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  • Erzeugung und Nachweis von Terahertz-

    Strahlung unter Verwendung von

    Multimode-Lasersystemen

    Dissertation

    zur

    Erlangung des Doktorgrades

    der Naturwissenschaften

    (Dr. rer. nat.)

    dem

    Fachbereich Physik

    der Philipps-Universität Marburg

    vorgelegt von

    Maik Andre Scheller

    aus

    Gifhorn

    Marburg/Lahn, 2011

  • Vom Fachbereich Physik der Philipps-Universität Marburg (Hochschulkennziffer 1180)

    als Dissertation angenommen am:

    24.06.2011

    Erstgutachter: Prof. Dr. Martin Koch

    Zweitgutachter: Prof. Dr. Stephan W. Koch

    Tag der mündlichen Prüfung: 30.06.2011

  • v

    Vorwort

    Die grundlegende Zielsetzung der vorliegenden Arbeit besteht darin, durch den Einsatz

    von Multimode-Laserstrahlung effiziente und kostengünstige Konzepte für die

    Erzeugung und Detektion von Terahertz-Wellen zu schaffen, welche den Terahertz-

    Frequenzbereich für eine Nutzung außerhalb optischer Labore eröffnen. Dabei umfasst

    die Arbeit sowohl die Ergebnisse, welche in meiner Zeit als wissenschaftlicher

    Mitarbeiter am Fachbereich Physik der Philipps-Universität Marburg entstanden sind,

    sowie diejenigen, welche auf meine Tätigkeit am Institut für Hochfrequenztechnik der

    Technischen Universität Braunschweig zurückgehen.

    Ich danke zuallererst meinem Doktorvater Prof. Martin Koch für seine Unterstützung in

    den vergangenen drei Jahren und sein geschenktes Vertrauen. Durch ihn erhielt ich die

    Chance, bei der Erschließung der „sanften Wärmestrahlung― des Terahertz-

    Frequenzbereiches mitzuwirken. Auch danke ich ihm dafür, mir im Rahmen meiner

    Promotion zahlreiche Konferenz- und Forschungsaufenthalte ermöglicht zu haben.

    Prof. Jerome V. Moloney und Prof. Stephan W. Koch danke ich für die freundliche

    Aufnahme und die Vielzahl an hilfreichen Diskussionen während meiner

    Forschungsaufenthalte in Tucson, Arizona am College of Optical Sciences der

    University of Arizona (UoA). Auch danke ich den Mitgliedern der UoA, Colm Dineen

    Yi-Ying Lai, Yushi Kaneda, Tsuei-Lian Wang und Joe M. Yarborough, welche mir

    während meiner Zeit in Tucson hilfreich zur Seite standen.

    Für die ausgezeichnete Zusammenarbeit bei mehreren gemeinsamen

    Drittmittelprojekten danke ich Björn Breitenstein und Prof. Dirk Selmar vom Institut für

    Pflanzenbiologie der Technischen Universität Braunschweig sowie Dr. Thomas Kinder

    und Dr. Thomas Müller-Wirts von der TEM-Messtechnik GmbH in Hannover.

    Für das angenehme Arbeitsumfeld gebührt den Mitgliedern des Fachbereichs Physik der

    Philipps-Universität Marburg und den Mitarbeitern um Prof. Wolfgang Kowalsky von

    der Technischen Universität Braunschweig große Anerkennung. Die Anfangszeit

    meiner Promotion bereicherten meine ehemaligen Kollegen Ibraheem Al Naib, Carola

    Baaske, Kamran Ezdi, Tomasz Hasek, Mohammed Salhi und Katrin Tonndorf.

    Ein besonderer Dank geht an Steffen Wietzke und Kai Baaske für die Betreuung meiner

    Studien- bzw. Diplomarbeit. Auch danke ich besonders Christian Jördens, mit dem ich

    in der Anfangsphase meiner Promotion in vielen erfolgreichen Projekten

    zusammenarbeitete, und Norman Krumbholz, der mich in die Welt der Terahertz-

    Systemtechnik einführte. Priv. Doz. Sangam Chatterjee danke ich für die zahlreichen

    Diskussionen über den Bereich der Halbleiterphysik und der Optik. Dank sagen möchte

    ich aber auch meinen Kollegen Alexej Chernikov, Benjamin Ewers, Bernd Heinen,

    Kapil Kohli, Ole Peters, Thorsten Probst, Marco Reuter, Benedikt Scherger, Michael

  • vi

    Schwerdtfeger, Nico Vieweg und Matthias Wichmann für ihre Hilfe sowie den

    Studenten unserer Arbeitsgruppe für ihre Unterstützung: Kristian Altmann, Norman

    Born, Marina Gerhard, Sina Lippert, André Ludwig, Hannah Schneider, Steffen

    Schumann, Phillip Springer und Ajanth Velauthapillai.

    Für ihre Zusammenarbeit bei der Programmierung von diversen Softwareoberflächen

    zur Datenauswertung möchte ich Stefan Dürrschmidt und Christian Jansen danken,

    ohne die es unmöglich gewesen wäre, die Analysealgorithmen, welche in dieser Arbeit

    entwickelt wurden, in ein kommerzielles Produkt zu transformieren.

    Mein herzlicher Dank gilt an Martina Carsjens, Claudia Goy und Matthias Stecher für

    ihre hilfreichen Ratschläge und Anmerkungen bei der textlichen Ausarbeitung der

    Arbeit sowie für zahlreiche hilfreiche Diskussionen.

    Marburg, April 2011

  • vii

    1 Inhaltsverzeichnis

    1 Einleitung ............................................................................................................ 1

    2 Einführung in die Terahertz-Spektroskopie ........................................................ 5

    2.1 Terahertz-Zeitbereichsspektroskopie .................................................................. 5

    2.1.1 Erzeugung von Terahertzpulsen mittels photoleitfähiger Antennen ................... 6

    2.1.2 Signaldetektion .................................................................................................... 9

    2.2 Interaktion von Terahertzwellen mit Materie ................................................... 11

    2.2.1 Grundlegende Wechselwirkung ........................................................................ 11

    2.2.2 Dielektrische Mischsysteme ............................................................................. 13

    3 Terahertz-Signalanalyse .................................................................................... 19

    3.1 Konventionelle Auswertung ............................................................................. 20

    3.2 Theoretischer Informationsgehalt ..................................................................... 24

    3.3 Auswerteverfahren auf Basis numerischer Optimierung .................................. 26

    3.3.1 Zeitbereichs-Rekonstruktion ............................................................................. 27

    3.3.2 Sukzessive-Frequenzbereichs-Rekonstruktion ................................................. 31

    3.3.3 Direkte-Frequenzbereichs-Rekonstruktion ....................................................... 40

    3.4 Praxiseignung .................................................................................................... 48

    3.5 Zusammenfassung ............................................................................................. 51

    4 Erzeugung multifrequenter Terahertz-Strahlung .............................................. 53

    4.1 Konventionelle Photomischung ........................................................................ 55

    4.1.1 Grundlagen der Photomischung ........................................................................ 55

    4.1.2 Beschreibung der Antennencharakteristik ........................................................ 60

    4.2 Mischung multipler Lasermoden ...................................................................... 63

    4.3 Multifrequente-Dauerstrich-Spektroskopie ...................................................... 68

    4.4 Quasi-Zeitbereichsspektroskopie ...................................................................... 74

    4.4.1 Experimentelle Realisierung ............................................................................. 74

    4.4.2 Einzelpunktmessungen ...................................................................................... 77

    4.4.3 Bildgebende Messungen ................................................................................... 82

    4.5 Spektralmodifizierbares Quasi-Zeitbereichsspektrometer ................................ 87

    4.6 Hybrides Photomisch-Spektrometer ................................................................. 92

    4.7 Zusammenfassung ............................................................................................. 95

    5 Intrakavitäre Erzeugung von Terahertz-Strahlung ............................................ 97

    5.1 Parametrische Frequenzwandlung .................................................................. 100

    5.1.1 Grundlagen der nichtlinearen Optik ................................................................ 100

    5.1.2 Ratengleichungen ............................................................................................ 103

    5.1.3 Phasenanpassung ............................................................................................. 105

    5.1.4 Numerische Beschreibung des Abstrahlprozesses .......................................... 107

  • viii

    5.1.5 Analyse periodisch gepolter Kristalle ............................................................. 110

    5.1.6 Analyse aperiodisch gepolter Kristalle ........................................................... 116

    5.2 VECSEL .......................................................................................................... 117

    5.2.1 Thermisches Verhalten ................................................................................... 118

    5.2.2 Zwei-Farb-Betrieb .............................................