Zusammenfassung
Heutzutage haben viele Detektoren und Quellen in vielen verschiedenen Regionen des elektromagnetischen Spektrums ihren Weg in unseren Alltag gefunden. Von Röntgenstrahlen in Sicherheitsanwendungen und der Medizin, über Kameras im sichtbarem Bereich bis einschließlich Infrarot in Bewegungsmeldern und Fernbedienungen. Noch langwelliger sind Radarwellen, die in Abstandssensoren und Datenübertragung genutzt werden bis zu Radiowellen, mit denen wir täglich Rundfunk übertragen. Wie angedeutet gibt es zwei Bereiche, die sich in der Art und Weise der Strahlungserzeugung unterscheiden lassen. Dabei gibt es keine scharfe Trennung zwischen der niedrigen Infrarotstrahlung und der hohen Radarwelle. Es ist vielmehr ein ganzer Bereich, den wir heute als terahertz (THz) Strahlung kennen. Wegen mangelnder sensitiver Detektoren und effizienten Quellen, hat die THz Frequenz noch nicht ihren Weg in Anwendungen unseres alltäglichen Lebens geschafft. Durch die Kombination der Eigenschaften angrenzender Frequenzbereiche, ist sie für viele Anwendungen interessant, was die THz-Strahlung und deren Abbildung ein aktives Forschungsgebiet macht.
Die vorliegende Arbeit thematisiert THz-Bildgebung unter der Benutzung eines THz Antennen gekoppelten Feldeffekttransistor (TeraFET) Detektors. Dieser wird auf zwei unterschiedliche neue Detektionsweisen genutzt. Der Erste beinhaltet einen gepulsten optischen parametrischen Oszillator (OPO) als THz Quelle deren Leistung detektiert wird. Die Quelle beruht auf einen nichtlinearen Effekt des Lithiumniobat Kristall um Frequenz einstellbare THz-Pulse aus einen Güteschalter Pumplasers zu generieren. Das THz Signal wird detektiert und von einem doppelten Operationsverstärker verstärkt um die Echtzeit ∼ 20 ns Pulse auf einem Oszilloskop darzustellen, wo ein Signal zu Rausch Verhältnis (SNR) von ∼ 25 zwischen 0.75 und 1.1 THz erreicht wird. Durch Rasterscannen wird eine Abbildung mit laterale Auflösung von 1.2 mm erzeugt. Außerdem wird an einer para-Aminobenzolsäure (PABA) Probe Spektroskopie mit einer Frequenzauflösung von 50 GHz demonstiert. Der zweite Aufbau macht von zwei elektrischen Vervielfacher-Quellen gebrauch, deren Austrittsstrahlung auf dem Detektor überlagert wird, um einen Heterodyndetektionsaufbau zu realisieren. Die Differenzfrequenz wird in einen Lock-in-Verstärker gespeist, der das sogenannte Beat-Signal des TeraFET Detectors verstärkt.

 Eine der Quellen muss relativ zum Detektor fixiert sein, um von dieser ein stabiles Signal zu gewährleisten. Diese Detektionsmethode erlaubt sowohl eine Amplituden als auch Phasen Erfassung für alle abgetasteten Positionen, was eine numerische Propagation des Lichtfeldes und Rekonstruktion des Objektes möglich macht. Eine der Haupteigenschaften ist die numerische Fokussierung, bei der man ≈ 2 mm in jeder Tiefenebene lateral auflösen kann.
Nach der Einleitung beschreibt das erste Kapitel den Aufbau, der die OPO THz Quelle beinhaltet und gibt einen Überblick über dessen wichtigste Komponenten einschließlich der bereits erwähnten THz Quelle, des Abgeschirmten Feldeffekttransistor und eines zwei Ebenen Verstärkers. Es zeigt sich, dass der Güteschalter des “Firefly-THz” ein elektrisches Feld mit hoher Intensität induziert, wovor Detektor und Verstärker abgeschirmt werden müssen. Die potentiellen Anwendungsbeispiele Bildgebung und Spektroskopie werden im Abschnitt der Messung nach den allgemeinen Befunden des Systems beleuchtet. Vor dem Fazit dieses Kapitels wird eine Rauschquellenbetrachtung durchgeführt und weitere Begleiteffekte des nichtlinearen Prozesses diskutiert. Kapitel drei führt zunächst in die Theorie der Fourier Optik über die Fourier Transform (FT) und die aus der Discrete Fourier Transform (DFT) resultierenden Fast Fourier Transform (FFT) ein. Dieser Ansatz wird für theoretische Überlegungen und die Implementierung eines Fourier Optik Skripts benutzt, das die Propagation von elektromagnetischen Feldern durch ein optisches System untersucht. Das vierte Kapitel über Fourier Optik präsentiert die Realisierung eines heterodyne THz Detektionsaufbaus. Bevor Messergebnisse präsentiert werden, wird die besondere Anordnung der zwei elektronischen Vervielfacher-Quellen zum Thema gemacht. Die Resultate sind sehr nahe an der analytischen Vorhersage, sodass die selben Algorithmen, die ein elektrisches Feld vom Objekt zur Fourier Ebene propagieren, dazu genutzt werden können die Felder aus den Messdaten zurück zum Objekt zu verfolgen. Da die Phase ein essenzieller Parameter ist, hat dessen Rauschen einen großen Einfluss auf die Rekonstruktionsqualität des Objektes. Abweichungen können mit Phasenrauschen unterschiedlicher Ursprünge begründet werden. Dies wird erörtert bevor der nächste Abschnitt die Ergebnisse von Simulation und Messung vergleicht und evaluiert. Das letzte Kapitel fasst die Befunde der Aufbauten gepulster THz Detektion mit Echtzeit Abbildungspotential und hetorodyn THz Fourier Bildgebung zusammen.