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

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.