Institutsbericht 2020
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Institute of Computational Physics
Hardware-Software-Integration und Validierung eines kompakten Terahertz-Systems
Am ICP entwickeln wir ein neues kompaktes Instrument für die zerstörungsfreie Prüfung und Charakterisierung im Terahertz (THz)-Bereich. Das neue System wird für spektroskopische THz-Messungen, THz-Bildgebung und THz-Dickenmessungen mit einem Ultrabreitband-Spektralbereich jenseits von 15 THz eingesetzt. Mitwirkende: Partner: Finanzierung: Dauer:
V. Michel, U. Puc, T. Bach, M. Jazbinsek Rainbow Photonics AG Masterarbeit, Innosuisse 2019–2020
Die THz-Photonik ist ein schnell wachsendes Gebiet mit vielversprechenden Anwendungen in der zerstörungsfreien Prüfung, Bildgebung und Materialidentifizierung/Spektroskopie. Während der letzten zwei Jahrzehnte wurden viele verschiedene Ansätze zur Erzeugung von THz-Wellen sowohl für Forschung als auch für industrielle Anwendungen vorgeschlagen. Gegenwärtig zeichnen die meisten kommerziellen und Labor-THz-Spektroskopie-Systeme nur Spektren bis zu wenigen THz auf. Das experimentelle System, das am ICP in Zusammenarbeit mit der Firma Rainbow Photonics AG entwickelt wurde, kann jedoch Frequenzen bis zu 20 THz messen, da es von der Kombination aus organischen Kristallen (DSTMS) und einem kompakten TelekomFemtosekundenlaser profitiert, die zur Erzeugung und Detektion eingesetzt werden. Darüber hinaus ist das System so konzipiert, dass es die Erweiterung zu einem "Optical-Pump THz-Probe System" ermöglicht, ohne dass die Funktionalitäten des grundlegenden Zeitbereichsspektrometers verloren gehen. Die Ergebnisse zeigen eine ausgezeichnete Linearität sowohl bei der Erzeugung als auch der Detektion der THz-Felder, was eine Voraussetzung für eine zuverlässige Extraktion der Probenparameter ist, einschliesslich der Dicke und des komplexen Brechungsindex. Die gemessenen Frequenzen schmaler Wasserabsorptionslinien stimmen in hervorragender Weise mit den Literatur-Absorptionsspektren überein, so dass das DSTMS-basierte Spektrometer über die volle 20-THz-Bandbreite mit einer Genauigkeit von 2.7 GHz erfolgreich validiert werden konnte. Dickenmessungen von Proben in Reflexionsgeometrie ermöglichen die Messung von Proben dünner als 50 µm mit einem relativen Fehler von 1 %. Gleichzeitige Brechungsindex- und Dickenmessungen an etwa 0.5 mm dicken Germanium-Wafern mit
Zürcher Fachhochschule
einer Genauigkeit von 0.1 % wurden in der Transmissionsgeometrie nachgewiesen. Die Leitfähigkeitsänderungen einer Germaniumprobe bei optischer Anregung werden beobachtet, da die THzTransmissionsänderungen im niedrigen THz-Frequenzbereich um mehr als 50 % betragen.
Abb. 1: Das entwickelte THz-Spektroskopiesystem basiert auf i 10Messung Text Calibri 10 Text Calibri Text Calibri 10 Text der des elektrischen Feldes10 mit einer Auflösung im Sub-Pikosekundenbereich. Es wurden elektrische THz-Felder Calibri 10 Text Calibri 10 Text Calibri 10 Text Calibri mit Frequenzkomponenten bis zu 20 THz erzeugt und detek10 Text Calibri 10Optimierung Text Calibri Text tiert. Dies Calibri ist durch10 dieText Integration und von10 Photonikund Elektronik-Komponenten und DatenerfassungssoftCalibri 10 Text Calibri 10 Text Calibri 10 Text Calibri ware möglich.
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Die durchgeführte Arbeit demonstriert die fortschrittlichen Fähigkeiten des kompakten THz-Spektroskopiesystems, das an der ZHAW aufgebaut wurde, mit möglichen weiteren Verbesserungen bei der Optimierung der Detektionselektronik, um die Einflüsse des Laserrauschens zu minimieren und das Signal-Rausch-Verhältnis des Systems erheblich zu verbessern. Darüber hinaus wird die Weiterentwicklung von Algorithmen zur Datenextraktion eine bessere Genauigkeit bei der Extraktion von Dickenund Materialparametern ermöglichen, was für verschiedene Forschungs- und Industrieanwendungen interessant ist.
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