DE102008014086A1 - Terahertz-Strahlungsquelle - Google Patents

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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S1/00Masers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the microwave range
    • H01S1/02Masers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the microwave range solid

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Terahertz-Strahlungsquelle mit einem Photoleiter und einem Elektrodensystem zur bidirektionalen Beschleunigung der durch kurze Laserimpulse freigesetzten Ladungsträger. Sie ist mit einer Phasenkorrekturplatte im Strahlengang der THz-Strahlung und/oder einer dielektrischen Phasenkorrekturplatte im Strahlengang der Laserstrahlung versehen. Sie zeichnet sich durch ihre kompakten Abmaße aus.

Description

  • 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]

Claims (4)

  1. Terahertz-Strahlungsquelle mit einem Photoleiter und einem Elektrodensystem zur bidirektionalen Beschleunigung der durch kurze Laserimpulse freigesetzten Ladungsträger dadurch gekennzeichnet, dass eine Phasenkorrekturplatte im Strahlengang der THz-Strahlung und/oder eine dielektrische Phasenkorrekturplatte im Strahlengang der Laserstrahlung angeordnet ist.
  2. Terahertz-Strahlungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenkorrekturplatte als eine dielektrische Platte zur Phasenkorrektur im Strahlengang der Laserstrahlung und/oder im Strahlengang der THz-Strahlung ausgebildet ist.
  3. Terahertz-Strahlungsquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrodensystem mit äquidistanten konzentrischen Leiterbahnen ausgebildet ist.
  4. Terahertz-Strahlungsquelle nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrodensystem mit zwei äquidistanten spiralförmigen Leiterbahnen ausgebildet ist.
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