TU Darmstadt / ULB / TUprints

Erzeugung und Anwendung von Dauerstrich-Terahertz-Strahlung unter Verwendung von Halbleiterkomponenten

Blömer, Dominik :
Erzeugung und Anwendung von Dauerstrich-Terahertz-Strahlung unter Verwendung von Halbleiterkomponenten.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2015)

[img]
Preview
Text
D_Bloemer_Dissertation_Pflichtexemplare_final.pdf
Available under Creative Commons Attribution Non-commercial No-derivatives 3.0 de.

Download (5MB) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Erzeugung und Anwendung von Dauerstrich-Terahertz-Strahlung unter Verwendung von Halbleiterkomponenten
Language: German
Abstract:

Seit einigen Jahren ist die Forschung auf dem Gebiet der THz-Strahlung zunehmend in den Mittelpunkt zahlreicher Forschergruppen getreten. Das gestiegene Interesse wird durch zahlreiche Anwendungen weiter gefördert. Viele dieser Anwendungen erfordern eine schmale Linienbreite der THz-Strahlung sowie eine Durchstimmbarkeit der THz-Wellenlänge. Um auch außerhalb von Laboratorien eingesetzt zu werden und eine möglichst große Verbreitung zu erlangen, sollen die THz-Quellen bei Raumtemperatur betrieben werden und möglichst geringe Kosten in Anschaffung und Betrieb verursachen.

Das Ziel dieser Arbeit war es daher zwei Erzeugungsmethoden, die die oben genannten Anforderungen erfüllen zu untersuchen, namentlich die Erzeugung durch Photomischen und die Erzeugung durch Differenzfrequenzerzeugung. Im ersten Teil dieser Arbeit stand daher die Realisierung und Charakterisierung einer solchen Quelle, die hinreichend stabil ist, um auch bildgebende THz-Messungen zu ermöglichen im Mittelpunkt. Neben der inkohärenten Detektion und deren Anwendungen sollte auch die kohärente Detektion untersucht werden.

Der in dieser Arbeit realisierte Laseraufbau verwendet zur Erzeugung der beiden Moden einen Halbleiterlaserchip mit einem doppelten externen Resonator in Littman-Metcalf-Konfiguration. Hierdurch werden zwei getrennt voneinander durchstimmbare Lasermoden erzeugt. Die Erzeugung der Lasermoden in einem einzigen Laserchip hat den Vorteil, dass die Moden intrinsisch einen perfekten Überlapp aufweisen. Zudem ist die Differenzfrequenz sehr stabil, da mögliche Fluktuationen beide Moden gleichermaßen beeinflussen, sodass die Differenzfrequenz stabil bleibt.

Mit diesem Aufbau konnte eine sehr stabile Laserquelle realisiert werden, die über einen Zeitraum von mehr als einer Stunde stabil im Hinblick auf Leistungsschwankungen emittiert. Die Schwankungen der Differenzfrequenz betrugen über einen Zeitraum von 45 Minuten maximal 25 MHz. Diese sehr gute Stabilität wurde ohne zusätzliche externe Stabilisierung der Frequenz erreicht. Der Abstimmbereich beträgt für den reinen Dual-mode Betrieb 0,2 – 3,2 THz.

Die Zwei-Moden-Quelle wurde anschließend zur Erzeugung von durchstimmbarer cw-THz-Strahlung mittels Photomischen auf photoleitenden Antennen verwendet. Es zeigt sich, dass die THz-Leistung quadratisch von der optischen Leistung und hyperquadratisch von der Biasspannung abhängt. Die THz-Strahlung ist linear polarisiert und das mit dem FTIR gemessene Spektrum zeigt eine einmodige, durch das Auflösungsvermögen des FTIR begrenzte Emissionslinie. Insgesamt kann mit der realisierten THz-Quelle Strahlung bis zu einer Frequenz von 2,3 THz erzeugt werden, wobei die Antenne auf eine Frequenz von 1 THz optimiert ist.

Das THz-System wurde anschließend verwendet, um mehrere typische THz-Anwendungen zu demonstrieren. Als spektroskopisches Beispiel wurde die Transmission von Luft vermessen und es konnten zahlreiche Absorptionslinien des in der Luft enthaltenen Wasserdampfs identifiziert werden. Zudem wurde der dynamische Trockenvorgang von Papier durch eine Echtzeitmessung der Transmission untersucht.

Aufgrund der guten Stabilitätseigenschaften, kann die THz-Quelle sehr gut für bildgebende Messungen eingesetzt werden. Es wurde exemplarisch ein künstlicher Verbundwerkstoff mit charakteristischen Fehlstellen untersucht. Hierbei konnten die Inhomogenitäten eindeutig identifiziert werden. Auch zur zerstörungsfreien Qualitätskontrolle wurde das System eingesetzt. Hierbei wurden eine Klebefläche und ein Klebepunkt untersucht. Die räumliche Auflösung des Systems liegt bei 670 µm, bei einer verwendeten THz-Wellenlänge von 296 µm. Durch Optimierungen des Messprozesses konnte zudem die notwendige Messdauer für bildgebende Messungen auf die Hälfte reduziert werden.

In einem Homodyn-Aufbau mit Sende- und Empfängerantenne wurde die kohärente Detektionsmethode realisiert und erfolgreich für die Bestimmung des Brechungsindex von Teflon eingesetzt. Die homodyne Messmethode wurde im Rahmen dieser Arbeit weiterentwickelt, indem gezeigt werden konnte, dass eine gleichzeitige Emission und Detektion mit einer einzigen Antenne möglich ist. Durch die Eliminierung der zweiten Antenne entfallen zahlreiche optische Komponenten, sodass der experimentelle Aufbau vereinfacht werden kann und damit robuster wird. Zudem muss die optische Leistung nicht auf zwei Antennen aufgeteilt werden.

Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde die Möglichkeit untersucht, THz-Strahlung durch den nichtlinearen Prozess der Differenzfrequenzerzeugung zu erzeugen. Hierbei werden in einem Medium mit quadratischer Nichtlinearität zwei Wellen mit den Frequenzen ν_1 und ν_2 überlagert. Diese erzeugen in einem nichtlinearen Mischprozess Strahlung mit einer Frequenz ν_3=ν_1-ν_2, die gerade im THz-Bereich liegt.

Auch diese Art der THz-Erzeugung funktioniert bei Raumtemperatur. Die THz-Linienbreite wird hierbei durch die Linienbreite der Pumplaser definiert. In dieser Arbeit wurden Pumpwellen im Mittelinfrarot betrachtet. Als Quellen kommen hierbei leistungsstarke QCL in Frage. Um eine möglichst hohe Effizienz zu erreichen, muss der nichtlineare Kristall einen großen nichtlinearen Koeffizienten aufweisen. Hier bieten sich Halbleitermaterialien mit Zink-Blende Struktur an. Zudem muss eine Phasenanpassung der beteiligten Wellen gewährleistet werden.

In dieser Arbeit wurden daher zunächst Schichtwellenleiter für das THz simuliert. Es zeigt sich, dass es möglich ist, Phasenanpassung in Schichtwellenleitern für den gesamten von den QCL abgedeckten Wellenlängenbereich zu erzielen. Aufgrund der Form der Materialdispersion hat hierbei die Wahl der Pumpwellenlänge keinen großen Einfluss auf die Dimension des Wellenleiters. Allerdings bleiben in diesem Szenario die MIR-Wellen ungeführt, sodass die effektive Länge durch die Rayleigh-Länge begrenzt ist.

Daher wurden im nächsten Schritt zweidimensionale Wellenleiter betrachtet. Diese Strukturen bieten Wellenleitung sowohl für die MIR- als auch für die THz-Strahlung. Es zeigt sich, dass es auch in diesem Fall möglich ist, Phasenanpassung für Pumpwellen im MIR zu gewährleisten. Die Wellenleiter sollten auf einem Substrat gewachsen sein, damit eine einfache Handhabung gewährleistet ist. Auch muss die Anordnung der Wellenleiter so erfolgen, dass ein guter Überlapp der Moden entsteht. Die Konversionseffizienz liegt im Bereich von 1 µW/W2. Je nach Anforderung der Anwendung kann das Design der Wellenleiter auf einzelne Aspekte wie einen großen Abstimmbereich, hohe Effizienz oder Monomodigkeit der Wellenleiter optimiert werden.

Die beiden Pumpwellen im MIR können durch zwei separate QCL erzeugt werden. Allerdings bietet sich auch hier die Möglichkeit eine Zwei-Moden-Quelle zu realisieren. Die Ergebnisse und Erfahrungen, die im ersten Teil der Arbeit gewonnen wurden, können auf das MIR übertragen werden, um mit ähnlichen Konzepten auch hier erfolgreich einen Zweiwellenlängen-Laser zu realisieren.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
THz radiation has become the focus of many research groups over the last few years. The increasing interest in this area is driven by numerous applications. Many of these applications require a small line width of the THz radiation and the frequency should be tunable. In order to reach a proliferation beyond research facilities THz radiation sources should be compact, work at room temperature and should be cost-efficient. Therefore the goal of this thesis was the investigation of two schemes of continuous-wave THz generation which fulfill the abovementioned criteria. These schemes are the generation of THz radiation by photomixing and the generation by difference frequency generation. The first part of this thesis focusses on the realization and characterization of a THz source based on photomixing which can be utilized for THz imaging. The investigation and application include direct detection as well as coherent detection. For photomixing a beat signal of two near infrared wavelength with the difference frequency being in the THz range is focused onto a photo conducting antenna. In this work the two near infrared wavelength are generated in one semiconductor laser chip with a double external cavity set up in Littman-Metcalf configuration. The generation of both wavelengths in one laser chip has the advantages of an intrinsic perfect overlap of the modes and a stable difference frequency since both modes experience the same fluctuations. With this set up a very stable two wavelength laser source has been realized which emits a stable signal with respect to the laser power over a period of longer than one hour. The change of the difference frequency has been measured to be 25 MHz in a period of 45 minutes. This very good stability has been achieved without an external stabilization of the difference frequency. The tuning range of the laser source is 0.2-3.2 THz. This two wavelength source has then been applied to the generation of tunable cw-THz radiation via photomixing with a photo conductive antenna. The generated THz power scales quadratically with the optical power and hyper quadratically with the applied bias voltage. The THz radiation is linearly polarized and the spectrum measured with an fourier transform spectrometer shows a single frequency emission with a line width limited by the resolution power of the spectrometer. The frequency characteristic of the antenna has been measured and the antenna is suitable for THz generation up to 2.3 THz with the best efficiency at the design frequency of 1 THz. The THz system has then been applied to the demonstration of several typical THz applications. As a spectroscopic example the transmission of air has been measured and several absorption lines of water vapor have been identified. In another experiment the drying of paper has been monitored by a real time measurement of the THz transmission. Because of the good stability the THz source can be applied to THz imaging applications. As a test sample an artificial composite material with characteristic defects has been investigated. With the THz system the inhomogeneities have been clearly identified. Another application is non-destructive quality control. The transmissions of a glue dot and a glue area have been investigated and the THz image can be used to verify the homogeneity of the adhesive bonding. The lateral resolution of the imaging system has been measured to be 670 µm with a wavelength of 296 µm. By optimizing the measurement process the duration of the imaging measurements have been reduced by half. The coherent detection method has been realized in a homodyne set up with two photoconductive antennas, one being the emitter antenna and the other one being the receiver antenna. The coherent detection allows for the detection of the phase of the THz signal. This has been applied to determine the refractive index of Teflon. The homodyne set up has been advanced in this work to a self-homodyne set up by eliminating the receiver antenna. The emission and detection of the THz radiation is done simultaneously with one antenna. This leads to a simpler set up with less components compared to the classical homodyne set up and has the further advantage that the optical power does not need to be split between the emitter and the receiver antenna. In the second part of this thesis the generation of THz radiation by difference frequency generation has been studied. The focus of this work is on the design of semiconductor waveguides and the calculation of phase matching in these waveguides between the middle infrared pump wavelengths and the generated THz radiation. The difference frequency generation is based on the interaction of two waves with frequency ν_1 and ν_2 in a medium with a second order nonlinearity. The two waves generate a wave with a frequency of ν_3=ν_1-ν_2 via a nonlinear mixing process with the difference frequency being in the THz range. This method of THz generation works at room temperature and the THz line width is defined by the line widths of the pump lasers. In this thesis powerful quantum cascade lasers in the mid infrared region are intended as pump sources. In order to achieve a high efficiency the nonlinear crystal should have a high nonlinear coefficient. Semiconductor materials with zinc-blende structure fulfill this requirement. Additionally good phase matching has to be provided. In a first step phase matching in a THz slab waveguide was calculated. The results show that it is possible to achieve phase matching in slab waveguides. The choice of the pump wavelength in the region covered by QCL (4-10 µm) has little impact on the dimensions of the THz waveguide. However, as in this case the mid infrared waves remain unguided the effective interaction length is limited by the Rayleigh length. Therefore, in the next step two-dimensional waveguides have been considered. These structures provide wave guiding for the THz and the mid infrared waves. Also in this case phase matching between the THz and the mid infrared waves can be achieved. The tuning ranges of the waveguides, i.e. the frequency range in which the THz frequency may be varied for a given waveguide amounts to 100-300 GHz. The designs provide good overlap of the interacting waves and the conversion efficiency is in the range of 1µW/W2. The designs with highest efficiency show the smallest tuning range. The waveguides should therefore be tailored to match the requirements of the THz source, e.g. high efficiency, large tuning ranges or easy handling. As pumping sources two separate QCL can be used. However, there is also the possibility to transfer the results from the first part of this thesis into the mid infrared and use a dual wavelength approach in the mid infrared spectral region.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Applied Physics
Date Deposited: 20 Jul 2015 08:59
Last Modified: 20 Jul 2015 08:59
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-46529
Referees: Elsäßer, Prof. Dr. Wolfgang and Meißner, Prof. Dr. Peter
Refereed: 23 July 2014
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4652
Export:
Actions (login required)
View Item View Item

Downloads

Downloads per month over past year