-
Die
Erfindung betrifft eine Strahlungsquelle zur Erzeugung elektromagnetischer
Strahlung mit Frequenzen im Terahertz-Bereich.
-
Mit
Terahertz-Strahlung wird elektromagnetische Strahlung im Frequenzbereich
der Größenordnung 1012 Hz
= 1 THz bezeichnet.
-
Die
zugehörigen Wellenlängen reichen von etwa 1 μm
bis etwa 1 mm. Wie in Naturwiss. Rundschau, Jg. 59 <2006>, S. 315,
dargestellt ist, gibt es für THz-Strahlungsquellen und
-Messgeräte vielseitige Anwendungsgebiete in der naturwissenschaftlichen
Grundlagenforschung und in der Medizin, ebenso zur Lösung
spezieller technischer Aufgaben wie beispielsweise die materialspezifische
Detektion von Gegenständen bei der Gepäckkontrolle.
-
In Naturwiss.
Rundschau, 1.c., wird darauf hingewiesen, dass "handliche
und effektive Strahlungsquellen" für den THz-Frequenzbereich
bisher noch nicht verfügbar sind.
-
Hohe
Strahlungsleistungen lassen sich in Synchrotron- und Linear-Beschleunigern
mit relativistischen Elektronen erzeugen, wie in Nature,
Vol. 420 (2002), S. 153, und in Physical Review
Letters, Vol. 90 (2003), 094801-1, beschrieben. Wegen des hohen
technischen Aufwandes werden die genannten Beschleuniger in großen
Forschungszentren wie BESSY und DESY in Deutschland oder Jefferson
Laboratory, U. S. A., betrieben und neben anderen Aufgaben auch
zur Erzeugung von THz-Strahlung genutzt.
-
Einen
vergleichsweise niedrigen Bedarf an Bauvolumen und technischem Aufwand
für den Betrieb haben THz-Strahlungsquellen, bei denen
die THz-Strahlung in einem Halbleiter mit Hilfe einer intensiven
Laserstrahlung angeregt wird. Zu derartigen Strahlungsquellen gehören
die Quanten-Kaskaden-Laser, die in Naturwiss. Rundschau,
Jg. 59 (2006), S. 317, und in Science, Vol. 308
(2005), S. 317, beschrieben sind.
-
Aus
der
DE 102005032900
B3 ist ein Sender bzw. ein Empfänger mit zugeordneter
Antenne zum Erzeugen und Abstrahlen bzw. zum Empfangen und Weiterverarbeiten
eines elektromagnetischen Signals mit Frequenzanteilen im Höchstfrequenzbereich von
50 GHz bis 30 THz zu entnehmen.
-
Die
Erfindung geht von einer THz-Strahlungsquelle aus, über
die in Naturwiss. Rundschau, 58. Jg. (2005), S. 508,
und in Applied Physics Letters 86, 121114 (2005),
berichtet wird: Durch intensive kurze Laserimpulse mit einer Impulsdauer
von 50 fs werden in einem Photoleiter Ladungsträger freigesetzt,
die im elektrischen Feld einer speziellen Elektrodenstruktur beschleunigt
werden und die THz-Strahlung emittieren. Als Elektroden dienen fingerartige
parallele, äquidistante Leiterbahnen auf dem Photoleiter.
Die Leiterbahnen bilden zwei kammartige Strukturen, die mit konstanten
Abständen zueinander liegen und mit einer Gleichspannungsquelle verbunden
sind. Diese erzeugt in den Zwischenräumen der Leiterbahnen
ein elektrisches Feld mit wechselnder Polarität. Wie gezeigt
wird, führt die Beschleunigung der Ladungsträger
in beiden Feldrichtungen dazu, dass THz-Wellenzüge mit
einer gegenseitigen Phasenverschiebung der Größe ¶ entstehen,
die im Strahlungsfeld destruktiv interferieren. Um dies zu vermeiden,
werden die Ladungsträger nur unidirektional beschleunigt,
in dem jeder zweite Leiterbahn-Zwischenraum gegen die einfallende
Laserstrahlung abgeschirmt wird.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kompakte THz-Strahlungsquelle
mit einem Photoleiter zu schaffen.
-
Durch
die Erfindung wird die bidirektionale Beschleunigung der Ladungsträger
im Feld der Photoleiterelektroden ausgenutzt, wobei die THz-Wellenzüge
mit Hilfe erfindungsgemäß vorgesehener phasenkorrigierender
Elemente im Strahlengang konstruktiv interferieren. Die Erfindung
wird beispielhaft anhand der 1, 2, 3, 4, 5 und 6 erläutert.
-
Es
zeigen
-
1 den
Querschnitt der Strahlungsquelle mit einem Phasenschieber an der
die THz-Strahlung emittierenden Fläche des Photoleiters,
-
2 den
Querschnitt der Strahlungsquelle mit einem Phasenschieber an der
von der Laserstrahlung beaufschlagten Fläche des Photoleiters,
-
3 den
Querschnitt der Strahlungsquelle mit einem Phasenschieber an der
laserbestrahlten und zugleich die THz-Strahlung emittierenden Fläche des
Photoleiters,
-
4 die
Struktur der Beschleunigungselektroden mit konzentrischen Leiterbahnen,
-
5 die
Struktur der Beschleunigungselektroden mit spiralförmigen
Leiterbahnen,
-
6 ein
Beispiel für die Kontur der dielektrischen Phasenschieberplatte.
-
In 1 bezeichnet 1 den
Photoleiter, der bevorzugt als Gallium-Arsenid-Wafer ausgeführt wird.
Auf der Oberfläche befinden sich die Leiterbahnen 2 und 3 des
Elektrodensystems. Die Symbole 4, + und –, weisen
auf die wechselnde Polarität, die Symbole 5 auf
die wechselnde Richtung des elektrischen Feldes zwischen den Leiterbahnen
hin. Die Pfeile 6 stellen die Laserstrahlung dar, die im
Photoleiter 1 die Ladungsträger freisetzt. Die
Ladungsträger werden im elektrischen Feld zwischen den
Leiterbahnen 2, 3 beschleunigt und emittieren
die durch Pfeile gekennzeichnete THz-Strahlung 7. Im Strahlengang
der von dem Photoleiter 1 emittierten Strahlung ist zur
Phasenkorrektur die dielektrische Platte 8 mit den Stegen 9 und
den Spalten 10 angeordnet, dergestalt, dass die Stege und
Spalte geometrisch mit den Leiterbahnen 2, 3 fluchten.
-
2 zeigt
den Photoleiter 21 mit den Leiterbahnen 22, 23 als
Elektroden. Auf den Elektroden befindet sich die dielektrische Platte 24 mit
den äquidistanten Stegen 25 und Spalten 26.
Analog zu der 1 fluchten die Stege und Spalte
der Platte 24 geometrisch mit den Leiterbahnen 22, 23.
Mit den Pfeilen 27 ist die einfallende Laserstrahlung,
mit den Pfeilen 28 die emittierte THz-Strahlung schematisch
dargestellt.
-
3 zeigt
den Photoleiter 31 mit dem Elektrodensystem der Leiterbahnen 32, 33,
die dielektrische Platte 34 mit den äquidistanten
Stegen 35 und Spalten 36, geometrisch fluchtend
mit den Leiterbahnen 32, 33, und die durch die
Pfeile 37 dargestellte Laserstrahlung sowie die durch die
Pfeile 38 bezeichnete THz-Strahlung, die aus der laserbestrahlten
Fläche des Photoleiters 31 emittiert wird. Die
Richtung der Laserstrahlung 37 und die Flächennormale 39 bilden
den Winkel α, dessen Größe von der technischen
Ausführung der Strahlungsquelle abhängt.
-
4 zeigt
die Kontur des Elektrodensystems auf dem Photoleiter 41 mit äquidistanten
konzentrischen Leiterbahnen 42, 43. Die beiden
Brücken 44 und 45 verbinden elektrisch
die Leiterbahnen paarweise miteinander und sind über die
Kontakte 46 und 46' an die Gleichspannungsquelle 47 angeschlossen.
-
5 zeigt
eine Variante des Elektrodensystems auf dem Photoleiter 51.
Die Variante des Elektrodensystems besteht aus den zwei äquidistanten spiralförmigen
Leiterbahnen 52 und 53. Diese sind an der Peripherie
(oder innerhalb) der Struktur über die Kontakte 54 und 55 mit
der Spannungsquelle 56 verbunden.
-
6 zeigt,
bezugnehmend auf die Pos. 8 in der 1, die Kontur
der dielektrischen Platte 62 für den Fall, dass
auf dem Photoleiter 61 das Elektrodensystem aus spiralförmigen
Leiterbahnen, entsprechend den Positionen 52 und 53 in 5,
besteht. Der spiralförmige Steg 63 ist schraffiert
hervorgehoben; er bildet im Querschnitt eine Folge von äquidistanten
Stegen, wie in 1, Pos. 9, dargestellt.
-
Die
Leiterbahnstrukturen nach 4 und 5 haben
den Vorteil, dass zur Führung der Laserstrahlung und zur
Auskopplung der THz-Strahlung die in der Optik üblichen
zentralsymmetrischen Linsensysteme und Spiegelanordnungen eingesetzt werden
können.
-
Für
die Dimensionierung der als Phasenschieber dienenden dielektrischen
Platte 8 in 1, 24 in 2, 34 in 3 gelten
die folgenden Überlegungen.
-
Durch
die Platte 8 in 1 werden die durch die Stege 9 laufenden
Wellenzüge zeitlich um den Betrag –t = Hn/c – H/c (1)gegenüber
den durch die Spalte 10 laufenden Wellenzügen
verzögert. Dabei bezeichnet H die Steghöhe, c
die Lichtgeschwindigkeit, n den Brechungsindex des Dielektrikums
für die THz- Strahlung. Die aus der bidirektionalen Beschleunigung
der Ladungsträger resultierende Phasenverschiebung π entspricht der
Laufzeitdifferenz T/2 = 1/2f = c/(λ/2) (2),wobei T
die Periodendauer, f die Frequenz, λ die Wellenlänge
der THz-Strahlung ist. Wird zusätzlich eine Laufzeitdifferenz
von T/2 zwischen Stegen und Spalten erzwungen, so verlassen die
Wellenzüge die Platte 8 mit der Phasenverschiebung
2π und interferieren konstruktiv. Um diese Bedingung zu
erfüllen, müssen die Stege 9 der Platte 8 die
Höhe H = kλ/(2(n – 1)) (3)haben, wie
aus den Gleichungen (1) und (2) folgt. In Gl. (3) ist k eine ungerade
ganze Zahl (1, 3, 5 ...), die berücksichtigt, dass die
Phasenkorrektur auch für ganzzahlige Vielfache von 2π gilt.
-
Bei
der Anordnung nach 2 findet die Phasenkorrektur
mit Hilfe der dielektrischen Platte 24 mit den Stegen 25 und
den Spalten 26 im Strahlengang der Laserstrahlung statt.
Analog zu den oben abgeleiteten Bedingungen ergibt sich die Höhe
H' der Stege 25: H' = k λ/(2(n' – 1)) (4),wobei n'
der Brechungsindex des Dielektrikums für die Laserstrahlung
ist.
-
In
der Anordnung gemäß 3 sind die
Stege 35 der dielektrischen Platte 34 so dimensioniert, dass
die der Laserstrahlung zugeordnete Phasenverschiebung und die der
THz-Strahlung zugeordnete Phasenverschiebung zusammen den Betrag π ergeben.
Diese Bedingung wird erfüllt, ausgehend von den Gleichungen
(1), (2), (3), (4), wenn die Höhe der Stege 25 H'' = kλ/(2(n + n' – 2)) (5)beträgt,
wobei n und n' die bereits eingeführten Brechungsindizes
des Dielektrikums für die THz-Strahlung und die Laserstrahlung
bedeuten.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 102005032900
B3 [0007]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - Naturwiss.
Rundschau, Jg. 59 <2006>, S. 315 [0003]
- - Naturwiss. Rundschau, 1.c. [0004]
- - Nature, Vol. 420 (2002), S. 153 [0005]
- - Physical Review Letters, Vol. 90 (2003), 094801-1 [0005]
- - Naturwiss. Rundschau, Jg. 59 (2006), S. 317 [0006]
- - Science, Vol. 308 (2005), S. 317 [0006]
- - Naturwiss. Rundschau, 58. Jg. (2005), S. 508 [0008]
- - Applied Physics Letters 86, 121114 (2005) [0008]