THz Strahlungsquellen

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1 THz Strahlungsquellen Thermisch: Elektronisch: Relativistisch: Optisch: Schwarzkörperstrahlung, Gasentladungslampen Halbleiter-Oszillatoren bis 140 GHz mit anschliessender Vervielfachung Supraleitende Josephson Oszillatoren Quantum Cascade Laser Modulierte Elektronenstrahlen (Klystron, Free Electron Laser) Molekül Laser Differenzfrequenz aus zwei Diodenlasern fs-laserpulse

2 Thermische Strahlung eines idealen Schwarzkörpers Intensität B [W / Hz m 2 sterad] Wellenlänge 10 cm 1 mm 100 µm 1 µm CM MM THZ FIR IR VIS UV K 1000 K 100 K 10 K Frequenz ν [GHz] Planck-Formel Hohlraumstrahlung: für B(T, ν) = 2hν3 c 2 1 e hν/k BT 1 Helligkeitstemperatur: T A = B(T, ν) c 2 2k B ν 2 T für hν k B T

3 Schwarzkörper Strahler durch Mehrfachreflexion Einfache Mikrowellenabsorber haben eine Reflektivität von -50 bis -30 db Konisches Kalibrationstarget CHL der ESA: <-70dB THERMAL BACKING ABSORBER LINING 60mm EMC / HEAT SHIELD THERMAL INSULATION TEMPERATURE SENSORS WIRE WOUND HEATER

4 Elektronische Signalgeneratoren Halbleiter mit negativer Strom/Spannungs Kennlinie (z.b. Gunn Diode) in Hohlraum-Resonator: 10 mw bis 140 GHz Für höhere Frequenzen anschliessende Vervielfachung mit nichtlinearen Bauelementen (z.b. Schottky-Dioden): µw bis 2 THz Eingangssignal Quadratische Kennlinie Ausgangssignal f in U out Uin 2 f out = 2f in U in U out = U in 2 U out t U in t

5 Beispiele für Dioden-Vervielfacher THz Vervielfacher für HIFI/HERSCHEL (JPL, USA) SEM Aufnahme einer einzelnen Diode Dioden und Anpassungsnetzwerk eingebaut in den Hohlleiter

6 Supraleitender Signalgenerator Supraleitende Tunneldiode (SIS Junction): AC Josephson Effekt mit f = 2e h U dc Supraleitender Integrierter Empfänger mit SIS Mischer und Flux-Flow Oszillator für den THz Limbsounder TELIS. µw durchstimmbar GHz

7 Anwendungsbeispiel für CW Generatoren und Frequenzvervielfachung GHz Vektor-Netzwerk Analysator am IAP für quasi-optische Messungen. Um Phasenmessungen zu ermöglichen sind die Oszillatoren im Sende und Empfangszweig auf die selbe Referenzfrequenz eingerastet. N x f DUT Multiplier xn HM x6 Local Oscillator 8-16 GHz HM x6 Harmonic Mixer f =34 MHz IF Gunn 1 f = GHz Bias PLL Reference 50 MHz PLL Reference 50 MHz - f IF / N Bias Gunn 2 f - f / N IF

8 Vakuum Elektronik für höhere Leistung Abstrahlung elektromagnetischer Wellen von Elektronenstrahlen Magnetron (z.b. kw bei 2.4 GHz im Mikrowellenofen) Klystrons, Gyrotrons, Backward-Wave Oszillatoren (BWO) Leistung bis > 1MW, Frequenz bis > 1 THz Nachteile : Grösse, Hochspannung, starke Magnetfelder, Leistungs-und Kühlbedarf Anwendungen: Radar, Plasmaheizung für Kernfusion, miniaturisiert für Labor und Astronomie Aufbau eines 110 GHz, Gyrotrons an der EPFL MW

9 Noch grösser: Free Electron Laser Kohärente Abstrahlung relativistische Elektronen in Synchrotrons oder Linearbeschleunigern, z.b. Jefferson Lab (USA), BESSY (DE), SLS-PSI (CH)

10 THz Molekül Laser klassischer Laser, bei dem mit einem starken IR Laser in einem Gas Besetzungsinversion erzeugt wird mw W bei 1-10 THz Nachteile: nicht durchstimmbar, Grösse, Leistungsbedarf, Stabilität Pump Laser Gaszelle z.b. Methanol für 2.5 THz Strahlteiler IR THz

11 Quantum Cascade Laser (QCL) Aktuelle Entwicklung, u.a. am Bell Lab (USA) und Universität Neuenbug (CH) Vielversprechende Signalquelle für zukünftige Anwendungen Gute Eigenschaften im IR und FIR, untere Frequenzlimite momentan bei 1.4 THz Klassischer Diodenlaser (VIS,IR): Übergänge zwischen Energiebändern QCL: Übergänge zwischen Sub-Bändern in einem periodischen Potential Kaskadierung vieler mit MBE ( Molecular Beam Epitaxy) hergestellter Schichten

12 TEM Querschnitt durch die Schichten des QCL QCL Aufbau und Bandstruktur

13 Photonische Mischer (PoM) Durch Überlagerung von zwei stabilisierten Diodenlasern auf einem schnellen Photo- Detektor erhält man 1 100GHz, 1 1 THz. Breibandig durchstimmbar, kompakt und günstig, flexibler Aufbau durch Glasfaser Zuleitungen, jedoch rascher Leistungsabfall mit steigender Frequenz. IR Laser f1 IR Laser f2 optical fiber f1 f2

14 THz Erzeugung mit Femtosekunden Laser Antenne auf isolierendem Halbleitersubstrat wird mit 100V vorgespannt. Femtosekunden Laser erzeugt starken optischen Puls mit 10 fs Pulsdauer. Schlagartig angeregte Ladungsträger werden durch die hohe Feldstärke beschleunigt und emittieren breitbandigen THz Puls. Silizium-Linse auf der Antenne verbessert die Auskoppelung der THz Strahlung. Vielfältige Anwendungen für Spektroskopie, Sicherheitstechnik, Medizin.

15 THz Puls im Zeitbereich Typische Pulslängen von 1 ps Spektrum im Frequenzbereich entspricht der Fourier-Transformierten des Pulses Abtasten der Pulsform mit einem Time Domain Spektrometer

16 Time Domaine Spektrometer (TDS) Puls des Fs-Lasers wird mit einem Strahlteiler aufgespalten (rot). Eine Hälfte beleuchtet die THz Quelle, die andere triggert einen ähnlich aufgebauten Detektor. THz Puls wird als Gauss-Strahl auf die zu messende Probe fokussiert (gelb). Optische Delay-Line bewirkt eine einstellbare Zeitverzögerung zwischen den Pulsen. Ti-Saphir Laser 800nm, Pulse 20 fs Delay THz Source THz Detector Si Lens DUT

17 Beispiel für eine TDS Messungen Signale im Zeit und Frequenzbereich: Messung mit Probe (blau) und Referenzmessung ohne Probe (grau).

18 Beispiel für eine TDS Messungen Kalibriertes Resultat der vorher gezeigten Messung (rot). Das Testobjekt war ein quasi-optisches Bandpass-Filter (Simulation: schwarz).

19 Zusammenfassung Leistung und Frequenz verschiedener CW Quellen (MPI, Stand 2003). Molekül Laser, FEL und Gyrotrons können mehrere Grössenordnungen darüber liegen.