3.7 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 THzMessungen, THz-Bildgebung und THz-Dickenmessungen mit einem Ultrabreitband-Spektralbereich jenseits von 15 THz eingesetzt.

Mitwirkende: U. Puc, V. Michel, M. Jazbinsek Partner: Rainbow Photonics AG Finanzierung: Innosuisse, Masterarbeit Dauer: 2019–2021

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 Telekom-Femtosekundenlaser profitiert, die zur Erzeugung und Detektion eingesetzt werden. 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. [1] 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 einer Genauigkeit von 0.1 % wurden in der Transmissionsgeometrie nachgewiesen. Die Leitfähigkeitsänderungen einer Germaniumprobe bei optischer Anregung werden beobachtet, da die THz-Transmissionsänderungen im niedrigen THz-Frequenzbereich um mehr als 50 % betragen. Diese 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 das Signal-Rausch-Verhältnis des Systems zu verbessern. Darüber hinaus wird die Weiterentwicklung von Algorithmen zur Datenextraktion eine bessere Genauigkeit bei der Extraktion von Dicken- und Materialparametern ermöglichen, was für verschiedene Forschungs- und Industrieanwendungen interessant ist.

Abb. 1: Das entwickelte THz-Spektroskopiesystem basiert auf der Messung des elektrischen Feldes mit einer Auflösung im Sub-Pikosekundenbereich. Es wurden THz-Felder mit Frequenzkomponenten bis zu 20 THz erzeugt und detektiert. Dies ist durch die Integration und Optimierung von Photonik- und Elektronik-Komponenten und Datenerfassungssoftware möglich.

Literatur:

[1] Puc, U.; Bach, T.; Günter, P.; Zgonik, M.; Jazbinsek, M., 2021. Ultra-Broadband and High-Dynamic-Range THz Time- Domain Spectroscopy System Based on Organic Crystal Emitter and Detector in Transmission and Reflection Geometry. Advanced Photonics Research 2, 2000098, DOI: 10.1002/adpr.202000098.