Optisch lenkbare Terahertzquelle
Polarisationszustand des erzeugenden Laserstrahls steuert Ausbreitungsrichtung von Terahertzwellen.
Elektromagnetische Strahlung im Terahertz-Frequenzbereich hat sich in den letzten Jahren als wichtiges Werkzeug in einer Vielzahl von industriellen, wissenschaftlichen und technischen Bereichen etabliert. Für einige Anwendungen ist dabei eine gezielte Steuerung der Ausbreitungsrichtung der Terahertzfelder notwendig. Dies wurde bislang beispielsweise über die mechanische Bewegung der Quellen oder der zu untersuchenden Proben realisiert. Da mechanische Bewegungen jedoch auf Geschwindigkeit, Verlässlichkeit und Stabilität der Anwendungen negative Auswirkungen haben können, hat die Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) nun eine bedeutende Verbesserung vorgestellt: die Erzeugung von Terahertzfeldern, deren Ausbreitungsrichtung allein durch die Polarisationseigenschaften des zur Erzeugung genutzten Laserlichts beeinflusst werden kann.
Abb.: Gezielte Laseranregung von Galliumarsenid führt zu unterschiedlichen Stromflüssen im Halbleiter. Über eine Änderung der Polarisation des Anregungslasers lässt sich die Richtung des Stroms umkehren und damit der Abstrahlwinkel des Gesamtfeldes ändern.
Die Arbeiten der PTB-Forscher zeigen, dass sich räumlich lenkbare Terahertz-Felder durch die Anregung unterschiedlicher Stromflussrichtungen im Halbleiter generieren lassen. In ihren Experimenten erzeugten die Wissenschaftler mithilfe ultrakurzer Laserpulse zwei unterschiedliche Ströme, die parallel bzw. senkrecht zur Oberfläche des Halbleiters fließen. Die von beiden Strömen abgestrahlten Felder erzeugen aufgrund ihrer Polarisationseigenschaften Bereiche der gegenseitigen Verstärkung oder Abschwächung. Aus diesen Interferenzeffekten resultiert eine gerichtete Terahertzemission. Aufgrund der unterschiedlichen Entstehungsmechanismen der beiden Stromkomponenten lässt sich das Interferenzfeld und somit die Richtung der Emission kontrollieren. Denn die Flussrichtung des zur Oberfläche parallelen Stroms lässt sich durch eine Veränderung der Polarisation des Laserpulses umkehren. 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 Quelle ändert ihre Abstrahlrichtung.
In ersten Experimenten wurde eine Richtungsänderung der maximalen Terahertz-Feldstärke von bis zu acht Grad gemessen. Der Ablenkungswinkel hing dabei von unterschiedlichen Anregungsparametern ab und konnte gezielt eingestellt werden. Über ein theoretisches Modell konnten die Forscher die dominierenden Einflussfaktoren genauer bestimmen und Optimierungsmöglichkeiten untersuchen. So kann der maximale Ablenkwinkel beispielsweise durch andere Halbleitermaterialsysteme, spezielle Siliziumlinsen oder externe Magnetfelder vergrößert werden.
PTB / DE
