DE102011015384A1 - Photoconductive antenna array for receiving terahertz radiation in terahertz spectrometer for determining e.g. material thickness of objects, has dipoles whose signals are amplified such that signals form measure for course of radiation - Google Patents

Photoconductive antenna array for receiving terahertz radiation in terahertz spectrometer for determining e.g. material thickness of objects, has dipoles whose signals are amplified such that signals form measure for course of radiation Download PDF

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Abstract

The array (1) has receiving metallic dipoles (2) provided with a gap (3) that is filled with semiconductor material (4), where the array is covered with semi-insulating gallium arsenide wafer pieces. The dipoles are arranged in a propagation direction of pulsed terahertz radiation such that the radiation temporally strikes the gap of the dipoles, where optical absorption of the semiconductor material in the gap of the dipoles is small. Output signals (S1-S4) of the dipoles are individually amplified such that the amplified signals form a measure for time course of the radiation.

Description

Die Erfindung betrifft ein photoleitendes Antennenarray zum Empfang gepulster Terahertzstrahlung.The invention relates to a photoconductive antenna array for receiving pulsed terahertz radiation.

Als Terahertzstrahlung wird elektromagnetische Strahlung im Frequenzbereich von etwa 0,1 bis 10 THz bezeichnet. Da es im Frequenzbereich der Terahertzstrahlung Molekülschwingungen unterschiedlicher Substanzen gibt, kann mittels Absorptionsspektroskopie im Terahertz Bereich die Untersuchung von Substanzen erfolgen und auch der Nachweis bestimmter chemischer Verbindungen geführt werden. So können beispielsweise Objekte im Terahertz Bereich abgebildet werden (siehe beispielsweise EP 0 828 162 A2 ) oder tomographisch untersucht werden (siehe beispielsweise EP 0 864 857 A1 ). Da Terahertzstrahlung dielektrische Stoffe wie Papier oder Textilien gut durchdringt, können auch Objekte innerhalb von Verpackungen geortet werden. Es gibt daher sowohl ein wissenschaftliches, ein ökonomisches und auch ein sicherheitsrelevantes Interesse an kostengünstigen und effizienten Empfängern für Terahertzstrahlung.Terahertz radiation is electromagnetic radiation in the frequency range of about 0.1 to 10 THz. Since there are molecular vibrations of different substances in the frequency range of terahertz radiation, it is possible to investigate substances by means of absorption spectroscopy in the terahertz range and also to detect certain chemical compounds. For example, objects in the terahertz range can be mapped (see for example EP 0 828 162 A2 ) or tomographically examined (see, for example EP 0 864 857 A1 ). Since terahertz radiation penetrates dielectric materials such as paper or textiles well, objects can also be located within packaging. There is therefore a scientific, economic and security interest in inexpensive and efficient receivers for terahertz radiation.

Es ist bekannt, dass Terahertzstrahlung mit photoleitenden Antennen (englisch PCA – photoconductive antenna) unter Verwendung ultrakurzer Lichtpulse mit Pulsdauern ≤ 1 ps sowohl erzeugt als auch nachgewiesen werden kann ( US 5 789 750 ). Eine photoleitende Empfangsantenne für Terahertzstrahlung besteht im Wesentlichen aus einer hochohmigen halbleitenden Schicht mit einer kurzen Relaxationszeit der Ladungsträger im Bereich weniger hundert Femtosekunden, die auf einem ebenfalls hochohmigen Substrat aufgebracht ist und auf der eine elektrisch leitende Antennenstruktur beispielsweise in der Form eines Dipols mit einer Lücke als Unterbrechung im Zentrum des Dipols angeordnet ist. Zum Nachweis gepulster Terahertzstrahlung wird die Halbleiterschicht in der Lücke der Antenne mit kurzen Laserpulsen bestrahlt. Die Photonenenergie der Laserpulse ist dabei größer als die elektronische Bandlücke der halbleitenden Schicht, so dass das Laserlicht in der halbleitenden Schicht absorbiert wird und bewegliche Ladungsträger erzeugt.It is known that terahertz radiation can be both generated and detected with photoconductive antennas (PCA) using ultrashort light pulses with pulse durations ≤ 1 ps ( US 5,789,750 ). A photoconductive receiving antenna for terahertz radiation essentially consists of a high-resistance semiconductive layer with a short relaxation time of the charge carriers in the range of a few hundred femtoseconds, which is applied to a likewise high-resistance substrate and on an electrically conductive antenna structure, for example in the form of a dipole with a gap as Interruption is arranged in the center of the dipole. To detect pulsed terahertz radiation, the semiconductor layer in the gap of the antenna is irradiated with short laser pulses. The photon energy of the laser pulses is greater than the electronic band gap of the semiconductive layer, so that the laser light is absorbed in the semiconducting layer and generates mobile charge carriers.

Als photoleitfähiges Material können Halbleiter wie GaAs und Si verwendet werden ( US Patent 5 729 017 ). Es werden photoleitfähige Schichten mit einer geringen Rekombinationszeit der Ladungsträger möglichst im Femtosekunden-Bereich benötigt, um eine schnelle Response der Antenne zu gewährleisten. Diese kurze Rekombinationszeit wird beispielsweise durch das Aufwachsen einer GaAs oder InGaAs Schicht auf einem für die Terahertzstrahlung transparenten Substrat bei niedrigen Temperaturen im Bereich von 200°C bis 300°C erreicht. In der Patentschrift GB 2 393 037 A wurde gezeigt, dass es nach der Niedrigtemperatur Epitaxie von GaAs Schichten zweckmäßig ist, die photoleitfähige Schicht bei einer Temperatur von etwa 450°C nachzutempern, um einerseits einen hohen elektrischen Schichtwiderstand und andererseits eine hohe Ladungsträgerbeweglichkeit zu erreichen.As the photoconductive material, semiconductors such as GaAs and Si can be used ( U.S. Patent 5,729,017 ). Photoconductive layers with a low recombination time of the charge carriers, if possible in the femtosecond range, are required in order to ensure a fast response of the antenna. This short recombination time is achieved, for example, by growing a GaAs or InGaAs layer on a substrate transparent to terahertz radiation at low temperatures in the range of 200 ° C to 300 ° C. In the patent GB 2 393 037 A It has been shown that after the low-temperature epitaxy of GaAs layers, it is expedient to post-anneal the photoconductive layer at a temperature of about 450 ° C. in order on the one hand to achieve high electrical sheet resistance and, on the other hand, high charge carrier mobility.

Auf der photoleitfähigen Schicht wird eine elektrisch leitfähige Antennenstruktur mit einer Lücke von typischerweise 5 μm bis 10 μm Länge aufgebracht, die im Moment der Bestrahlung mit Laserlicht elektrisch leitfähig wird und in dieser Zeit den Dipol empfangsbereit schaltet. Als Material für die elektrisch leitfähige Antennenstruktur können Metalle wie Gold, Silber, Kupfer oder deren Legierungen, metallische Schichtsysteme wie Ti-Pd-Au, Ti-Pt-Au oder Ti-Ni-Ag verwendet werden.On the photoconductive layer, an electrically conductive antenna structure is applied with a gap of typically 5 .mu.m to 10 .mu.m in length, which becomes electrically conductive at the moment of irradiation with laser light and switches the dipole ready to receive during this time. As a material for the electrically conductive antenna structure, metals such as gold, silver, copper or their alloys, metallic layer systems such as Ti-Pd-Au, Ti-Pt-Au or Ti-Ni-Ag can be used.

Ein wesentlicher Nachteil photoleitender Empfangsantennen für gepulste Terahertzstrahlung besteht darin, dass zur Messung des zeitlichen Verlaufs des Terahertz-Pulses eine Verzögerungsstrecke im Strahlengang des gepulsten Laserlichts erforderlich ist, um die Laserpulse zeitlich gestaffelt auf die Empfangsantenne richten zu können. Üblicherweise werden mechanisch verschiebbare Verzögerungsstrecken eingesetzt. Durch die erforderliche mechanische Verschiebung ergeben sich folgende Nachteile:

  • – Die mechanische Verschiebungsstrecke benötigt relativ viel Platz im Terahertzspektrometer
  • – Eine schnelle mechanische Verschiebung, die die Erfassung des zeitlichen Pulsspektums mit Videofrequenz ermöglicht, ist sehr aufwändig,
  • – Da die Messwerte für die Bestimmung der Terahertzamplitude zeitlich nacheinander entsprechend den Verschiebungsschritten erfasst werden müssen, ist das Messsignal insbesondere bei einer schnellen Messung wegen der kurzen Messzeit stark verrauscht.
A major disadvantage of photoconductive receiving antennas for pulsed terahertz radiation is that a delay path in the beam path of the pulsed laser light is required to measure the time course of the terahertz pulse in order to direct the laser pulses staggered in time to the receiving antenna can. Usually mechanically displaceable delay lines are used. Due to the required mechanical displacement, the following disadvantages arise:
  • The mechanical displacement path requires a relatively large amount of space in the terahertz spectrometer
  • - A fast mechanical shift, which allows the detection of the temporal Pulsspektums with video frequency, is very complex,
  • - Since the measured values for the determination of the terahertz amplitude must be detected in chronological succession according to the displacement steps, the measurement signal is very noisy, especially in a fast measurement because of the short measurement time.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen photoleitenden Terahertzempfänger für gepulste Terahertzstrahlung anzugeben, der zur Ansteuerung keine oder nur eine kurze Verzögerungsstrecke im Strahlengang des gepulsten Laserlichts benötigt und auch bei der schnellen Messwerterfassung mit Videofrequenz ein gutes Signal/Rauschverhältnis besitzt.It is the object of the present invention to provide a photoconductive terahertz receiver for pulsed terahertz radiation, which requires no or only a short delay path in the beam path of the pulsed laser light for driving and also has a good signal / noise ratio in the fast measured value acquisition with video frequency.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch den photoleitenden Terahertzempfänger gemäß den Patentansprüchen 1 oder 2 und den Unteransprüchen gelöst.According to the invention, this object is achieved by the photoconductive terahertz receiver according to claims 1 or 2 and the subclaims.

Der photoleitende Terahertzempfänger besteht gemäß dem Stand der Technik aus einem photoleitenden Antennenarray mit mehreren metallischen Empfangsdipolen mit einer Lücke, in der sich ein Halbleitermaterial mit kurzer Relaxationszeit befindet. Das Antennenarray wird mit gepulster Laserstrahlung mit einer Photonenenergie bestrahlt, die größer ist als die energetische Bandlücke des Halbleitermaterials in der Lücke der Empfangsdipole.The photoconductive terahertz receiver according to the prior art consists of a photoconductive antenna array having a plurality of metal receiving dipoles with a gap in which a semiconductor material with a short relaxation time located. The antenna array is irradiated with pulsed laser radiation with a photon energy which is greater than the energy band gap of the semiconductor material in the gap of the receiving dipoles.

Die erste erfindungsgemäße Lösung des Problems besteht darin, dass die Empfangsdipole des Antennenarrays in Ausbreitungsrichtung der Terahertzstrahlung gestaffelt angeordnet sind, so dass die gepulste Terahertzstrahlung die Lücken der gestaffelt angeordneten Dipole zeitlich nacheinander trifft. Die gepulste Laserstrahlung ist der Terahertzstrahlung entgegen gerichtet und trifft somit ebenfalls die Lücken der gestaffelt angeordneten Dipole zeitlich nacheinander.The first inventive solution of the problem is that the receiving dipoles of the antenna array are staggered in the direction of propagation of the terahertz radiation, so that the pulsed terahertz radiation hits the gaps of the staggered dipoles in succession in time. The pulsed laser radiation is directed counter to the terahertz radiation and thus likewise meets the gaps of the staggered dipoles in chronological succession.

Außerdem ist die optische Absorption des Halbleitermaterials in der Lücke der Empfangsdipole so gering bemessen, dass die gepulste Laserstrahlung auch das Halbleitermaterial in der Lücke des zuletzt erreichten Empfangsdipols elektrisch leitfähig schalten kann.In addition, the optical absorption of the semiconductor material in the gap of the receiving dipoles is dimensioned so small that the pulsed laser radiation can also switch the semiconductor material in the gap of the last reached receiving dipole electrically conductive.

Die Ausgangssignale der gestaffelt angeordneten Empfangsdipole werden einzeln verstärkt, so dass die verstärkten Ausgangssignale ein Maß für den zeitlichen Verlauf der gepulsten Terahertzstrahlung bilden.The output signals of the staggered receiving dipoles are individually amplified, so that the amplified output signals form a measure of the time course of the pulsed terahertz radiation.

Das erfindungsgemäße Antennenarray liefert nach jedem Terahertzpuls von jedem Empfangsdipol ein Signal, das einem bestimmten Zeitabschnitt des Terahertzpulses entspricht. Daher ist zur Aufnahme des zeitlichen Verlaufs eines Terahertzpulses keine zusätzliche Verzögerungsstrecke erforderlich, wenn die Anzahl der durch das Antennenarray gelieferten Signale für den jeweiligen Messzweck ausreichend gewählt ist. Die Laufstrecken des Terahertzpulses und des gegenläufigen Laserpulses zwischen zwei benachbarten Empfangsdipolen mit einem Abstand a verursachen eine zeitliche Differenz T2 der Signale benachbarter Dipole, die mit folgender Beziehung berechnet werden kann: T2 = a/(cT + cL). Dabei ist cT die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Terahertzstrahlung und cL die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Laserstrahlung im Detektormaterial. Geht man näherungsweise davon aus, dass beide Ausbreitungsgeschwindigkeiten etwa gleich sind und durch eine gemeinsame Brechzahl n bestimmt werden, so erhält man für die Zeitdifferenz T2 = a·n/(2·c). Dabei ist c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Besteht das Antennenarray beispielsweise aus z äquidistant angeordneten Empfangsdipolen, so erhält man z zeitlich gestaffelte Ausgangssignale über ein gesamtes Zeitintervall T = (z – 1) T2 = a·n(z – 1)/(2·c).After each terahertz pulse of each receiving dipole, the antenna array according to the invention delivers a signal which corresponds to a specific period of the terahertz pulse. Therefore, no additional delay path is required to record the time course of a terahertz pulse when the number of signals supplied by the antenna array is sufficiently selected for the respective measurement purpose. The running distances of the terahertz pulse and the counter-rotating laser pulse between two adjacent receiving dipoles with a distance a cause a time difference T2 of the signals of adjacent dipoles, which can be calculated with the following relationship: T2 = a / (cT + cL). Here, cT is the propagation velocity of the terahertz radiation and cL is the propagation velocity of the laser radiation in the detector material. If one assumes approximately that both propagation velocities are approximately equal and are determined by a common refractive index n, one obtains for the time difference T2 = a * n / (2 * c). Where c is the speed of light in a vacuum. If, for example, the antenna array consists of z equidistantly arranged receiving dipoles, one obtains time-staggered output signals over an entire time interval T = (z-1) T2 = a * n (z-1) / (2 * c).

Die zweite erfindungsgemäße Lösung des Problems besteht darin, dass die Empfangsdipole des Antennenarrays in Ausbreitungsrichtung der Terahertzstrahlung gestaffelt angeordnet sind, so dass die gepulste Terahertzstrahlung die Lücken der gestaffelt angeordneten Dipole zeitlich nacheinander trifft. Die gepulste Laserstrahlung ist zur Terahertzstrahlung senkrecht gerichtet und trifft die Lücken der gestaffelt angeordneten Dipole gleichzeitig.The second solution to the problem according to the invention is that the reception dipoles of the antenna array are staggered in the direction of propagation of the terahertz radiation so that the pulsed terahertz radiation hits the gaps of the staggered dipoles in succession. The pulsed laser radiation is directed perpendicularly to the terahertz radiation and hits the gaps of the staggered dipoles simultaneously.

Die Ausgangssignale der gestaffelt angeordneten Empfangsdipole werden einzeln verstärkt, so dass die verstärkten Ausgangssignale ein Maß für den zeitlichen Verlauf der gepulsten Terahertzstrahlung bilden.The output signals of the staggered receiving dipoles are individually amplified, so that the amplified output signals form a measure of the time course of the pulsed terahertz radiation.

Das erfindungsgemäße Antennenarray liefert nach jedem Terahertzpuls von jedem Empfangsdipol ein Signal, das einem bestimmten Zeitabschnitt des Terahertzpulses entspricht. Daher ist zur Aufnahme des zeitlichen Verlaufs eines Terahertzpulses keine zusätzliche Verzögerungsstrecke erforderlich, wenn die Anzahl der durch das Antennenarray gelieferten Signale für den jeweiligen Messzweck ausreichend gewählt ist. Die Laufstrecken des Terahertzpulses zwischen zwei benachbarten Empfangsdipolen mit einem Abstand a verursachen eine zeitliche Differenz T1 der Signale benachbarter Dipole, die mit folgender Beziehung berechnet werden kann: T1 = a/cT. Dabei ist cT die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Terahertzstrahlung im Detektormaterial. Somit erhält man für die Zeitdifferenz T1 = a/cT. Besteht das Antennenarray beispielsweise aus z äquidistant angeordneten Empfangsdipolen, so erhält man z zeitlich gestaffelte Ausgangssignale über ein gesamtes Zeitintervall T = (z – 1) T1 = a(z – 1)/cT.After each terahertz pulse of each receiving dipole, the antenna array according to the invention delivers a signal which corresponds to a specific period of the terahertz pulse. Therefore, no additional delay path is required to record the time course of a terahertz pulse when the number of signals supplied by the antenna array is sufficiently selected for the respective measurement purpose. The trajectories of the terahertz pulse between two adjacent receive dipoles with a distance a cause a time difference T1 of the signals of adjacent dipoles, which can be calculated with the relationship: T1 = a / cT. Here, cT is the propagation speed of the terahertz radiation in the detector material. Thus one obtains for the time difference T1 = a / cT. If, for example, the antenna array consists of z equidistantly arranged receiving dipoles, one obtains time-staggered output signals over a total time interval T = (z-1) T1 = a (z-1) / cT.

Aus technischen Gründen kann die Zahl z der Empfangsdipole des Antennenarrays nicht beliebig vergrößert werden. Wenn jedoch mit der praktisch realisierbaren Zahl der Empfangsdipole nicht die für den Messzweck erforderliche zeitliche Auflösung des Terahertzpulses erreicht wird, kann gemäß Unteranspruch 3 das gesamte photoleitende Antennenarray mit äquidistant angeordneten Empfangsdipolen in Ausbreitungsrichtung der Terahertzstrahlung in definierten Schritten bis zum Maximalbetrag des Abstands a benachbarter Empfangsdipole verschoben werden. Nach jeder schrittweisen Verschiebung des Antennenarrays werden die Ausgangssignale aller Empfangsdipole in einem Rechner abgespeichert, so dass anschließend nach der Verschiebung um den Maximalbetrag des Abstands a benachbarter Empfangsdipole der zeitliche Verlauf der gepulsten Terahertzstrahlung mit einer um die Anzahl der Verschiebungsschritte erhöhten zeitlichen Auflösung bestimmt werden kann. Wird das Antennenarray um v Verschiebungsschritte verschoben, so wird der zeitliche Messpunktabstand zur Erfassung des Terahertzpulses um den Faktor v + 1 auf T1/(v + 1) verringert. Mit modernen Linearmotoren kann die Anzahl v der Verschiebungsschritte nahezu beliebig gewählt werden, so dass auf diese Weise. in jedem Fall die dem Messzweck angepasste zeitliche Auflösung der Terahertz-Pulsmessung erreicht werden kann. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Antennenarrays gemäß den Patentansprüchen 1 und 2 gegenüber bekannten photoleitenden Empfangsantennen besteht demzufolge darin, dass das Antennenarray instantan ohne Strahlverschiebung eine grobe Abtastung des zu messenden Terahertzpulses ermöglicht, wie es beispielsweise für eine Justage des Strahlengangs oder für eine Überblicksmessung erforderlich ist. Für eine präzise Messung mit hoher zeitlicher Auflösung kann gemäß Unteranspruch 3 mit einem Linearmotor zusätzlich eine Interpolation der Messpunkte erfolgen. Weil dabei der erforderliche Verfahrweg des Linearmotors nur gleich dem Abstand a benachbarter Empfangsdipole ist, kann die Messung sehr schnell erfolgen. Der Gewinn an Messgeschwindigkeit ist proportional zur Zahl z der Empfangsdipole.For technical reasons, the number z of receiving dipoles of the antenna array can not be increased arbitrarily. If, however, the temporal resolution of the terahertz pulse required for the measurement purpose is not achieved with the practically realizable number of reception dipoles, the entire photoconductive antenna array with equidistantly arranged reception dipoles can be displaced in the propagation direction of the terahertz radiation in defined steps up to the maximum amount of the distance a of adjacent reception dipoles become. After each stepwise displacement of the antenna array, the output signals of all receiving dipoles are stored in a computer, so that subsequently after the shift by the maximum amount of the distance a of adjacent receiving dipoles, the time profile of the pulsed terahertz radiation can be determined with an increased by the number of shift steps temporal resolution. If the antenna array is displaced by v displacement steps, the temporal measuring point distance for detection of the terahertz pulse is reduced by the factor v + 1 to T1 / (v + 1). With modern linear motors, the number v of displacement steps can be chosen almost arbitrarily, so that in this way. in each case, the temporally adapted to the measurement purpose Resolution of the terahertz pulse measurement can be achieved. The advantage of the antenna array according to the invention according to the claims 1 and 2 over known photoconductive receiving antennas is therefore that the antenna array allows instantaneous without beam shift a rough sampling of the terahertz pulse to be measured, as required for example for an adjustment of the beam path or for an overview measurement. For a precise measurement with high temporal resolution can be carried out according to dependent claim 3 with a linear motor additionally an interpolation of the measuring points. Because in this case the required travel of the linear motor is only equal to the distance a adjacent receiving dipoles, the measurement can be done very quickly. The gain in measuring speed is proportional to the number z of receiving dipoles.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen photoleitenden Terahertz Empfängers nach Anspruch 3 besteht darin, dass zum Betrieb dieses Empfängers nur eine kurze Verzögerungstrecke erforderlich ist, die einen kompakten Aufbau eines Terahertz-Spektrometers ermöglicht.Another advantage of the inventive photoconductive terahertz receiver according to claim 3 is that for the operation of this receiver only a short delay distance is required, which allows a compact design of a terahertz spectrometer.

Gemäß Patentanspruch 4 ist es zweckmäßig, die Empfangsdipole jeweils auf einem Substrat anzuordnen, das sowohl für die Laserstrahlung als auch für die Terahertzstrahlung transparent ist. Um die zu messende Terahertzstrahlung durch das Substrat an den Empfangsdipol heranführen zu können, wird entsprechend dem Stand der Technik ein für die Terahertzstrahlung transparentes Substrat verwendet. In vielen Fällen wird GaAs oder InP als Substrat verwendet. Durch die Verwendung eines Substrats, das auch für die Laserstrahlung transparent ist, können die Empfangsdipole direkt übereinander gestapelt werden. Wenn die Wellenlänge der Laserstrahlung beispielsweise 800 nm beträgt, kann gemäß Patentanspruch 3 kein GaAs als Substratmaterial verwendet werden, weil dessen Absorptionskante bei einer Wellenlänge von 870 nm liegt. Dagegen kann aber beispielsweise Quarz als Substratmaterial bei dieser Wellenlänge verwendet werden.According to claim 4, it is expedient to arrange the receiving dipoles in each case on a substrate which is transparent both for the laser radiation and for the terahertz radiation. In order to be able to introduce the terahertz radiation to be measured through the substrate to the receiving dipole, a substrate which is transparent to the terahertz radiation is used in accordance with the prior art. In many cases, GaAs or InP is used as a substrate. By using a substrate that is also transparent to the laser radiation, the receiving dipoles can be stacked directly on top of each other. For example, if the wavelength of the laser radiation is 800 nm, GaAs can not be used as the substrate material because its absorption edge is at a wavelength of 870 nm. On the other hand, for example, quartz can be used as the substrate material at this wavelength.

Eine weitere Möglichkeit der Realisierung des erfindungsgemäßen photoleitenden Antennenarrays zum Empfang gepulster Terahertzstrahlung besteht gemäß Patentanspruch 5 darin, dass die gepulste Laserstrahlung in einem Streifenwellenleiter geführt wird und dass sich die Lücken der metallischen Empfangsdipole mit dem Halbleitermaterial mit kurzer Relaxationszeit direkt über oder unter dem Streifenwellenleiter befinden. Infolge des direkten optischen Kontaktes zwischen Streifenwellenleiter und absorbierendem Halbleitermaterial gelangt jeweils ein Teil der Laserstrahlung vom Streifenwellenleiter in das Halbleitermaterial in der Lücke der Empfangsdipole. Die Laserstrahlung wird im Halbleitermaterial absorbiert und der entsprechende Empfangsdipol wird elektrisch leitfähig und liefert ein Signal, das der Terahertzamplitude proportional ist.A further possibility of realizing the inventive photoconductive antenna array for receiving pulsed terahertz radiation is according to claim 5 in that the pulsed laser radiation is guided in a strip waveguide and that the gaps of the metallic reception dipoles with the semiconductor material with a short relaxation time are directly above or below the strip waveguide. As a result of the direct optical contact between the strip waveguide and the absorbing semiconductor material, in each case a part of the laser radiation from the strip waveguide passes into the semiconductor material in the gap of the reception dipoles. The laser radiation is absorbed in the semiconductor material and the corresponding receiving dipole becomes electrically conductive and delivers a signal that is proportional to the terahertz amplitude.

Erfindungsgemäß ist die Breite der Empfangsdipole in der Nähe der Lücke wesentlich geringer als deren Abstand a in Richtung des Streifenwellenleiters. Da der im Streifenwellenleiter geführte Laserpuls eine Laufzeit benötigt, um die Breite der Empfangsdipole in der Nähe der Lücke zu durchlaufen, wird bei der Messung der Terahertz-Aplitude über diese Laufzeit gemittelt. Bei der Einhaltung der erfindungsgemäßen Bedingung einer geringen Breite kann der Einfluss dieser Mittelung auf das Messergebnis vernachlässigt werden. Eine genügend geringe Breite liegt vor, wenn diese gleich der Laufstrecke des Laserpulses im Streifenwellenleiter ist, die während der Pulsdauer der Laserstrahlung zurückgelegt wird. Beträgt die Pulsdauer beispielsweise 100 fs und die Ausbreitungsgeschwindigkeit im Streifenwellenleiter 108 m/s, so soll die Breite der Empfangsdipole in der Nähe der Lücke höchstens 10 μm betragen. Der Vorteil dieses Antennenarrays besteht darin, dass keine aufwändige optische Justage des Laserstrahls erforderlich ist, um alle Empfangsdipole in der Lücke zu beleuchten, weil dies bereits durch die Konstruktion des Streifenwellenleiters und die Lage der Empfangsdipole garantiert ist.According to the invention, the width of the receiving dipoles in the vicinity of the gap is substantially less than their spacing a in the direction of the strip waveguide. Since the laser pulse guided in the strip waveguide requires a transit time in order to pass through the width of the reception dipoles in the vicinity of the gap, the terahertz amplitude is averaged over this transit time. In compliance with the condition according to the invention of a narrow width, the influence of this averaging on the measurement result can be neglected. A sufficiently small width is present if this is equal to the running distance of the laser pulse in the strip waveguide, which is covered during the pulse duration of the laser radiation. If the pulse duration is, for example, 100 fs and the propagation velocity in the strip waveguide 10 is 8 m / s, then the width of the reception dipoles in the vicinity of the gap should be at most 10 μm. The advantage of this antenna array is that no complex optical adjustment of the laser beam is required to illuminate all receiving dipoles in the gap, because this is already guaranteed by the construction of the strip waveguide and the position of the reception dipoles.

Gemäß Anspruch 6 ist es bei der Ausführung der Erfindung nach dem Unteranspruch 6 zweckmäßig, wenn der Streifenwellenleiter aus GaAs oder AlGaAs besteht, das Halbleitermaterial in den Lücken der metallischen Empfangsdipole aus GaAs oder InGaAs besteht, das photoleitende Antennenarray auf einem semiisolierenden GaAs Substrat angeordnet ist und sich zwischen dem GaAs Substrat und dem Streifenwellenleiter eine Claddingschicht aus AlAs befindet.According to claim 6, it is useful in the embodiment of the invention according to the dependent claim 6, when the strip waveguide of GaAs or AlGaAs consists, the semiconductor material in the gaps of the metallic receiving dipoles of GaAs or InGaAs, the photoconductive antenna array is disposed on a semi-insulating GaAs substrate and there is a cladding layer of AlAs between the GaAs substrate and the stripe waveguide.

Die genannten III–V-Halbleitermaterialien werden bei der Herstellung verschiedener optoelektronischer Bauelemente wie zum Beispiel Laserdioden eingesetzt. Die zur Herstellung solcher Bauelemente entwickelte Technologie der Herstellung einkristalliner Schichten und deren Mikrostrukturierung kann für die Realisierung des erfindungsgemäßen Antennenarrays mit dem Streifenwellenleiter übernommen werden.The mentioned III-V semiconductor materials are used in the production of various optoelectronic components such as laser diodes. The technology of producing monocrystalline layers and their microstructuring developed for the production of such components can be adopted for the realization of the antenna array according to the invention with the strip waveguide.

Im Anspruch 7 ist eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung des in den Ansprüchen 1 und 3 beschriebenen Antennenarrays angegeben. Hierbei sind sowohl die Laserstrahlung als auch die Terahertzstrahlung senkrecht zur Strahlrichtung räumlich aufgeweitet. Das Antennenarray ist in einer Ebene angeordnet, wobei die Normalenrichtung dieser Ebene gegen die Strahlrichtung um einen Winkel gekippt ist, der zwischen 0° und 90° liegt. Die Normalenrichtung der Ebene der Empfangsdipole liegt zusammen mit der Richtung der Laserstrahlung und der Verbindungslinie der Lücken der Empfangsdipole in einer Ebene.In claim 7, a further advantageous embodiment of the antenna array described in claims 1 and 3 is given. Here, both the laser radiation and the terahertz radiation are spatially expanded perpendicular to the beam direction. The antenna array is arranged in a plane, wherein the normal direction of this plane is tilted against the beam direction by an angle which lies between 0 ° and 90 °. The normal direction of the plane of the receiving dipole lies together with the direction of the laser radiation and the Connecting line of the gaps of the reception dipoles in one plane.

Dieses Antennenarray besitzt den Vorteil, dass es leicht herzustellen ist, weil die Empfangsdipole in einer Ebene angeordnet sind und daher mit einem photolithographischen Standardverfahren gefertigt werden können. Damit die Empfangsdipole des Arrays gemäß Anspruch 1 von der Laserstrahlung zeitlich nacheinander getroffen werden, ist die Normalenrichtung der Ebene, in der sich die Empfangsdipole befinden, gegen die Strahlrichtung verkippt, wobei der Kippwinkel in der Richtung der Verbindungslinie der Lücken der Empfangsdipole liegt. Mit wachsendem Kippwinkel vergrößert sich der Abstand a benachbarter Empfangsdipole in Strahlrichtung. Da die Empfangsdipole in diesem Fall in Strahlrichtung nicht exakt hintereinander liegen, muss sowohl die Laserstrahlung als auch die Terahertzstrahlung senkrecht zur Strahlrichtung räumlich aufgeweitet werden, damit alle Empfangsdipole von beiden Strahlungen getroffen werden. Die erforderliche Aufweitung der Strahlungen richtet sich nach der Größe des Antennenarrays und dem Winkel zwischen der Normalenrichtung der Ebene der Antennen und der Strahlrichtung. Zweckmäßig wird die Laserstrahlung nur so weit aufgeweitet, dass sie alle Lücken der Empfangsdipole trifft. Da die Strahlaufweitung nur in Kipprichtung erforderlich ist, können Zylinderlinsen für die Strahlformung eingesetzt werden.This antenna array has the advantage that it is easy to manufacture because the receiving dipoles are arranged in one plane and can therefore be fabricated using a standard photolithographic process. So that the reception dipoles of the array are hit in succession by the laser radiation according to claim 1, the normal direction of the plane in which the reception dipoles are tilted against the beam direction, wherein the tilt angle is in the direction of the connecting line of the gaps of the reception dipoles. With increasing tilt angle, the distance a of adjacent receiving dipoles increases in the beam direction. Since the reception dipoles in this case are not exactly one behind the other in the beam direction, both the laser radiation and the terahertz radiation must be spatially expanded perpendicular to the beam direction so that all reception dipoles are hit by both radiations. The required expansion of the radiation depends on the size of the antenna array and the angle between the normal direction of the plane of the antennas and the beam direction. The laser radiation is expediently expanded only so far that it meets all gaps in the reception dipole. Since the beam expansion is only required in the tilting direction, cylindrical lenses can be used for beam shaping.

Das erfindungsgemäße photoleitendes Antennenarray zum Empfang gepulster Terahertzstrahlung wird nachfolgend an Hand von vier Ausführungsbeispielen näher erläutert.The photoconductive antenna array according to the invention for receiving pulsed terahertz radiation will be explained in more detail below with reference to four exemplary embodiments.

In den zugehörigen Zeichnungen zeigenIn the accompanying drawings show

1a die Aufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel des photoleitenden Antennenarrays 1a the top view of a first embodiment of the photoconductive antenna array

1b den Schnitt A-A in 1a zu dem ersten Ausführungsbeispiel des photoleitenden Antennenarrays 1b the cut AA in 1a to the first embodiment of the photoconductive antenna array

2a die Aufsicht auf das zweite Ausführungsbeispiel des photoleitenden Antennenarray 2a the top view of the second embodiment of the photoconductive antenna array

2b den Schnitt A-A in 2a zum zweiten Ausführungsbeispiel des photoleitenden Antennenarrays 2 B the cut AA in 2a to the second embodiment of the photoconductive antenna array

3a die Aufsicht auf ein drittes Ausführungsbeispiel des photoleitenden Antennenarrays 3a the plan view of a third embodiment of the photoconductive antenna array

3b die Seitenansicht auf das dritte Ausführungsbeispiel des photoleitenden Antennenarrays 3b the side view of the third embodiment of the photoconductive antenna array

4 die Aufsicht auf das vierte Ausführungsbeispiel des photoleitenden Antennenarrays. 4 the top view of the fourth embodiment of the photoconductive antenna array.

In 1a und 1b ist das erste Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen photoleitenden Antennenarray zum Empfang gepulster Terahertzstrahlung dargestellt.In 1a and 1b the first embodiment of the inventive photoconductive antenna array for receiving pulsed terahertz radiation is shown.

Das photoleitende Antennenarray 1 zum Empfang gepulster Terahertzstrahlung 6 besteht aus vier übereinander angeordneten Empfangsdipolen 2, die jeweils in der Mitte eine Lücke 3 besitzen und auf Substraten 8 aus 0,4 mm dickem Quarzglas angeordnet sind. Unter den Lücken 3 der Empfangsdipole 2 aus einer Ti/Au-Schicht befindet sich eine Schicht aus Halbleitermaterial 4 mit einer kurzen Relaxationszeit von 200 fs. Zur Ladungsträgererzeugung im Halbleitermaterial 4 wird ein gepulster Laser mit einer Pulsdauer von 100 fs und einer Wellenlänge von 1040 nm verwendet, was einer Photonenenergie von etwa 1,2 eV entspricht. Das Halbleitermaterial 4 besteht aus InGaAs mit einem In-Anteil von 31% und einer Bandlücke von 1 eV. Die Dicke der InGaAs Schicht beträgt 100 nm. Durch diese geringe Dicke ist gewährleistet, dass in der Schicht nur etwa 15% der gepulsten Laserstrahlung 5 absorbiert wird. Dadurch ist wird durch die Laserstrahlung 5 auch der letzte Empfangsdipol 7 elektrisch leitfähig geschaltet. Die gepulste Laserstrahlung 5 schaltet die gestaffelt angeordneten Empfangsdipole 2 zeitlich nacheinander, so dass die Ausgangssignale S1, S2, S3 und S4 der Empfangsdipole 2 ein Maß für den zeitlichen Verlauf der gepulsten Terahertzstrahlung 6 bilden. Die Terahertzstrahlung 6 wird an einem Sender durch die gleiche gepulste Laserstrahlung erzeugt und breitet sich im Antennenarray gegenläufig zur Laserstrahlung 5 aus. Die Zeitdifferenz zwischen den Ausgangssignalen S1 und S2 benachbarter Empfangsdipole 2 ergibt sich aus der oben angegebenen Beziehung T2 = a·n/(2·c) und beträgt bei einem Abstand a = 0,4 mm zwischen den gestaffelt angeordneten Empfangsdipolen 2 T2 = 1 ps. Die gesamte Zeitdifferenz zwischen den Ausgangssignalen S1 und S4 beträgt entsprechend 3 ps.The photoconductive antenna array 1 for receiving pulsed terahertz radiation 6 consists of four receiving dipoles arranged one above the other 2 , each one in the middle of a gap 3 own and on substrates 8th are made of 0.4 mm thick quartz glass. Under the gaps 3 the reception dipoles 2 a Ti / Au layer contains a layer of semiconductor material 4 with a short relaxation time of 200 fs. For the generation of charge carriers in the semiconductor material 4 For example, a pulsed laser with a pulse duration of 100 fs and a wavelength of 1040 nm is used, which corresponds to a photon energy of about 1.2 eV. The semiconductor material 4 consists of InGaAs with an In content of 31% and a band gap of 1 eV. The thickness of the InGaAs layer is 100 nm. This small thickness ensures that in the layer only about 15% of the pulsed laser radiation 5 is absorbed. This is due to the laser radiation 5 also the last reception dipole 7 switched electrically conductive. The pulsed laser radiation 5 switches the staggered receiving dipoles 2 in chronological succession, so that the output signals S1, S2, S3 and S4 of the reception dipoles 2 a measure of the time course of the pulsed terahertz radiation 6 form. The terahertz radiation 6 is generated at a transmitter by the same pulsed laser radiation and propagates in the antenna array in opposite directions to the laser radiation 5 out. The time difference between the output signals S1 and S2 of adjacent receiving dipoles 2 results from the above-mentioned relationship T2 = a · n / (2 · c) and is at a distance a = 0.4 mm between the staggered arranged receiving dipoles 2 T2 = 1 ps. The total time difference between the output signals S1 and S4 is corresponding to 3 ps.

Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde das in 1a und b dargestellte Ausführungsbeispiel nur mit vier gestaffelt angeordneten Empfangsdipolen 2 gezeichnet. Um eine genauere Abtastung des Terahertzpulses 6 zu erreichen, kann das Antennenarray 1 jedoch auch mit wesentlich mehr Empfangsdipolen 2 ausgestattet werden.For clarity, the in 1a and b shown embodiment only with four staggered arranged receiving dipoles 2 drawn. For a more accurate sampling of the terahertz pulse 6 to reach, the antenna array 1 but also with much more receiving dipoles 2 be equipped.

Das in 1a und b dargestellte photoleitende Antennenarray 1 kann mit einem Linearmotor in Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung 5 in neun Schritten von jeweils 100 μm verschoben werden. Bei einer Verschiebung des Antennenarrays 1 um einen Schritt verändert sich der Abtastzeitpunkt jedes Empfangsdipols um 100 fs. Die Ausgangssignale S1 bis S4 aller Dipole werden nach jeder Verschiebung des Antennenarrays 1 in einem Rechner gespeichert, so dass nach neun Verschiebungsschritten im Rechner insgesamt 40 Signale vorliegen, die den zeitlichen Verlauf der gepulsten Terahertzstrahlung 6 mit einem Messpunktabstand von 100 fs wiedergeben. Würde das Antennenarray beispielsweise 10 Empfangsdipole besitzen, so wären nach neun Verschiebungsschritten entsprechend 100 Messwerte für die gepulste Terahertzstrahlung 6 vorhanden.This in 1a and b illustrated photoconductive antenna array 1 can with a linear motor in the propagation direction of the laser radiation 5 be moved in nine steps of 100 microns. When the antenna array 1 is shifted by one step, the sampling time of each receive dipole changes by 100 fs. The output signals S1 to S4 of all dipoles become after each shift of the antenna array 1 stored in a computer, so that after nine shift steps in the computer a total of 40 signals are present, the temporal course of the pulsed terahertz radiation 6 with a measurement point distance of 100 fs. If the antenna array had, for example, 10 receiving dipoles, then, after nine shift steps, correspondingly 100 measured values would be for the pulsed terahertz radiation 6 available.

Durch das nahezu gleichzeitige Abtasten der gepulsten Terahertzstrahlung 6 im Antennenarray 1 kann der zeitliche Verlauf des Terahertzpulses sehr schnell gemessen werden. Für eine genauere Abtastung in kleinen Zeitschritten muss das Antennenarray nur um den geringen Abstand a = 0,4 mm der Empfangsdipole verschoben werden, was einen geringen technischen Aufwand erfordert und eine schnelle Messung ermöglicht.Due to the almost simultaneous scanning of the pulsed terahertz radiation 6 in the antenna array 1 The temporal course of the terahertz pulse can be measured very quickly. For a more accurate scanning in small time steps, the antenna array has to be moved only by the small distance a = 0.4 mm of the receiving dipole, which requires little technical effort and allows rapid measurement.

In den 2a und 2b ist das zweite Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen photoleitenden Antennenarrays zum Empfang gepulster Terahertzstrahlung entsprechend den Unteransprüchen 5 und 7 dargestellt. Die gepulste Laserstrahlung 5 mit der Wellenlänge von 1060 nm wird in einem Streifenwellenleiter 9 aus GaAs geführt. Zwischen dem Substrat 8 aus semiisolierendem GaAs und dem Streifenwellenleiter 9 ist eine niedrigbrechende Claddingschicht 11 aus AlAs angebracht. Diese Claddingschicht verhindert, dass die im Streifenwellenleiter 9 geführte Laserstrahlung 5 in das Substrat gelangt. Fünf Empfangsdipole 2 sind in einem Abstand a = 1 mm über dem Halbleitermaterial 4 aus InGaAs mit einem In-Gehalt von 31% angebracht. Das Halbleitermaterial 4 füllt die Lücken 3 der Empfangsdipole 2 aus und absorbiert jeweils einen Teil der im Streifenwellenleiter 9 geführten Laserstrahlung. Die Breite 10 der Empfangsdipole 2 in der Nähe der Lücke 3 beträgt 5 μm und ist damit wesentlich geringer als der Abstand a = 1 mm der Empfangsdipole 2. Die gepulste Terahertzstrahlung 6 läuft entgegen der Richtung der gepulsten Laserstrahlung 5 durch das Antennenarray 1. Um eine gute Führung der Terahertzstrahlung 6 zu erreichen, kann das Antennenarray 1 gemäß Anspruch 8 mit einem semiisolierenden Waferstück aus GaAs abgedeckt werden.In the 2a and 2 B is the second embodiment of the photoconductive antenna array according to the invention for receiving pulsed terahertz radiation according to the subclaims 5 and 7 shown. The pulsed laser radiation 5 with the wavelength of 1060 nm is in a strip waveguide 9 made of GaAs. Between the substrate 8th semi-insulating GaAs and the strip waveguide 9 is a low refractive cladding layer 11 Made of AlAs attached. This cladding layer prevents those in the strip waveguide 9 guided laser radiation 5 gets into the substrate. Five reception dipoles 2 are at a distance a = 1 mm above the semiconductor material 4 made of InGaAs with an In content of 31%. The semiconductor material 4 fills in the gaps 3 the reception dipoles 2 from and absorbs each part of the strip waveguide 9 guided laser radiation. The width 10 the reception dipoles 2 near the gap 3 is 5 microns and is thus much smaller than the distance a = 1 mm of the receiving dipole 2 , The pulsed terahertz radiation 6 runs counter to the direction of the pulsed laser radiation 5 through the antenna array 1 , To have a good leadership of terahertz radiation 6 to reach, the antenna array 1 according to claim 8 are covered with a semi-insulating wafer piece of GaAs.

Die fünf Ausgangssignale S1–5 der Empfangsantennen beinhalten die zeitlich gestaffelte Amplitudeninformation der gepulsten Terahertzstrahlung 6 mit einem Messpunktabstand von jeweils Δt = 5 ps. Dieses Zeitintervall ergibt sich aus dem Dipolabstand a von 1 mm und einer Ausbreitungsgeschwindigkeit beider Strahlungen von ungefähr 108 m/s.The five output signals S1-5 of the receiving antennas contain the time-staggered amplitude information of the pulsed terahertz radiation 6 with a measuring point distance of Δt = 5 ps. This time interval results from the dipole distance a of 1 mm and a propagation speed of both radiations of approximately 10 8 m / s.

Gemäß Anspruch 3 kann das Antennenarray 1 in Richtung der gepulsten Laserstrahlung 5 in Schritten von 10 μm bis zu einem Maximalbetrag von 1 mm verschoben werden. Alle fünf Ausgangssignale S1–5 der Empfangsdipole 2 werden nach jedem Verschiebungsschritt in einem Rechner gespeichert. Nach einer Verschiebung des Antennenarrays 1 um den Maximalbetrag von a = 1 mm liegt die Information über den Verlauf der gepulsten Terahertzstrahlung 6 in einem Zeitbereich von 20 ps mit einer zeitlichen Auflösung von 50 fs vor.According to claim 3, the antenna array 1 in the direction of the pulsed laser radiation 5 in increments of 10 μm up to a maximum of 1 mm. All five output signals S1-5 of the receiving dipoles 2 are stored in a computer after each shift step. After a shift of the antenna array 1 the information about the course of the pulsed terahertz radiation lies around the maximum amount of a = 1 mm 6 in a time range of 20 ps with a time resolution of 50 fs.

Aus Gründen der Übersichtlichkeit bei der zeichnerischen Darstellung des zweiten Ausführungsbeispiels wurde die Zahl der Empfangsdipole 2 auf fünf beschränkt. Selbstverständlich kann mit bekannten photolithographischen Verfahren auch ein Antennenarray 1 mit einer größeren Zahl von Empfangsdipolen 2 hergestellt und eingesetzt werden.For reasons of clarity in the drawing of the second embodiment, the number of receiving dipoles 2 limited to five. Of course, with known photolithographic methods, an antenna array 1 with a larger number of receiving dipoles 2 manufactured and used.

In den 3a und 3b ist ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen photoleitenden Antennenarrays entsprechend dem Patentanspruch 7 dargestellt.In the 3a and 3b a third embodiment of the photoconductive antenna array according to the invention according to claim 7 is shown.

3a zeigt die Aufsicht auf das Antennenarray 1 mit fünf Empfangsdipolen 2, die in einer Ebene 12 mit einem lateralen Abstand von 1 mm angeordnet sind. Die Empfangsdipole 2 besitzen jeweils eine Lücke 3, in der sich das absorbierende Halbleitermaterial 4 befindet. 3a shows the top view of the antenna array 1 with five receiving dipoles 2 that in a plane 12 are arranged at a lateral distance of 1 mm. The reception dipoles 2 each have a gap 3 in which the absorbent semiconductor material 4 located.

In 3b ist zu sehen, dass die Normalenrichtung 13 der Ebene des Antennenarrays 12 um einen Winkel 14 gegen die Richtung der Laserstrahlung 5 gekippt ist. Dabei liegen die Normalenrichtung 13, die Richtung der Laserstrahlung 5 und die Verbindungslinie 15 der Lücken 3 der Empfangsdipole 2 in einer Ebene. Der Winkel 14 beträgt 89°. Damit die Laserstrahlung 5 alle Lücken der fünf Empfangsdipole 2 des Antennenarrays 1 trifft, ist sie auf eine Strahlbreite von 70 μm aufgeweitet. Der Abstand a der Empfangsdipole 2 in Richtung der Laserstrahlung 5 beträgt nahezu 1 mm, weil der Winkel 14 fast 90° beträgt. Der zeitliche Messpunktabstand der Signale benachbarter Empfangsdipole ergibt sich mit einer Ausbreitungsgeschwindigkeit von etwa 3 × 108 m/s für die Laserstrahlung 5 und die Terahertzstrahlung 6 zu T2 = 1,7 ps, wenn die Dicke des Substrats 8 mit 0,4 mm gegen die Gesamtlänge des Antennenarrays von 4 mm außer Acht gelassen wird.In 3b you can see that the normal direction 13 the plane of the antenna array 12 at an angle 14 against the direction of the laser radiation 5 is tilted. This is the normal direction 13 , the direction of the laser radiation 5 and the connecting line 15 the gaps 3 the reception dipoles 2 in a plane. The angle 14 is 89 °. So that the laser radiation 5 all the gaps of the five reception dipoles 2 of the antenna array 1 meets, it is expanded to a beam width of 70 microns. The distance a of the receiving dipoles 2 in the direction of the laser radiation 5 is nearly 1 mm because of the angle 14 almost 90 °. The temporal measuring point spacing of the signals of adjacent receiving dipoles results with a propagation velocity of approximately 3 × 10 8 m / s for the laser radiation 5 and the terahertz radiation 6 to T2 = 1.7 ps when the thickness of the substrate 8th with 0.4 mm against the total length of the antenna array of 4 mm is disregarded.

Aus Gründen der Übersichtlichkeit bei der zeichnerischen Darstellung des dritten Ausführungsbeispiels wurde die Zahl der Empfangsdipole 2 auf fünf beschränkt. Selbstverständlich kann mit bekannten photolithographischen Verfahren auch ein Antennenarray 1 mit einer größeren Zahl von Empfangsdipolen 2 hergestellt und eingesetzt werden.For reasons of clarity in the drawing of the third embodiment, the number of receiving dipoles 2 limited to five. Of course, with known photolithographic methods, an antenna array 1 with a larger number of receiving dipoles 2 manufactured and used.

Der Vorteil dieses Antennenarrays 1 besteht darin, dass ein mit photolithographischen Methoden einfach herstellbares Array mit vielen Empfangsdipolen 2 die Messung des zeitlichen Verlaufs der gepulsten Terahertzstrahlung 6 ohne eine Verzögerungsstrecke im Laserstrahlengang in extrem kurzer Zeit ermöglicht. Durch die geeignete Wahl des Winkels 14 zwischen der Normalenrichtung 13 und der Richtung der Laserstrahlung 5 kann der zeitliche Messpunktabstand geeignet eingestellt werden. In der 4 ist das vierte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen photoleitenden Antennenarrays zum Empfang gepulster Terahertzstrahlung entsprechend den Anspruch 2 dargestellt.The advantage of this antenna array 1 is that an easily manufacturable with photolithographic methods array with many receiving dipoles 2 the measurement of the time course of the pulsed terahertz radiation 6 without a delay line in the laser beam path in an extremely short time allows. By the appropriate choice of the angle 14 between the normal direction 13 and the direction of the laser radiation 5 the temporal measuring point distance can be suitably adjusted. In the 4 the fourth embodiment of the inventive photoconductive antenna array for receiving pulsed terahertz radiation according to claim 2 is shown.

Die gepulste Terahertzstrahlung 6 wird von einer Terahertzlinse 16 aus hochreinem Silizium auf die Stirnfläche des Substrats 8 aus semiisolierendem GaAs fokussiert, so dass die Terahertzstrahlung 6 durch Totalreflexion im Inneren des Substrats 8 geführt wird. Fünf Empfangsdipole 2 sind auf dem Substrat 8 in Ausbreitungsrichtung der Terahertzstrahlung 6 in äquidistanten Abständen von 0,5 mm angebracht. Die im Inneren des Substrats 8 geführte Terahertzstrahlung 6 trifft die Empfangsdipole 2 zeitlich nacheinander. Die gepulste Laserstrahlung wird im rechten Winkel zur Ausbreitungsrichtung der Terahertzstrahlung 6 in der Form eines Linienfokus an die Empfangsdipole 2 herangeführt, so dass alle auf der Verbindungslinie 15 liegenden Lücken 3 der Empfangsdipole von der Laserstrahlung gleichzeitig getroffen werden.The pulsed terahertz radiation 6 gets from a terahertz lens 16 made of high-purity silicon on the end face of the substrate 8th focused from semi-insulating GaAs, so that the terahertz radiation 6 by total reflection inside the substrate 8th to be led. Five reception dipoles 2 are on the substrate 8th in the propagation direction of the terahertz radiation 6 attached at equidistant intervals of 0.5 mm. The inside of the substrate 8th guided terahertz radiation 6 meets the reception dipoles 2 in chronological order. The pulsed laser radiation is at right angles to the propagation direction of the terahertz radiation 6 in the form of a line focus to the receiving dipoles 2 introduced so that all on the connecting line 15 lying gaps 3 the receiving dipoles are hit by the laser radiation at the same time.

Die Breite der Empfangsdipole in Ausbreitungsrichtung der Terahertzstrahlung 6 beträgt nur 5 μm, so dass keine nennenswerte zeitliche Mittelung über die Terahertzfeldstärke während der Beleuchtung der Lücken 3 der Empfangsdipole 2 entsteht.The width of the reception dipoles in the propagation direction of the terahertz radiation 6 is only 5 μm, so that there is no significant temporal averaging over the terahertz field strength during the illumination of the gaps 3 the reception dipoles 2 arises.

Die fünf Ausgangssignale S1–5 der Empfangsantennen beinhalten die zeitlich gestaffelte Amplitudeninformation der gepulsten Terahertzstrahlung 6 mit einem Messpunktabstand von jeweils T1 = 5 ps. Dieses Zeitintervall ergibt sich aus dem Dipolabstand a von 0,5 mm und einer Ausbreitungsgeschwindigkeit der Terahertzstrahlung im GaAs-Substrat 8 von ungefähr 108 m/s.The five output signals S1-5 of the receiving antennas contain the time-staggered amplitude information of the pulsed terahertz radiation 6 with a measuring point distance of T1 = 5 ps. This time interval results from the dipole distance a of 0.5 mm and a propagation speed of the terahertz radiation in the GaAs substrate 8th of about 10 8 m / s.

Aus Gründen der Übersichtlichkeit bei der zeichnerischen Darstellung des zweiten Ausführungsbeispiels wurde die Zahl der Empfangsdipole 2 auf fünf beschränkt. Selbstverständlich kann mit bekannten photolithographischen Verfahren auch ein Antennenarray 1 mit einer größeren Zahl von Empfangsdipolen 2 hergestellt und eingesetzt werden.For reasons of clarity in the drawing of the second embodiment, the number of receiving dipoles 2 limited to five. Of course, with known photolithographic methods, an antenna array 1 with a larger number of receiving dipoles 2 manufactured and used.

Die Vorteile dieses Ausführungsbeispiels sind die einfache Herstellbarkeit des Antennenarrays mit photolithographischen Verfahren und die einfache optische Heranführung der Laserstrahlung an die Lücken 3 der Empfangsdipole 2 beispielsweise mit einer Zylinderlinse.The advantages of this embodiment are the ease of manufacture of the antenna array with photolithographic methods and the simple optical approach of the laser radiation to the gaps 3 the reception dipoles 2 for example, with a cylindrical lens.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
photoleitendes Antennenarrayphotoconductive antenna array
22
Empfangsdipolreceiver dipole
33
Lückegap
44
HalbleitermaterialSemiconductor material
55
Laserstrahlunglaser radiation
66
Terahertzstrahlungterahertz radiation
77
letzter Empfangsdipollast reception dipole
88th
Substratsubstratum
99
StreifenwellenleiterStrip waveguide
1010
Breite der Dipole in der Nähe der LückeWidth of the dipoles near the gap
1111
Claddingschichtcladding
1212
Ebene des AntennenarraysPlane of the antenna array
1313
Normalenrichtung zur Ebene des AntennenarraysNormal direction to the plane of the antenna array
1414
Winkel zwischen Normalenrichtung und Richtung der LaserstrahlungAngle between normal direction and direction of laser radiation
1515
Verbindungslinie der Lücken der EmpfangsdipoleConnecting line of the gaps of the reception dipoles
1616
Terahertzlinseterahertz lens
aa
Abstand benachbarter EmpfangsdipoleDistance between adjacent receiving dipoles
S1, S2, ...S1, S2, ...
Ausgangssignale der EmpfangsdipoleOutput signals of the reception dipoles

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • EP 0828162 A2 [0002] EP 0828162 A2 [0002]
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Claims (9)

Photoleitendes Antennenarray (1) zum Empfang gepulster Terahertzstrahlung (6), bestehend aus mehreren metallischen Empfangsdipolen (2) mit einer Lücke (3), in der sich ein Halbleitermaterial (4) mit kurzer Relaxationszeit befindet und unter Verwendung gepulster Laserstrahlung (5) mit einer Photonenenergie, die größer ist als die energetische Bandlücke des Halbleitermaterials (4) in der Lücke der Empfangsdipole (2) und deren Ausbreitungsrichtung entgegengesetzt zur Ausbreitungsrichtung der gepulsten Terahertzstrahlung (6) ist, dadurch gekennzeichnet, a) dass die Empfangsdipole (2) in Ausbreitungsrichtung der Terahertzstrahlung (6) gestaffelt angeordnet sind, so dass die gepulste Terahertzstrahlung (6) die Lücken (3) der gestaffelt angeordneten Dipole zeitlich nacheinander trifft, b) dass die optische Absorption des Halbleitermaterials (4) in der Lücke der Empfangsdipole (2) so gering bemessen ist, dass die gepulste Laserstrahlung (5) auch das Halbleitermaterial (4) in der Lücke (3) des zuletzt erreichten Empfangsdipols (7) elektrisch leitfähig schalten kann, c) und dass die Ausgangssignale (S1, S2, ...) der gestaffelt angeordneten Empfangsdipole (2) einzeln verstärkt werden, so dass die verstärkten Ausgangssignale (S1, S2, ...) ein Maß für den zeitlichen Verlauf der gepulsten Terahertzstrahlung (6) bilden.Photoconductive antenna array ( 1 ) for receiving pulsed terahertz radiation ( 6 ), consisting of several metallic receiving dipoles ( 2 ) with a gap ( 3 ), in which a semiconductor material ( 4 ) with a short relaxation time and using pulsed laser radiation ( 5 ) with a photon energy which is greater than the energy band gap of the semiconductor material ( 4 ) in the gap of the reception dipoles ( 2 ) and their propagation direction opposite to the propagation direction of the pulsed terahertz radiation ( 6 ), characterized in that a) that the reception dipoles ( 2 ) in the propagation direction of the terahertz radiation ( 6 ) are staggered so that the pulsed terahertz radiation ( 6 ) the gaps ( 3 ) of the staggered dipoles meets one after the other in time, b) that the optical absorption of the semiconductor material ( 4 ) in the gap of the reception dipoles ( 2 ) is so small that the pulsed laser radiation ( 5 ) also the semiconductor material ( 4 ) in the gap ( 3 ) of the last received dipole ( 7 ) can switch electrically conductive, c) and that the output signals (S1, S2, ...) of the staggered receiving dipoles ( 2 ) are amplified individually, so that the amplified output signals (S1, S2,...) are a measure of the time course of the pulsed terahertz radiation ( 6 ) form. Photoleitendes Antennenarray (1) zum Empfang gepulster Terahertzstrahlung (6), bestehend aus mehreren metallischen Empfangsdipolen (2) mit einer Lücke (3), in der sich ein Halbleitermaterial (4) mit kurzer Relaxationszeit befindet und unter Verwendung gepulster Laserstrahlung (5) mit einer Photonenenergie, die größer ist als die energetische Bandlücke des Halbleitermaterials (4) in der Lücke der Empfangsdipole (2) und deren Ausbreitungsrichtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der gepulsten Terahertzstrahlung (6) ist, dadurch gekennzeichnet, a) dass die Empfangsdipole (2) in Ausbreitungsrichtung der Terahertzstrahlung (6) gestaffelt angeordnet sind, so dass die gepulste Terahertzstrahlung (6) die Lücken (3) der gestaffelt angeordneten Dipole zeitlich nacheinander trifft, b) dass die gepulste Laserstrahlung (5) die Lücken (3) der gestaffelt angeordneten Empfangsdipole (2) gleichzeitig trifft, c) und dass die Ausgangssignale (S1, S2, ...) der gestaffelt angeordneten Empfangsdipole (2) einzeln verstärkt werden, so dass die verstärkten Ausgangssignale (S1, S2, ...) ein Maß für den zeitlichen Verlauf der gepulsten Terahertzstrahlung (6) bilden.Photoconductive antenna array ( 1 ) for receiving pulsed terahertz radiation ( 6 ), consisting of several metallic receiving dipoles ( 2 ) with a gap ( 3 ), in which a semiconductor material ( 4 ) with a short relaxation time and using pulsed laser radiation ( 5 ) with a photon energy which is greater than the energy band gap of the semiconductor material ( 4 ) in the gap of the reception dipoles ( 2 ) and their propagation direction perpendicular to the propagation direction of the pulsed terahertz radiation ( 6 ), characterized in that a) that the reception dipoles ( 2 ) in the propagation direction of the terahertz radiation ( 6 ) are staggered so that the pulsed terahertz radiation ( 6 ) the gaps ( 3 ) of the graduated arranged dipoles meets one after the other in time, b) that the pulsed laser radiation ( 5 ) the gaps ( 3 ) of staggered receiving dipoles ( 2 ) coincides, c) and that the output signals (S1, S2,...) of the staggered receiving dipoles (FIG. 2 ) are amplified individually, so that the amplified output signals (S1, S2,...) are a measure of the time course of the pulsed terahertz radiation ( 6 ) form. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, a) dass die in Ausbreitungsrichtung der Terahertzstrahlung (6) gestaffelt angeordneten Empfangsdipole (2) in einem äquidistanten Abstand a angeordnet sind, b) dass das gesamte photoleitende Antennenarray (1) in Ausbreitungsrichtung der Terahertzstrahlung (6) in definierten Schritten bis zum Maximalbetrag des Abstands a benachbarter Empfangsdipole (2) verschoben werden kann c) und dass nach jeder schrittweisen Verschiebung des Antennenarrays (1) die Ausgangssignale (S1, S2, ...) aller Empfangsdipole (2) in einem Rechner gespeichert werden, so dass anschließend nach der Verschiebung um den Maximalbetrag des Abstands a benachbarter Empfangsdipole (2) der zeitliche Verlauf der gepulsten Terahertzstrahlung (6) mit einer um die Anzahl der Verschiebungsschritte erhöhten zeitlichen Auflösung bestimmt werden kann.Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that a) that in the propagation direction of the terahertz radiation ( 6 ) staggered receiving dipoles ( 2 ) are arranged at an equidistant distance a, b) that the entire photoconductive antenna array ( 1 ) in the propagation direction of the terahertz radiation ( 6 ) in defined steps up to the maximum amount of the distance a of adjacent reception dipoles ( 2 ) can be moved c) and that after each stepwise displacement of the antenna array ( 1 ) the output signals (S1, S2, ...) of all receiving dipoles ( 2 ) are stored in a computer, so that subsequently after the shift by the maximum amount of the distance a of adjacent receiving dipoles ( 2 ) the time course of the pulsed terahertz radiation ( 6 ) can be determined with an increased by the number of shift steps temporal resolution. Anordnung nach einem Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsdipole (2) jeweils auf einem Substrat (8) angeordnet sind, das sowohl für die Laserstrahlung (5) als auch für die Terahertzstrahlung (6) transparent ist.Arrangement according to one of claims 1 or 3, characterized in that the receiving dipoles ( 2 ) each on a substrate ( 8th ) arranged for both the laser radiation ( 5 ) as well as for terahertz radiation ( 6 ) is transparent. Anordnung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, a) dass die gepulste Laserstrahlung (5) in einem Streifenwellenleiter (9) geführt wird, b) dass sich die Lücken (3) der metallischen Empfangsdipole (2) mit dem Halbleitermaterial (4) mit kurzer Relaxationszeit direkt über oder unter dem Streifenwellenleiter (9) befinden, so dass jeweils ein Teil der Laserstrahlung (5) vom Streifenwellenleiter (9) in das Halbleitermaterial (4) mit kurzer Relaxationszeit in der Lücke (3) der Empfangsdipole (2) gelangt c) und dass die Breite (10) der Dipole in der Nähe der Lücke (3) wesentlich geringer ist als deren Abstand a in Richtung des Streifenwellenleiters (9).Arrangement according to claim 1 or 3, characterized in that a) that the pulsed laser radiation ( 5 ) in a strip waveguide ( 9 ) b) that the gaps ( 3 ) of the metallic receiving dipoles ( 2 ) with the semiconductor material ( 4 ) with a short relaxation time directly above or below the strip waveguide ( 9 ), so that in each case a part of the laser radiation ( 5 ) from the strip waveguide ( 9 ) in the semiconductor material ( 4 ) with short relaxation time in the gap ( 3 ) of the reception dipoles ( 2 ) c) and that the width ( 10 ) of the dipoles near the gap ( 3 ) is substantially smaller than the distance a in the direction of the strip waveguide ( 9 ). Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass a) der Streifenwellenleiter (9) aus GaAs oder AlGaAs besteht, b) das Halbleitermaterial (4) in den Lücken (3) der metallischen Empfangsdipole (2) aus GaAs oder InGaAs besteht c) das photoleitende Antennenarray (1) auf einem semiisolierenden GaAs Substrat (8) angeordnet ist und d) sich zwischen dem GaAs Substrat (8) und dem Streifenwellenleiter (9) eine Claddingschicht (11) aus AlAs befindet.Arrangement according to claim 5, characterized in that a) the strip waveguide ( 9 ) consists of GaAs or AlGaAs, b) the semiconductor material ( 4 ) in the gaps ( 3 ) of the metallic receiving dipoles ( 2 ) consists of GaAs or InGaAs c) the photoconductive antenna array ( 1 ) on a semi-insulating GaAs substrate ( 8th ) and d) between the GaAs substrate ( 8th ) and the strip waveguide ( 9 ) a cladding layer ( 11 ) is located from AlAs. Anordnung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass a) sowohl die Laserstrahlung (5) als auch die Terahertzstrahlung (6) senkrecht zur Strahlrichtung räumlich aufgeweitet sind, b) das Antennenarray (1) in einer Ebene (12) angeordnet ist, c) die Normalenrichtung (13) dieser Ebene gegen die Richtung der Laserstrahlung (5) um einen Winkel (14) gekippt ist, der zwischen 0° und 90° liegt, d) und die Normalenrichtung (13) zusammen mit der Richtung der Laserstrahlung (5) und der Verbindungslinie (15) der Lücken (3) der Empfangsdipole (2) in einer Ebene liegt.Arrangement according to claim 1 or 3, characterized in that a) both the laser radiation ( 5 ) as well as the terahertz radiation ( 6 ) are spatially widened perpendicular to the beam direction, b) the antenna array ( 1 ) in one level ( 12 ) is arranged c) the normal direction ( 13 ) of this plane against the direction of the laser radiation ( 5 ) by an angle ( 14 ) is tilted between 0 ° and 90 °, d) and the normal direction ( 13 ) together with the direction of the laser radiation ( 5 ) and the connecting line ( 15 ) of the gaps ( 3 ) of the reception dipoles ( 2 ) lies in one plane. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Antennenarray (1) mit einem semiisolierenden Waferstück aus GaAs abgedeckt ist.Arrangement according to claim 5 or 6, characterized in that the antenna array ( 1 ) is covered with a semi-insulating wafer piece of GaAs. Anordnung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die gepulste Laserstrahlung (5) in der Ebene der Empfangsdipole (2) einen Linienfokus bildet, wobei alle Lücken (3) der gestaffelt angeordneten Empfangsdipole (2) auf der Fokuslinie liegen,Arrangement according to claim 2 and 3, characterized in that the pulsed laser radiation ( 5 ) in the plane of the reception dipoles ( 2 ) forms a line focus, with all gaps ( 3 ) of staggered receiving dipoles ( 2 ) are on the focus line,
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