Entwicklung eines optischen Nahfeld-Spektrometers im Terahertz-Bereich

Abstract

Die Untersuchung von neuartigen Materialien in der Festkörperphysik, wie etwa elektronisch hochkorrelierten Systemen, verlangt Messungen in den niederenergetischen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums. Leider ist jedoch die räumliche Auflösung eines Spektrometers im allgemeinen auf die Wellenlänge der benutzten Strahlung, in diesem Bereich auf 5 mm bis 0.1 mm, beschränkt. Auf der anderen Seite ist die Zucht von so großen Einkristallen aus diesen exotischen Materialien oftmals nicht möglich. Um dieses Problem zu umgehen, wurde ein Nahfeldspektrometer entwickelt, das eine hohe räumliche Auflösung von bis zu 1 µm mit dem großen Frequenzbereich von 30 GHz bis 1.5 THz vereinigt. Zur Abstandsmessung zwischen Probe und Blende sowie zur Probeninspektion wurde ein konfokales Mikroskop integriert. Desweiteren erlaubt ein optischer Kryostat Messungen bis zu 4 K.

Today several modern areas of condensed matter physics like electronically correlated systems call for investigations in the low energy range of the electromagnetic spectrum. Unfortunately the spatial resolution is generally restricted by Abbe's diffraction limit, which in this frequency range is as large as 5 mm to 0.1 mm. On the other hand the growth of large crystals of these exotic materials is rather difficult, thus it is not always possible to grow monocrystalline areas with dimensions larger than the wavelength. To overcome this problem, we have designed a near-field spectrometer which combines a high spatial resolution of up to 1 µm with a large frequency range from 30 GHz to 1.5 THz. To control the distance between sample and pinhole and to examine the sample area in situ we use an image-processing confocal microscope. Furthermore the whole near field unit is incorporated in an optical cryostat, which allows temperature dependent measurements in the range from 4 K to 400 K.