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Optisch lenkbare Terahertz-Quelle

27.06.2013
Gezielte optische Anregung von Elektronenflüssen in Halbleitern erlaubt kontrollierte räumliche Ausrichtung der elektromagnetischen Strahlung

Elektromagnetische Strahlung im Terahertz(THz)-Frequenzbereich hat sich in den letzten Jahren als wichtiges Werkzeug in einer Vielzahl von industriellen, wissenschaftlichen und technischen Bereichen etabliert.


Gezielte Laseranregung von Galliumarsenid (GaAs) führt zu unterschiedlichen Stromflüssen (JP, JS) im Halbleiter. Die damit einhergehenden abgestrahlten elektromagnetischen Felder überlagern sich, das Gesamtfeld ESum breitet sich unter einem Winkel θ zur Oberflächennormalen aus. Über eine Änderung der Polarisation des Anregungslasers lässt sich die Richtung des Stroms Jp umkehren und damit der Abstrahlwinkel des Gesamtfeldes ändern. (Abb.: PTB)


Durch Veränderung der Polarisation des Anregungslasers (Unterschied zwischen roten und blauen Daten) verschiebt sich die Lage der maximalen THz-Amplitude um 8°. (Abb.: PTB)

Für einige Anwendungen ist dabei eine gezielte Steuerung der Ausbreitungsrichtung der THz-Felder notwendig. Dies wurde bislang beispielsweise über die mechanische Bewegung der THz-Quellen oder der zu untersuchenden Proben realisiert.

Da mechanische Bewegungen jedoch auf Geschwindigkeit, Verlässlichkeit und Stabilität der Anwendungen negative Auswirkungen haben können, erweist sich die Entdeckung aus der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) als bedeutende Verbesserung: die Erzeugung von THz-Feldern, deren Ausbreitungsrichtung allein durch die Polarisationseigenschaften des zur Erzeugung genutzten Laserlichts beeinflusst werden kann. Die Ergebnisse der Forscher sind in der aktuellen Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift Applied Physics Letters veröffentlicht.

Körperscanner, industrielle Fertigungsüberwachung, spektroskopische Sicherheitsprüfungen von Postsendungen oder zukünftige Kommunikationstechniken sind nur eine Auswahl von Anwendungsfeldern, die relative Bewegungen von THz-Quellen, THz-Detektoren oder Proben zueinander als zugrundeliegendes Funktionsprinzip voraussetzen. Hierbei kommen oftmals gepulste THz-Felder zum Einsatz, die sich durch Anregung von Halbleitern wie Galliumarsenid (GaAs) mittels gepulster Laserstrahlen erzeugen lassen. Für diesen Prozess werden Halbleitereigenschaften ausgenutzt, die aufgrund der optischen Anregung eine gerichtete Elektronenbewegung, d. h. einen Stromfluss, bewirken. Diese sehr schnelle Bewegung der Elektronen führt zur Abstrahlung von elektromagnetischen Feldern im THz-Frequenzbereich.

Die Arbeiten der PTB-Forscher zeigen, dass räumlich lenkbare THz-Felder durch die Anregung unterschiedlicher Stromflussrichtungen im Halbleiter generiert werden können. In ihren Experimenten erzeugten die Wissenschaftler mit Hilfe ultrakurzer Laserpulse zwei unterschiedliche Ströme, die parallel bzw. senkrecht zur Oberfläche des Halbleiters fließen. Die von beiden Strömen abgestrahlten THz-Felder bilden aufgrund ihrer Polarisationseigenschaften Bereiche der gegenseitigen Verstärkung oder Abschwächung. Aus diesen Interferenzeffekten resultiert eine gerichtete THz-Emission. Aufgrund der unterschiedlichen Entstehungsmechanismen der beiden Stromkomponenten kann das Interferenzfeld und somit die Richtung der THz-Emission kontrolliert werden. Hierbei kommt zum Tragen, dass sich die Flussrichtung des zur Oberfläche parallelen Stroms durch eine Veränderung der Polarisation des Laserpulses umkehren lässt. Die senkrechte Stromkomponente hingegen ist nicht polarisationsabhängig, ihre Flussrichtung bleibt unverändert. Auf diese Weise kehren sich die Bereiche der Verstärkung und der Abschwächung der elektromagnetischen Felder um; die THz-Quelle ändert ihre Abstrahlrichtung.
In ersten Experimenten wurde eine Richtungsänderung der maximalen THz-Feldstärke von bis zu 8° gemessen. Der Ablenkungswinkel hing dabei von unterschiedlichen Anregungsparametern ab und konnte gezielt eingestellt werden. Über ein theoretisches Modell ließen sich die dominierenden Einflussfaktoren genauer bestimmen und Optimierungsmöglichkeiten untersuchen. So kann der maximale Ablenkwinkel beispielsweise durch andere Halbleitermaterialsysteme, spezielle Siliziumlinsen oder externe Magnetfelder vergrößert werden.
es/ptb

Ansprechpartner:
Heiko Füser, Arbeitsgruppe 2.54 Terahertz-Optik,
Tel. (0531) 592-2541, E-Mail: heiko.fueser@ptb.de
Die wissenschaftliche Veröffentlichung:
Füser, H., Bieler, M.: Terahertz beam steering by optical coherent control. Appl. Phys. Lett. 102, 251109 (2013), http://link.aip.org/link/doi/10.1063/1.4812364?ver=pdfcov

Erika Schow | PTB
Weitere Informationen:
http://www.ptb.de
http://www.ptb.de/de/aktuelles/archiv/presseinfos/pi2013/pitext/pi130627.html

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