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Optically steerable terahertz source

Selected optical excitation of electron flows in semiconductors allows the controlled spatial orientation of electromagnetic radiation

27.06.2013

Electromagnetic radiation in the terahertz (THz) frequency range has become established as an important tool in a large number of industrial, scientific and technical fields in the last few years. The controlled steering of the emission direction of the THz radiation is necessary for some applications. To date this has been realized, for instance, through the mechanical movement of either the THz source or the device under test. As mechanical movement can however have negative effects on the speed, reliability and stability of the applications, the discovery made at the Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) is proving to be a significant improvement: the generation of THz fields whose emission direction can only be influenced by the polarization properties of the laser light used for the generation of the THz radiation. The researchers' results have been published in the current issue of the renowned specialist journal "Applied Physics Letters".

Gezielte Laseranregung von Galliumarsenid (GaAs) führt zu unterschiedlichen Stromflüssen (JP, JS) im Halbleiter. Die damit einhergehenden abgestrahlten elektromagnetischen Felder überlagern sich, das Gesamtfeld ESum breitet sich unter einem Winkel Θ zur Oberflächennormalen aus. Über eine Änderung der Polarisation des Anregungslasers lässt sich die Richtung des Stroms Jp umkehren und damit der Abstrahlwinkel des Gesamtfeldes ändern.

Durch Veränderung der Polarisation des Anregungslasers (Unterschied zwischen roten und blauen Daten) verschiebt sich die Lage der maximalen THz-Amplitude um 8°.

Körperscanner, industrielle Fertigungsüberwachung, spektroskopische Sicherheitsprüfungen von Postsendungen oder zukünftige Kommunikationstechniken sind nur eine Auswahl von Anwendungsfeldern, die relative Bewegungen von THz-Quellen, THz-Detektoren oder Proben zueinander als zugrundeliegendes Funktionsprinzip voraussetzen. Hierbei kommen oftmals gepulste THz-Felder zum Einsatz, die sich durch Anregung von Halbleitern wie Galliumarsenid (GaAs) mittels gepulster Laserstrahlen erzeugen lassen. Für diesen Prozess werden Halbleitereigenschaften ausgenutzt, die aufgrund der optischen Anregung eine gerichtete Elektronenbewegung, d.h. einen Stromfluss bewirken. Diese sehr schnelle Bewegung der Elektronen führt zur Abstrahlung von elektromagnetischen Feldern im THz-Frequenzbereich.

Die Arbeiten der PTB-Forscher zeigen, dass räumlich lenkbare THz-Felder durch die Anregung unterschiedlicher Stromflussrichtungen im Halbleiter generiert werden können. In ihren Experimenten erzeugten die Wissenschaftler mithilfe ultrakurzer Laserpulse zwei unterschiedliche Ströme, die parallel bzw. senkrecht zur Oberfläche des Halbleiters fließen. Die von beiden Strömen abgestrahlten THz-Felder bilden aufgrund ihrer Polarisationseigenschaften Bereiche der gegenseitigen Verstärkung oder Abschwächung. Aus diesen Interferenzeffekten resultiert eine gerichtete THz-Emission. Aufgrund der unterschiedlichen Entstehungsmechanismen der beiden Stromkomponenten kann das Interferenzfeld und somit die Richtung der THz-Emission kontrolliert werden. Hierbei kommt zum Tragen, dass sich die Flussrichtung des zur Oberfläche parallelen Stroms durch eine Veränderung der Polarisation des Laserpulses umkehren lässt. Die senkrechte Stromkomponente hingegen ist nicht polarisationsabhängig, ihre Flussrichtung bleibt unverändert. Auf diese Weise kehren sich die Bereiche der Verstärkung und der Abschwächung der elektromagnetischen Felder um; die THz-Quelle ändert ihre Abstrahlrichtung.

In ersten Experimenten wurde eine Richtungsänderung der maximalen THz-Feldstärke von bis zu 8° gemessen. Der Ablenkungswinkel hing dabei von unterschiedlichen Anregungsparametern ab und konnte gezielt eingestellt werden. Über ein theoretisches Modell ließen sich die dominierenden Einflussfaktoren genauer bestimmen und Optimierungsmöglichkeiten untersuchen. So kann der maximale Ablenkwinkel beispielsweise durch andere Halbleitermaterialsysteme, spezielle Siliziumlinsen oder externe Magnetfelder vergrößert werden.