Terahertz mit Glasfaser

Physik Journal – Ein Terahertzwellen-System besteht die industrielle Reifeprüfung.

Messverfahren mit THz-Wellen erreichen mittlerweile einen Reifegrad, der sie für industrielle Anwendungen interessant macht. Entscheidend dafür ist, dass die Systeme kleiner und unempfindlicher gegen Störungen werden. THz-Wellen eignen sich prinzipiell sowohl für die zerstörungsfreie Materialprüfung als auch für die Personenkontrolle am Flughafen. Viele Stoffe sind für diese Wellen, die im elektromagnetischen Spektrum zwischen Infrarot und Mikrowellen liegen, transparent – eine Ausnahme bilden elektrische Leiter.

Joachim Jonuscheit und seine Kollegen vom Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik (IPM) am Standort Kaiserslautern haben nun ein THz-System entwickelt, mit dem sich z. B. dünne Schichten in Transmission oder Reflexion messen lassen. Das System ist unempfindlich gegen Erschütterungen und lässt sich schnell umkonfigurieren. Bisherige THz-Spektroskope standen dagegen auf metergroßen optischen Tischen, erforderten viel Justagearbeit und ließen sich daher nicht in Fabrikhallen einsetzen.

Abb.: Dank Glasfasern lässt sich das THz-System des IPM, hier in Reflexionsanordnung zu sehen, flexibel aufbauen. (Quelle: Fraunhofer IPM)

Die Forscher erzeugen die THz-Wellen mit einem fs-Laser, der eine Wellenlänge um 800 nm hat. Bei bisherigen Aufbauten lief der gepulste Laserstrahl über diskrete Optiken frei durch den Raum, bevor er auf einen Halbleiter wie Galliumarsenid traf. Dort, im Sender, regt das Laserlicht Elektronen an, die dann – beschleunigt durch ein elektrisches Feld – die THz-Wellen ausstrahlen. Ein nach demselben Prinzip arbeitender Empfänger erfasst die Signale. Sender und Empfänger sind so groß wie Getränkedosen.

Die Fraunhofer-Wissenschaftler haben die diskrete Optik durch Glasfasern ersetzt, die leider meist für Anwendungen in der Telekommunikation spezifiziert sind, also für Laserlicht mit 1,5 μm Wellenlänge sowie breitere Pulse und geringere Spitzenleistungen. Um die Dispersion der Glasfaser auszugleichen, wählten die Forscher ein Produkt aus, das möglichst wenige Nichtlinearitäten zeigt. Die linearen Dispersionsanteile der Faser kompensierten sie mit einem vorgeschalteten Pulsstrecker. Dabei handelt es sich im Kern um zwei Gitter, die dem Laserstrahl ein Dispersionsprofil aufprägen, das dem der Glasfaser genau entgegengesetzt ist. Das Laserlicht wird anschließend in die Glasfaser eingekoppelt und in zwei Teilstrahlen zerlegt, sodass ein Strahl zum Sender läuft und der andere zum Empfänger. Eine Verzögerungsstrecke im Empfängerarm sorgt dafür, dass der Detektor den im ps-Bereich liegenden THz-Puls zeitlich abtasten kann. Der erreichbare Abstand zwischen Laser und Sender beziehungsweise Empfänger ist durch die Kombination aus Glasfaser und Pulsstrecker bestimmt, prinzipiell kann sie sogar im dreistelligen Meterbereich liegen.

Michael Vogel

Quelle: Physik Journal, April 2008, S. 15

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  F. Ellrich et al., Technisches Messen 75, 14 (2008).