Prismen-gekoppelte Terahertz Wellenleitersensoren

Oberflächen, die für interne Totalreflexion (engl.: total internal reflection, TIR) zeigen, dienen der effizienten Koppelung der Strahlung in Wellenleitern (engl.: wave-guide) mittels evaneszenten Wellen. Die Koppelung ist Frequenz auswählend und begrenzt des Spektrums durch die Moden des Wellenleiters. In erster Linie von der Dicke und der Phasenverschiebung über reflektierenden Wellenleiteroberflächen abhängend, kann das Verhalten von gekoppelten Frequenzen verwendet werden, um Adsorbate auf der Oberfläche zu detektieren. Durch das Messen der verursachten Verschiebung lassen sie sich sogar bestimmen. Somit erhält man einfache Sensoren für den Terahertz (THz) Bereich, die das Schema der abgeschwächten Totalreflexion (engl.: attenuated total reflection, ATR) in der Kombination mit einem Wellenleiter verwenden, die spezeill dazu entworfen und realisiert wurden, um dünne Schichten und adsorbierte Moleküle auf Oberflächen zu detektieren.

Die Bedingung für transversale Resonanz in einer symmetrischen Platte eines optischen Wellenleiters der Dicke d und des Brechungsindexes n ist:

mit: m - Laufzahl; Θ - innerer Einfallswinkel; Δφ_film - Differenz zwischen den beiden Werten der Phasenverschiebung, hervorgerufen durch die Strahlreflexion von der ein oder anderen Oberfläche. Für einen idealisierten symmetrischen Wellenleiter gilt Δφ_film = 0.

Ein einfacher Weg, den THz-Strahl in einen planaren Wellenleiter ein und aus zu koppeln, ist den Wellenleiter nah genug und parallel zur Oberfläche für TIR zu positionieren. Ein hoch-widerstandsfähiges Siliciumprisma mit 90° Spitzwinkel mit einem Hypotenusekante wird als TIR-Oberfläche und GaAs oder Halbleiter (engl.: wafer) als Wellenleiter in unseren Messungen verwendet. (Die Auswahl wird bedingt durch die beste THz-Strahldurchlässigkeit.) Ein Paar dünne Plastikplatzhalter hält den Wellenleiter in der gewünschten Distanz von der TIR-Oberfläche und parallel zu ihr. Der gesamte Sensor ist ein "plug-and-play" Modul, Dank zweier ebenen Aluminiumspiegeln, die verwendet werden, um den THz-Strahl zum Prisma senkrecht zur Eingangskante zu richten und nach dem Ausgang den Strahl weiter zum Detektor wieder zurückrichten.

Wenn eine dünne Flüssigkeitsschicht auf die auf die Oberfläche des Wellenleiters angebracht wird, ist die Symmetrie gestört, was zu einer zusätzlicher Phasenverschiebung Δφ_film führen kann. Letzteres folgt durch die Verschiebung der Frequenzmode ν, welche durch die obige Gleichung abgeleitet werden kann. Die Verschiebungen von ν können verursacht werden durch d oder Θ, aber nur die durch Δφ_film verursachten hängen nicht von der Zahl m ab und passen am besten für einen Sensor.

Das Schema eines Sensors kann verändert werden, so dass die Wellenleitermode direkt gemessen werden kann: eine gefaltete Blende aus Aluminiumfolie wird an dem Spitzwinkel des Prismas angebracht, um optisch den direkten Weg für den THz-Strahl durch das Prisma zu blockieren. Durch die Verwendung des Wellenleiters durchlaufen die angeregten Moden weiter und koppeln in das Prisma hinter der zentralen Linie der TIR zurück. Diese Wellen verlassen das Prisma außerhalb des blockierten Bereichs und bilden ein Spektrum von Emissionslinien der Modenfrequenzen, wenn sie detektiert werden.

Terahertz (THz), Wellenleiter (wave-guide), Prisma, innere Totalreflexion (TIR), THz-Strahl

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ZusammenfassungCopyright

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