Ultra-High Repetition Rate Terahertz Time-Domain Spectroscopy
Photonic terahertz time-domain spectroscopy (THz-TDS) systems with semiconductor emitters and detectors are the work horses in terahertz labs around the world. They cover a bandwidth of several terahertz, and their coherent detection scheme allows them to achieve a peak dynamic range in excess of 100 dB or spectral update rates in the kilohertz range. However, they have yet failed to make a widespread transition out of the lab and into the field. One of the main reasons for this is the high cost and relative bulkiness of the femtosecond fiber laser that is at the heart of state-of-the-art THz-TDS systems. These can be shrunk to about shoebox size but show little potential for further size reduction. Moreover, due to the high complexity and technological heterogeneity, the system price can be expected to remain in the order of tens of thousands of euros.
Possible solutions include replacing the fiber laser with a suitable monolithic light source. Particularly promising candidates are monolithic mode-locked laser diodes (MLLDs). These are electrically pumped and conveniently emit sub-picosecond pulses in the 1550 nm telecom band. Since MLLDs exhibit significantly higher pulse repetition rates – typically several ten gigahertz – than fiber lasers, this concept is called “ultra-high repetition rate terahertz time-domain spectroscopy” (UHRR-THz-TDS). This thesis makes a significant contribution to allowing this approach to reach its full potential.
As a prerequisite for any further developments, the concept is placed in the context of photonic terahertz spectroscopy systems, and a simple system-theoretical model of an UHRR-THz-TDS system is developed. Based on this model, important properties of the concept – for example the quantitative influence of pulse chirp on the detected terahertz spectrum – are deducted.
Using these results, a novel model-driven approach for shaping the detected terahertz spectrum is developed, and numerical as well as experimental results are presented. Furthermore, an innovative interferometric solution for the precise reconstruction of the delay axis is demonstrated. This approach makes it possible to correct errors of the optical delay unit with minimal additional hardware effort, and it facilitates accurate and efficient processing of the measured data.
Finally, some of the fundamental challenges of wideband beam steering at terahertz frequencies are discussed. As a promising solution, a photonic quasi-true time delay (QTTD) beam steering approach using extremely short optical delay elements is presented. Using the QTTD approach, it is demonstrated that a non-uniform spatial distribution of the elements of a linear antenna array can provide a good trade-off between directivity, beam width, and side lobe level across a frequency range of one decade. By comparing numerically optimized element distributions with a distribution according to a Golomb ruler, it is then shown that a minimum-redundancy array is in many regards the best solution for wideband beam steering.
Photonische Terahertz-Zeitbereichsspektroskopiesysteme (engl.: terahertz time-domain spectroscopy systems, THz-TDS systems) mit Halbleiteremittern und -detektoren sind die Arbeitspferde in Terahertzlaboren weltweit. Sie haben eine Bandbreite von mehreren Terahertz und ihr kohärentes Detektionsverfahren erlaubt es ihnen, einen maximalen Dynamikbereich von mehr als 100 dB oder eine spektrale Aktualisierungsrate im Kilohertz-Bereich zu erreichen. Nichtsdestotrotz haben sie bis heute in der Breite den Übergang vom Labor in die industrielle Anwendung verpasst. Ausschlaggebend hierfür sind unter anderem die hohen Kosten und vergleichsweise großen Abmessungen des Femtosekunden-Faserlasers, der das Herzstück moderner Terahertz-Zeitbereichsspektroskopiesysteme bildet. Diese können ungefähr bis auf die Größe eines Schuhkartons geschrumpft werden, zeigen darüber hinaus jedoch kaum Möglichkeiten für eine weitere Größenreduktion. Zudem ist aufgrund der hohen Komplexität und technologischen Heterogenität davon auszugehen, dass der Systempreis im Bereich einiger Zehntausend Euro verharren wird.
Eine vielversprechende Lösung besteht darin, den Faserlaser durch eine geeignete monolithische Lichtquelle zu ersetzen. Besonders aussichtsreiche Kandidaten hierfür sind modengekoppelte Laserdioden. Diese sind elektrisch gepumpt und emittieren Pulse mit einer Länge von weniger als einer Pikosekunde im Telekommunikationsband um 1550 nm. Da monolithische modengekoppelte Laserdioden im Vergleich zu Faserlasern erheblich höhere Pulswiederholraten im Bereich einiger zehn Gigahertz aufweisen, trägt dieses Konzept den Namen „Terahertz-Zeitbereichsspektroskopie mit ultrahoher Wiederholrate“ (engl.: ultra-high repetition rate terahertz time-domain spectroscopy, UHRR-THz-TDS). Diese Arbeit leistet einen bedeutenden Beitrag dazu das volle Potenzial dieses Ansatzes auszuschöpfen.
Als Vorarbeit für alle weiteren Untersuchungen wird das Konzept zunächst in den Kontext photonischer Terahertz-Spektroskopiesysteme eingeordnet und ein einfaches systemtheoretisches Modell eines UHRR-THz-TDS-Systems entwickelt. Basierend auf diesem Modell werden einige wichtige Eigenschaften – beispielsweise der quantitative Einfluss eines gechirpten Pulses auf das detektierte Terahertzspektrum – abgeleitet.
Mit diesen Ergebnissen wird ein neuartiger modellunterstützter Ansatz zur Formung des detektierten Terahertzspektrums entwickelt und es werden einige numerische sowie experimentelle Ergebnisse präsentiert. Weiterhin wird ein innovatives interferometrisches Konzept zur präzisen Rekonstruktion der Verzögerungsachse demonstriert. Dieser Ansatz ermöglicht es, mit minimalem Hardwareaufwand Fehler der optischen Verzögerungseinheit zu korrigieren, und unterstützt dabei eine exakte und effiziente Verarbeitung der Messdaten.
Abschließend werden einige der grundlegenden Herausforderungen breitbandiger Strahlformung bei Terahertz-Frequenzen diskutiert. Als Lösungsansatz wird ein leistungsfähiges photonisches Strahlformungskonzept unter Verwendung von besonders kurzen optischen Verzögerungselementen vorgestellt. Mit diesem Ansatz wird gezeigt, dass eine ungleichmäßige räumliche Anordnung der Elemente einer linearen Gruppenantenne über einen Frequenzbereich von einer Dekade einen guten Kompromiss zwischen Direktivität, Strahlbreite und Nebenkeulenverhältnis bieten kann. Durch den Vergleich numerisch optimierter Antennenanordnungen mit einer Anordnung gemäß einem Golomb-Lineal wird gezeigt, dass eine Antennenanordnung mit minimaler Redundanz in vielerlei Hinsicht die beste Lösung für die breitbandige Strahlformung ist.