THz-Mikroskopie von Mikrowellenbauelementen und optischen Terahertz-Komponenten

Ein THz-Mikroskop dient der dreidimensionalen Bildgebung im Frequenzbereich von etwa 1 GHz bis 5 THz. Als Sensor werden hierbei Josephson-Cantilever verwendet, welche aus dem Hochtemperatur-Supraleiter YBa2Cu3O7 auf LaAlO3 oder MgO Bikristall-Substraten gefertigt werden. Die Funktionsweise des Josephson-Cantilevers beruht auf der Nutzung eines Josephson-Kontakts. Dieser kann zusätzlich mit unterschiedlichen Antennentypen ausgestattet werden. Er ermöglicht es, Hochfrequenzstrahlung sowohl hinsichtlich der Leistung als auch der Frequenz zu untersuchen. Gleichzeitig lassen sich mit dem Josephson-Cantilever aber auch Temperaturen sowie Magnetfelder messen.
In dieser Arbeit wurde ein neues THz-Mikroskop im Forschungszentrum LENA aufgebaut und in Betrieb genommen. Das System umfasst dabei eine evakuierbare Messkammer mit Mu-Metallabschirmung. In dieser wurde ein dreiachsiges Positioniersystem für den Sensor sowie ein zweiachsiges Probenpositioniersystem verbaut. Zur Kühlung stehen zwei separate Kryosysteme für Sensor und Probe zur Verfügung. Ferner existiert eine Kontaktdetektion mit der außerdem Höhenprofile aufgenommen werden können.
Als leistungsstarke THz-Strahlungsquelle steht ein optisch gepumptes Fern-Infrarot Lasersystem zur Verfügung. Mit diesem wurden Frequenzen bis 2,52 THz und Leistungen größer als 100 mW erzeugt. Zur Untersuchung des Laserstrahls hinsichtlich der Feldverteilung und der Frequenz wurde ein Modenbildscanner sowie ein Interferometer entwickelt. Die Steuerung des THz-Mikroskops wurde soweit wie möglich automatisiert und erfolgt aus einem einzelnen Programm heraus, welches mit sämtlichen Komponenten und peripheren Geräten des THz-Mikroskops verbunden ist. Zusätzlich steht eine Smartphone-Applikation zur Verfügung, die eine Überwachung der wichtigsten Systemparameter ermöglicht. Beim Einsatz des THz-Mikroskops zur Untersuchung von Hochfrequenzstrahlung kann zwischen zwei wesentlichen Frequenzbereichen unterschieden werden. Im Mikrowellenbereich wurde zur Evaluation des Systems eine Mikrostreifenleitung untersucht. Im Terahertzbereich wurden Messungen mit dem Fern-Infrarot Lasersystem durchgeführt. Hierbei wurde zum einen die Lasermode vermessen. Dabei können nicht nur Aussagen zur allgemeinen Feldverteilung getroffen, sondern auch Frequenzkomponenten im Laserstrahl unterschieden werden. Zum anderen wurde mit Hilfe additiv gefertigter spiralförmiger Phasenplatten Terahertz Twisted-Light erzeugt, die Mode vermessen und der Nachweis des Orbital Angular Momentum mit Hilfe des THz-Mikroskops durchgeführt. Zusätzlich wurden Beugungsmuster von Reflektionsbeugungsgittern aufgenommen.