Universität zu Köln

Optimization of a continuous-wave THz spectrometer for coherent broadband solid-state spectroscopy

Schmitz, Holger (2012) Optimization of a continuous-wave THz spectrometer for coherent broadband solid-state spectroscopy. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    Within the scope of this thesis a novel continuous-wave terahertz spectrometer was set up and extended to fit the needs of solid-state spectroscopy. The system is based on mixing two near-infrared distributed feedback diode lasers, of which the beat signal can be tuned continuously from 0 to 1.8 THz. The laser beat is converted into THz radiation by a so-called photomixer, which efficiently generates THz radiation from 60 GHz to 1.8 THz. A second photomixer is used for the coherent detection of cw THz radiation. Due to the coherent detection, the phase information is preserved and the measured photocurrent is a product of the THz amplitude and phase. This allows for the determination of both, real and imaginary part of the complex optical functions without the need of Kramers-Kronig transformation. To separate the amplitude and phase information of the photocurrent an additional phase modulation has to be applied. This can be achieved by modulating the path-length difference at the receiver via a fiber stretcher for a fixed frequency. Conversely the frequency can be varied for a fixed path-length difference. For both techniques suitable methods to precisely extract amplitude and phase from the photocurrent are developed. Different possibilities to determine the complex optical functions from the measured transmittance and phase are presented. To improve the precision of the spectrometer, the stability and reliability of the critical values such as amplitude, phase, and frequency are investigated. As a part of the improvement of the phase stability, a whole new approach to correct for phase fluctuations is presented. For this purpose a third laser is implemented into the setup. Keeping two of the lasers at constant frequency and tuning the third one results in one stable and two tunable beat frequencies. The phase of the fixed frequency is recorded and used to correct phase fluctuations of the tunable beat frequencies. For measurements at low temperatures a cryostat is implemented into the setup. The beam profile and the polarization dependence of the emitter and receiver, respectively, are investigated and optical elements to generate a focused beam are designed and employed. To test the performance of the setup different solid-state samples are measured. Magnesium oxide is investigated using all different measurement modes. Their performance is discussed based on the results. The temperature dependence of the optical properties of Si are investigated, showing that very good results can be obtained down to lowest temperatures and frequencies while using a cryostat. As third sample alpha-lactose monohydrate is investigated which has the narrowest absorption line known for solid-state samples. Both resonance frequency and linewidth are determined very accurately removing doubts of previous measurements.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    Im Rahmen der vorliegenden Doktorarbeit wurde ein neuartiges CW THz Spektrometer aufgebaut und hinsichtlich der Ansprüche der Festkörperspektroskopie erweitert. Das System basiert auf der Überlagerung zweier nahinfraroter Distributed Feedback Laser, deren Schwebungsfrequenz kontinuierlich von 0 bis 1.8 THz variiert werden kann. Die Umwandlung der Schwebung in ein THz Signal geschieht mittels so genannter Photomischer, die effektiv THz Frequenzen zwischen 60 GHz und 1.8 THz generieren können. Ein zweiter Photomischer wird genutzt, um die THz Strahlung zu detektieren. Durch die kohärente Detektion bleibt die Phaseninformation erhalten und der gemessene Photostrom ist ein Produkt aus THz Amplitude und Phase. Dies ermöglicht es, den Real- und Imaginärteil der komplexen optischen Funktionen zu bestimmen ohne auf Kramers-Kronig Transformationen zurückgreifen zu müssen. Um die Amplituden- und Phaseninformation des Photostroms zu trennen, muss eine zusätzliche Phasenmodulation eingesetzt werden. Dies kann zum einen dadurch erreicht werden, dass der Weglängenunterschied am Detektor bei fester Frequenz mittels eines Faserstretchers variiert wird. Im Gegensatz dazu kann die Frequenz bei festem Weglängenunterschied variiert werden. Für beide Verfahren werden geeignete Methoden entwickelt, Amplituden- und Phaseninformation präzise aus dem Photostrom zu entnehmen. Verschiedene Möglichkeiten die komplexen optischen Funktionen aus der gemessenen Transmission und Phase zu bestimmen werden präsentiert. Um die Präzision des Spektrometers weiter zu verbessern wird die Stabilität kritischer Größen wie beispielsweise Amplitude, Phase und Frequenz untersucht. Im Zuge der Verbesserung der Phasenstabilität wird eine neuartiger Ansatz zur Korrektur von Phasenfluktuationen vorgestellt. Zu diesem Zweck wird ein dritter Laser in den Aufbau integriert. Werden zwei Laser bei konstanter Frequenz gehalten und nur die Frequenz des Dritten variiert, ergeben sich eine konstante und zwei variable Schwebungsfrequenzen. Die Phase der konstanten Schwebung wird aufgezeichnet und zur Korrektur von Phasenfluktuationen der anderen Schwebungsfrequenzen genutzt. Für Messungen bei tiefen Temperaturen wird ein Kryostat in den Aufbau integriert. Das Strahlprofil und die Polarisationsabhängigkeit von Sender bzw. Detektor werden untersucht und optische Elemente zur Fokussierung des Strahls werden entwickelt und eingesetzt. Zum Test der Leistungsfähigkeit des Spektrometers werden verschiedene Festkörper untersucht. Magnesiumoxid wird unter Verwendung aller Messmethoden untersucht und deren Leistungsfähigkeit anhand der Ergebnisse verglichen. Die Temperaturabhängigkeit der optischen Eigenschaften von Si wird untersucht und gezeigt, dass mit dem Kryostaten gute Ergebnisse bis hinunter zu tiefen Temperaturen und Frequenzen erzielt werden können. Als dritte Probe wird alpha-Lactose Monohydrat untersucht, welches die schmalste bekannte Absorptionslinie für Festkörper besitzt. Sowohl die Resonanzfrequenz als auch die Liniebreite werden sehr genau bestimmt und Unsicherheiten früherer Messungen ausgeräumt.German
    Creators:
    CreatorsEmail
    Schmitz, Holgerhschmitz@ph2.uni-koeln.de
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-46483
    Subjects: Physics
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    THz spectroscopy, Gaussian optics, data analysis, MgO, silicon, lactoseEnglish
    THz Spektroskopie, Gaußsche Optik, Datenanalyse, MgO, Silizium, LactoseGerman
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > II. Physikalisches Institut
    Language: English
    Date: 2012
    Date Type: Publication
    Date of oral exam: 03 April 2012
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 24 Apr 2012 09:05:47
    Referee
    NameAcademic Title
    Grüninger, MarkusProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/4648

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