvor besprochenen Filter und studiert einen Effekt, der zu einer erhöhten Sensitivität auf den Einfallswinkel führt. Dieser Effekt, der sich auf die Periodizität der metallischen Resonatoren zurückführen lässt, wird ausgenutzt, um eine besonders hohe Sensitivität einer einzelnen Resonanz innerhalb eines Filters mit multiplen scharfen Resonanzen zu erzeugen. Dabei zeigt sich, dass sich der Bereich der höchsten Sensitivität für den Einfallswinkel einstellen lässt und dass nicht jeder Resonatortyp bzw. nicht jede Resonanzart gleich empfindlich für dieses Phänomen ist.
DOI:https://doi.org/10.17192/z2016.0055