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Detektornormal für Terahertz-Strahlung

Besonders interessant für:
  • Metrologieinstitute
  • Hersteller und Anwender von THz-Strahlungsquellen

Die weltweit erste Möglichkeit zur präzisen Kalibrierung der Leistungsempfindlichkeit von Detektoren für Terahertz(THz)-Strahlung wurde in der PTB mit einem neuartigen Detektornormal geschaffen, dessen spektrale Empfindlichkeit mit sichtbarem Laserlicht auf das Internationale Einheitensystem SI rückgeführt werden konnte. Dies gelang mit einer Standardmess-unsicherheit von kleiner als 2 % bei allen Emissionslinien eines Molekülgaslasers im Spektalbereich von 1 THz bis 5 THz.

THz-Strahlung hat Wellenlängen, die fast 1000-mal größer sind als die von sichtbarem Licht. Entsprechend stärker ist die Beugung der Strahlung, die sich somit im Vergleich zu sichtbarer Strahlung weniger gut fokussieren lässt. Die Apertur eines THz-Detektors muss deshalb groß genug sein, um die Strahlung komplett, d. h. ohne Beugungsverluste, zu erfassen. Auch die spektral variierende Absorption des Detektorabsorbers ist zu berücksichtigen.

Als Absorber und Detektionsmedium für das neue THz-Normal wurde daher ein eigens in optischer Qualität hergestelltes Grauglasplättchen in einem herkömmlichen Messinstrument für Laserstrahlungsleistung verwendet, das die genaue Bestimmung optischer Verluste erlaubt. Durch eine zusätzliche Verspiegelung der Rückseite mit einer dünnen Goldschicht ist die gerichtete Oberflächenreflexion der einzig bedeutsame Detektionsverlust, der genau gemessen werden konnte – und zwar im THz- und im sichtbaren Spektralbereich, wo die Absorption des Grauglases vergleichbar hoch ist. So konnte die spektrale Empfindlichkeit des THz-Detektors bei der Wellenlänge eines roten Helium-Neon-Lasers mit geringstmöglicher Unsicherheit auf das Internationale Einheitensystem SI rückgeführt und in das THz-Gebiet extrapoliert werden. Eine einheitliche THz-Skala ist wichtig für die Risikobewertung sich abzeichnender neuer Anwendungen der unsichtbaren und viele Stoffe durchdringenden THz-Strahlung, zum Beispiel in der Sicherheitstechnik oder der medizinischen Diagnostik, aber auch in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung.

Als erstes Metrologie-Institut kann die PTB nun THz-Detektoren kalibrieren. Diese Dienstleitung stieß sofort weltweit auf Interesse: Erste Kundenaufträge kamen aus Israel, USA, Frankreich und Kanada. Weitere Kunden in Japan, Russland und China wurden inzwischen von einem deutschen Detektorhersteller mit gemeinsam entwickelten THz-Detektoren bedient, die von der PTB kalibriert werden.

Ansprechpartner

Andreas Steiger
Fachbereich 7.3 Detektorradiometrie und Strahlungsthermometrie
Telefon: (030) 3481-7532
Opens window for sending emailandreas.steiger(at)ptb.de

Wissenschaftliche Veröffentlichung

R. Müller, W. Bohmeyer, M. Kehrt, K. Lange, C. Monte, A. Steiger: Novel detectors for traceable THz power measurements. Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves 35, 8, 659–670 (2014)