30.03.2020 • Quantenoptik / Photonik

Schichtdicken per Quanteninterferenz messen

Fortschritte bei der Quantensensorik im Terahertz-Bereich.

Forschern der TU Kaiserslautern und des Fraunhofer-Instituts für Techno- und Wirtschaftsmathematik gelang erstmals die Schichtdickenmessung mittels Terahertz-Quanteninterferenz. Das Leitprojekt QUILT der Fraunhofer-Institute befasst sich unter anderem mit der Detektion von Terahertz-Wellen auf Basis neuer quantenoptischer Methoden. QUILT steht für „Quantum Methods for Advanced Imaging Solutions“ und bildet für mehrere Fraunhofer-Institute die Grundlage, gemeinsam quantenbasierte Messsysteme in verschiedenen Spektralbereichen zu entwickeln und weiterzuentwickeln. Am Fraunhofer-ITWM werden die Eigenschaften verschränkter Photonen im noch jungen Forschungsgebiet der Quantensensorik genutzt.

Abb.: Experimenteller Aufbau zur quantenoptischen Schichtdickenmessung im... — Abb.: Experimenteller Aufbau zur quantenoptischen Schichtdickenmessung im Terahertz-Spektralbereich durch Messen sichtbarer Photonen. (Bild: Fh.-ITWM)

„Trotz der stetigen Weiterentwicklung der Terahertz-Technologie in den letzten Jahren ist das Aufnehmen eines Bildes in diesem Spektralbereich weiterhin eine große technische Herausforderung“, so Georg von Freymann von der TU Kaiserslautern und dem Fraunhofer-ITWM. „Im Gegensatz dazu sind heutzutage selbst Kameras in Smartphones oder PCs hochentwickelt und bieten hohe Auflösung sowie Detektionseffizienz bei moderaten Kosten.“ Abhilfe kann hier ein neues Messverfahren schaffen: Mithilfe quantenoptischer Methoden lassen sich die Eigenschaften von Photonen im Terahertz-Spektralbereich auf leichter zu detektierende sichtbare Photonen übertragen, sodass sich Informationen über die Terahertz-Photonen leichter auswerten lassen.

Im vorangegangenen Jahr haben von Freymann und sein Team die Grundlagen für das zu realisierende Messprinzip geschaffen, jetzt konnten die Forscher Quanteninterferenz im Terahertz-Spektralbereich mithilfe sichtbarer Photonen beobachten. Es gelang hierbei erstmals, die Terahertz-Wellen auch für Experimente an externen Proben zugänglich zu machen. Dabei profitierten die Experimente auch von der Zuarbeit theoretischer Physiker des Fraunhofer-ITWM. Die Ergebnisse der Simulationen zeigen eine sehr gute Übereinstimmung mit dem Experiment.

Damit war es möglich, die Schichtdicke verschiedener Proben, die nur mit den Terahertz-Wellen interagieren, durch die Detektion von sichtbarem Licht zu bestimmen. Hierbei handelt es sich weltweit um die ersten Untersuchungen dieser Art.

TU Kaiserslautern / RK