THz-Mikroskopie mit supraleitenden Josephson-Cantilevern und optisch gepumptem Ferninfrarot- Gaslasersystem

Brendel, Christian

In dieser Arbeit wurde die Einkopplung von Fern-Infrarot-Strahlung (FIR-Strahlung) in supraleitende Josephson-Kontakte untersucht. Diese sind nicht nur extrem empfindliche Detektoren für elektromagnetische Strahlung, sondern auch extrem empfindliche Detektoren für quasistatische Magnetfelder. Verschiedene Antennen wurden simuliert und gebaut, um die Strahlungsleistung optimal in die Josephson-Kontakte einzukoppeln.Es wurden Korngrenzenkontakte aus dem Hochtemperatursupraleiter YBa2Cu3O7 verwendet, die für diese Arbeit hergestellt wurden. Sie sind nur einige _m breit und wurden bis auf eine Temperatur von 35 K gekühlt. Jeweils zwei solcher Kontakte befinden sich auf einem Cantilever, der daher Josephson-Cantilever genannt wird. Durch eine Verfahrmechanik im THz-Mikroskop ist der Josephson-Cantilever in dem Messvolumen in einer magnetischen Abschirmung verfahrbar. Das THz-Mikroskop selbst entstand in zwei vorhergehenden Dissertationen und wurde für die Messungen umgebaut, verbessert und für FIR-Messungen erweitert. Als Strahlungsquelle wurde ein optisch gepumptes FIR-Gaslasersystem aufgebaut, das von einem CO2-Laser gepumpt wurde. Für die beiden Laser wurden Regelkreise aufgebaut, um die Ausgangsleistung von einigen mW im Frequenzbereich von 462 GHz bis 7104 GHz zu stabilisieren. Ein quasioptisches Linsensystem mit Kunststofflinsen wurde entwickelt, gebaut und untersucht, um die Strahlleistung vom FIR-Lasersystem in das Messvolumen im THz- Mikroskop zu übertragen. So konnten die gaußförmigen Strahleigenschaften der Laserstrahlung bei der Übertragung erhalten werden. Auch die Strahlungsübertragung mit einem überdimensionierten, metallischen, runden Wellenleiter wurde untersucht. Im Messvolumen konnten die Strahlung selbst und angestrahlte Proben im FIRBereich untersucht werden. Durch die schichtweise Aufnahme der Detektormessdaten im Messvolumen konnte ein dreidimensionaler Überblick über die Leistungsverteilung der Strahlung — im Nah- und im Fernfeld — gewonnen werden. Durch eine Kalibrierung ist es möglich zu bestimmen, wie viel Leistung eine Antenne in den Freiraum abstrahlt. Auch magnetische Proben wurden untersucht. Verschiedene Ursachen der Auflösungsbegrenzung des THz-Mikroskops werden diskutiert.

This thesis deals with the analysis of far-infrared radiation (FIR radiation) coupled into superconducting Josephson junctions, the latter ones being extremely sensitive detectors of electro-magnetic radiation as well as of quasi-static magnetic fields. Different antennas were simulated and built to couple radiation into the Josephson junctions in an optimal way. Grain boundary junctions of the high-temperature superconductor YBa2Cu3O7 developed for this thesis were used. They have a width of only a few _m and were cooled down to a temperature of 35 K. There are two such junctions on a cantilever, which is therefore called Josephson cantilever. A micro-positioning system of the THz microscope can move the Josephson cantilever in the measurement volume inside a magnetic shield. The THz microscope had been developed in line with two earlier theses; it was modified and improved for the measurements and can also be used for FIR measurements. An optically pumped FIR gas laser system was set up as radiation source, pumped by a CO2-laser. Control loops were set up for both lasers to stabilise the output power of only a few mW in a frequency range between 462 GHz and 7104 GHz. A quasi-optical system with plastic lenses was developed, set up and analysed to transmit the radiation power from the FIR laser system to the measurement volume of the THz microscope. Thus, the Gaussian beam characteristics of the laser radiation were not lost in the transmission. Radiation transmission using an oversized round metal waveguide was also analysed. In the measurement volume, radiation and illuminated samples in the FIR range were analysed. The detector measurement data was recorded in layers in the measurement volume, resulting in a three-dimensional overview of the radiation power distribution in the near and far field. Calibration allows the determination of the power an antenna emits to the free space. Magnetic samples were also analysed. Different reasons why the THz microscope resolution is limited will be discussed.

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Brendel, Christian: THz-Mikroskopie mit supraleitenden Josephson-Cantilevern und optisch gepumptem Ferninfrarot- Gaslasersystem. 2011.

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