Bildgebende THz-Detektion unter Verwendung eines Punktdetektors und Compressive Sensing
Bildgebende Verfahren sind von besonderem Interesse im THz-Spektralbereich, da THz-Strahlung in der Lage ist, die meisten Materialien zu durchdringen. Beispielsweise wurden THz-Scanner entwickelt, mit denen das Durchleuchten von Briefen u.ä. möglich ist. Jedoch basieren die bisherigen Scanner auf 1D-THz-Quellen und Detektoren. Die Probe wird durch den THz-Focus geschoben. Solche Verfahren sind sehr zeitaufwendig und erfordern kostspielige Mikropositionierungsausrüstung.
Basierend auf der Idee des Compressive Sensing, was mit dem JPEG-Verfahren vergleichbar ist, ist es möglich, Bilder aus wenigen statisch aufgenommenen Punkten zu errechnen. Es ist hierbei weder nötig die Probe noch den Detektor zu verschieben.
Im Rahmen dieser Diplomarbeit soll ein Compressive-Sensing-THz-Detektor realisiert werden und erste Bilder aufgenommen werden.
Abb. 7: Schematische Erklärung des Compressive Sensing im sichtbaren Spektralbereich [Wakin et al., Proc. Picture Coding Symposium, PCS (2006)]
Die Arbeit umfasst:
- Aufbau eines THz-CS-Detektors
- Implementierung der CS-Algorithmen
- Charakterisierung des Aufbaus
Ansprechpartner:
Prof. Marco Rahm
rahm(at)eit.uni-kl.de
Impedanz-angepasste elektro-optische THz-Detektion
Eines der gängigen Nachweisverfahren für Terahertz-Strahlung basiert auf dem Pockels-Effekt in elektrooptischen Kristallen. Dieser Effekt ist phasen- und amplitudensensitiv und kann daher dazu verwendet werden, den zeitlichen Verlauf der elektromagnetischen Strahlung im THz-Spektralbereich nachzuweisen.
Leider kommt es bei der Verwendung dieser Kristalle infolge der Fresnel-Reflexion zu Verlusten beim Übergang Luft-Kristall und was noch deutlich schädlicher ist, zu einem Etalon-Effekt. Diese Hin- und Her-Reflexionen sorgen für eine periodische Modulation im gemessenen THz-Spektrum. Ziel dieser Arbeit ist es, eine dünne THz-Antireflexschicht auf einen EOS-Kristall aufzubringen um somit den Etalon-Effekt zu unterdrücken. Des Weiteren soll auf diesen Kristall ein dielektrischer Spiegel aufgebracht werden.
Die für den Detektor-Kristall entwickelten Schichten sollen in einem zweiten Schritt auf einen Metamaterial-basierten Oberflächen-Wellenleiter aufgebracht werden.
Abb. 8: a) Etalon-Effekt in einer typischen EOS-Messung b) und daraus resultierendes Spektrum [J. Neu, Diplomarbeit TU KL (2010)]. c) Veringerung des zweiten Reflexes durch eine Impedanz-Anpassungs-Schicht. [Kröll et al., Electronic Letters 40, 763 (2004)]
Die Arbeit umfasst:
- Bestimmung von Sputter-Parametern (NSC)
- Simulation und Design der AR- und HR-Schichten
- Fertigung eines EOS-Detektorkristalls auf ZnTe (NSC)
- Aufbau eines THz-TDS-Messplatzes
- Design eines Impedanz-angepassten MM-Wellenleiters
Ansprechpartner:
Prof. Marco Rahm
rahm(at)eit.uni-kl.de
Aufbau eines THz-TDS-Messplatzes nach dem ASOPS-Prinzip mit flexibel justierbarer THz-Fokusposition
Ein bereits bestehender THz-TDS (Time Domain Spectroscopy) Messplatz soll so umgebaut werden, dass der THz-Strahlengang mehr Flexibilität für die Vermessung von Wellenleitern bietet. In diesem Rahmen sollen verschiedene THz-Quellen und Detektoren verglichen werden.
Der Messplatz arbeitet nach dem Prinzip des „Asynchronous Optical Sampling“ (ASOPS), wodurch die sehr kurzen THz-Pulse besonders schnell detektiert werden können. Diese werden von zwei Lasern mit definierter Differenzfrequenz im Pump-Probe-Verfahren abgetastet. Der THz-Strahlengang soll so umgebaut werden, dass durch die Verwendung geeigneter Linsen variable Fokuspositionen eingestellt werden können.
Abb. 9: a) Zwei Ti-Sa fs-Laser werden mit definierter Differenzfrequenz zur Erzeugung und Detektion der THz-Strahlung verwendet. b) Prinzip der Pulsab-tastung nach dem ASOPS-Verfahren [Gigaoptics manual]
Die Arbeit umfasst:
- Umbau mit neuen THz-Komponenten
- Justage auf optimale Performance
- Charakterisierung des neuen Strahlengangs
- Inbetriebnahme und evtl. Optimierung der zum Messplatz gehörenden hoch präzisen Positioniermechanik für Imaging-Anwendungen
- Vermessung einiger Wellenleiterproben
Ansprechpartner:
Prof. Marco Rahm
rahm(at)eit.uni-kl.de
Terahertz-Imaging Messplatz mit Frequenzmultiplexverfahren
Terahertz-Bildgebung ist von großem Interesse, da damit beispielsweise metallische Gegenstände unter Kleidung oder in Verpackungen sichtbar gemacht werden können. Die meisten Bildgebungsverfahren basieren auf Rastermessungen mit jeweils nur einem Pixel. Diese Verfahren sind teuer und konsumieren viel Zeit, wodurch die meisten vielversprechenden Anwendungsgebiete nicht erschlossen werden können.
Wenn keine Frequenzinformation gebraucht wird, können Ortsinformationen in Frequenzinformationen überführt werden, zum Beispiel mit einem Beugungsgitter. Somit müssen weder Probe noch Detektor verschoben werden und die beanspruchte Datenerfassungszeit kann deutlich reduziert werden.
Im Rahmen dieser Arbeit soll ein Terahertz-Imaging Messplatz mit einem solchen Frequenzmultiplexverfahren aufgebaut werden.
Die Arbeit umfasst:
- Aufbau des Messplatzes
- Charaktersierung des Messplatzes
- Erstellen von Auswertesoftware
Ansprechpartner:
Prof. Marco Rahm
rahm(at)eit.uni-kl.de
Single Shot Detektion
Die meisten kohärenten Terahertz-Detektoren basieren auf dem zeitlichen Abtasten des Terahertz-Signals. Dazu sind mechanische Verschiebestrecken notwendig, was wiederum die Datenerfassungsrate drastisch senkt.
Überlagert man den Terahertz-Impuls mit einem zeitlich gestreckten, gechirpten Infrarot-Impuls, so wird die zeitliche Information aus dem Terahertz-Impuls in eine Frequenzinformation im IR-Impuls überführt.
Mit Hilfe eines Spektrometers kann diese analysiert werden und so der gesamte Terahertz-Impuls mit einem Schuss (Single Shot) gemessen werden.
Im Rahmen dieser Arbeit soll ein Single-Shot Terahertz-Detektor entworfen und aufgebaut werden.
Die Arbeit umfasst:
- Entwurf des Detektors
- Aufbau des Single-Shot THz-Detektors
- Charakterisierung des Aufbaus
Ansprechpartner:
Prof. Marco Rahm
rahm(at)eit.uni-kl.de
Große Mikrospiegel
Um Licht räumlich zu modulieren werden Mikrospiegel-Arrays verwendet, beispielsweise in Beamern. Diese Spiegel haben Abmessungen von ca. 10 μm. Zur Modulation von Terahertz-Strahlung sind diese zu klein, da dort die Wellenlängen im Bereich von ca. 100μm - 1mm liegen. Deshalb sollen größere Mikrospiegel entwickelt werden.
Im Rahmen dieser Arbeit sollen solche Spiegelarrays entworfen werden.
Die Spiegelarrays sollen im Reinraum hergestellt und dann am Terahertz-Messplatz charakterisiert werden.
Die Arbeit umfasst:
- Design des Spiegel-Arrays
- Erlernen der Prozessierungsschritte zur Herstellung (NSC)
- Herstellung des Spiegel-Arrays
- Charakterisierung des Spiegel-Arrays
Ansprechpartner:
Prof. Marco Rahm
rahm(at)eit.uni-kl.de