title: Erzeugung und Nachweis von Terahertz-Strahlung unter Verwendung von Multimode-Lasersystemen
title: Generation and Detection of Terahertz Radiation Employing Multimode Laser Systems
Creators: name: Scheller, Maik Andre
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2011
Subjects: QTDS
Laser
Physik
Dauerstrichlaser
Multimode
Signalverarbeitung
Spektroskopie
Terahertz
Nichtlineare Optik

description: 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.
description: 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.