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Neue Technik zur Erzeugung und Messung ultrakurzer Spannungsimpulse

05.12.2007

Die PTB hat eine neue Technik entwickelt, die es ermöglicht, ultrakurze Spannungsimpulse mit Laserimpulsen der gleichen Wellenlänge im gleichen Material zu erzeugen und zu messen. Die Spannungsimpulse werden dabei durch Anregung von Urbach-Ausläufern unterhalb der Bandkante des Halbleitermaterials erzeugt und mittels des elektrooptischen Effekts des Halbleitermaterials detektiert. Die neue Technik vereinfacht bisherige Verfahren zur Erzeugung und Detektion ultrakurzer Spannungsimpulse deutlich.
Ultrakurze Spannungsimpulse werde heutzutage routinemäßig durch Anregung eines photoleitenden Schalters mit Femtosekunden-Laserimpulsen erzeugt. Die Laserimpulse haben dabei eine Photonenenergie, die über der Bandkante des Halbleitermaterials liegt, auf dem der photoleitende Schalter gefertigt wurde. Zum Nachweis der Spannungsimpulse werden am häufigsten optische Abtastverfahren mit externen elektrooptischen Probern verwendet. Allerdings sind solche Prober invasiv, das heißt sie verfälschen das zu messende Signal leicht. Die Spannungsimpulse können auch mittels des elektrooptischen Effekts des Halbleitermaterials gemessen werden, auf dem der photoleitende Schalter gefertigt wurde. Diese Technik hat den Vorteil nicht invasiv zu sein, aber sie erforderte bisher unterschiedliche Wellenlängen für den Anrege- und Abfragestrahl, da der Abfragestrahl nicht im Halbleitermaterial absorbiert werden darf. Um diese Limitierungen zu umgehen, hat die PTB ein neues Verfahren entwickelt, mit dem ultrakurze Spannungsimpulse mit Laserpulsen der gleichen Wellenlänge und im gleichen Material erzeugt und detektiert werden können. Zur Erzeugung der Spannungsimpulse werden Urbach-Ausläufer des GaAs Halbleitermaterials angeregt; die Messung der Spannungsimpulse erfolgt mittels des elektrooptischen Effekts im GaAs. Eine optimale Wellenlänge der Anrege- und Abfragestrahlen liegt bei 900 nm und damit bei einer Photonenenergie knapp unterhalb der Bandkante von GaAs. Durch einen speziellen experimentellen Aufbau konnte die Zeitauflösung der Abtasttechnik genau bestimmt werden. Die Impulsfunktion der Abtasttechnik hat eine Breite von 0,7 ps, so dass Frequenzen bis zu über einem Terahertz detektiert werden können.