Forschung & Entwicklung

Quantenoptische Terahertzmessung von Schichtdicken

Aufnahmen von Bildern im Terahertzspektrum sind technisch schwierig. Mit einer quantenoptischen Methode kann die Bildinformation auf sichtbare Photonen übertragen werden.

Quilt steht für ‚Quantum Methods for Advanced Imaging Solutions‘ und bildet für mehrere Fraunhofer-Institute die Grundlage, gemeinsam quantenbasierte Messsysteme in verschiedenen Spektralbereichen (weiter) zu entwickeln.

Das Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM nutzt die Eigenschaften verschränkter Photonen im noch jungen Forschungsgebiet der Quantensensorik. „Trotz der stetigen Weiterentwicklung der Terahertztechnologie in den letzten Jahren ist das Aufnehmen eines Bildes in diesem Spektralbereich weiterhin eine große technische Herausforderung“, sagt der Experimentalphysiker Professor Georg von Freymann, Leiter der Abteilung Materialcharakterisierung und -prüfung des Fraunhofer ITWM. Im Gegensatz dazu seien heutzutage selbst Kameras in Smartphones oder PCs mit hoher Auflösung sowie Detektionseffizienz hochentwickelt.

Abhilfe kann hier ein neues Messverfahren schaffen: Mithilfe quantenoptischer Methoden lassen sich die Eigenschaften von Photonen im Terahertzspektralbereich auf leichter zu detektierende sichtbare Photonen übertragen. Diese haben den Vorteil, dass hochentwickelte Detektoren genutzt werden können, um die über die Terahertzphotonen erhaltene Informationen auszuwerten.

„Im vorangegangenen Jahr haben wir die Grundlagen für das zu realisierende Messprinzip geschaffen, jetzt konnten wir Quanteninterferenz im Terahertzspektralbereich mithilfe sichtbarer Photonen beobachten“, sagt Björn Haase. Es gelang den Forschern erstmals, die Terahertzwellen auch für Experimente an externen Proben zugänglich zu machen. Dabei profitierten die Experimente auch von der Zuarbeit der theoretischen Physik aus der Abteilung Optimierung. Ergebnisse aus Simulationen zeigen eine sehr gute Übereinstimmung mit dem Experiment.

Damit war es möglich, die Schichtdicke verschiedener Proben (zum Beispiel Teflonplatten mit weniger als 5 mm Dicke), die nur mit den Terahertzwellen interagieren, durch die Detektion von sichtbarem Licht zu bestimmen.

Durch die Proben im Strahlengang ändert sich die optische Weglänge und die beobachtete Interferenz verschiebt sich entsprechend. Die mit dieser Methode ermittelten Ergebnisse stimmen sehr gut mit den mechanisch gemessenen Dicken überein. Man bezeichnet diese Messmethode auch als Messung mit undetektierten Photonen, da nur die sichtbaren Photonen von der Kamera detektiert werden, während die mit der Probe interagierenden Terahertzphotonen nicht aufgezeichnet werden.

In einem nicht linearen Kristall werden miteinander korrelierte Photonenpaare erzeugt, die zwischenzeitlich unterschiedliche Wege durchlaufen. Durch eine geschickte nachträgliche Überlagerung dieser Einzelpartner kann man durch das Messen eines der Photonen Informationen über das jeweilig andere erhalten. Da hierbei die Partner eine unterschiedliche Frequenz haben können, ist man in der Lage, sichtbares Licht zu detektieren und damit Informationen zu erhalten, beispielsweise aus dem Terahertzbereich. Da es im Terahertzbereich bisher nur technisch aufwendige Detektoren gibt, ist dieser Umweg im Hinblick auf bildgebende Verfahren vielversprechend.

von mn

www.itwm.fraunhofer.de

www.uni-kl.de

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