DE102010021476B4 - Method and device for absolute length and distance measurement with continuous, tunable THz radiation - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Messung von Längen und Abständen unter Verwendung von kontinuierlichen, kohärenten elektromagnetischen Wellen im Frequenzbereich 50 GHz bis 10 THz, dadurch gekennzeichnet, dass die zu messende Wegstrecke von einer solchen Welle durchlaufen wird, dass die Frequenz der Welle variiert wird, und dass die gesuchte Größe aus der Proportionalitätskonstanten bestimmt wird, die zwischen der Frequenzänderung und der Phasenlage der Welle nach ihrem Austritt aus der Wegstrecke besteht.Method for measuring lengths and distances using continuous, coherent electromagnetic waves in the frequency range 50 GHz to 10 THz, characterized in that the distance to be measured is traversed by such a wave that the frequency of the wave is varied, and that the desired Size is determined from the proportionality constant that exists between the frequency change and the phase position of the wave after it leaves the path.

Description

Einordnungclassification

Die Aufgabenstellung entspringt vorwiegend dem Bereich der THz-Technologie und der optischen Technologien sowie Absolut-Interferometrie.The task arises mainly from the field of THz technology and optical technologies as well as absolute interferometry.

Beschreibungdescription

Der Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung von Längen, Abständen oder Positionen (möglicherweise auch Materialdicken oder Brechzahlen von Medien) unter Verwendung von harmonischen elektromagnetischen Wellen im Frequenzbereich zwischen wenigen hundert und wenigen tausend Gigahertz („Terahertzstrahlung“).The object of the invention is a method and a device for measuring lengths, distances or positions (possibly also material thicknesses or refractive indices of media) using harmonic electromagnetic waves in the frequency range between a few hundred and a few thousand gigahertz (“terahertz radiation”).

Das Verfahren beruht auf dem Zusammenhang zwischen der Frequenz v der elektromagnetischen Welle und ihrer Phasenlage φ nach dem Durchlaufen der zu messenden Strecke bzw. des zu untersuchenden Gegenstandes oder Mediums. Dazu wird die Frequenz um einen gewissen, Frequenzhub genannten Betrag Δν verändert und die daraus resultierende Änderung der Phasenlage Δφ registriert. Bezeichnet D die geometrische Länge der durchlaufenen Strecke und n die Brechzahl des durchstrahlten Mediums, so besteht der folgende lineare Zusammenhang zwischen Frequenz- und Phasenänderung: Δφ= 2 π   Δ ν   n D / c 0

Figure DE102010021476B4_0001
(Darin bedeutet c0 die Lichtgeschwindigkeit).The method is based on the relationship between the frequency v of the electromagnetic wave and its phase position φ after passing through the distance to be measured or the object or medium to be examined. For this purpose, the frequency is changed by a certain amount Δν, called the frequency deviation, and the resulting change in the phase position Δφ is registered. If D denotes the geometric length of the path traveled and n the refractive index of the medium penetrated, there is the following linear relationship between frequency and phase change: Δφ = 2 π Δ ν n D. / c 0
Figure DE102010021476B4_0001
(Here, c 0 means the speed of light).

In dem zu schützenden Verfahren wird der Koeffizient 2πnD/c0 bestimmt, woraus bei Kenntnis von n die Größe D errechnet werden kann (ggf. auch umgekehrt).In the method to be protected, the coefficient 2πnD / c 0 is determined, from which, if n is known, the variable D can be calculated (possibly also vice versa).

Bei diesem Verfahren hat der Frequenzhub Δν den Charakter einer Maßstabsverkörperung. Wenn sich eine Kalibration nur schwer mit der erforderlichen Langzeitstabilität durchführen lässt, ist es vorteilhaft, Δν bei jeder Messung mit zu bestimmen. Insbesondere kann die Vorrichtung aus zwei gleichartigen Anordnungen bestehen, wobei in einer von beiden die Größe nD (ggf. nach einer Kalibration) bekannt ist. Bezeichnet man die beiden gleichartigen Anordnungen als Mess- und als Vergleichsanordnung, und bezeichnet die zur Vergleichsanordnung gehörigen Größen mit hochgestellten V, so ergibt sich analog zu der vorstehenden Gleichung in der Vergleichsanordnung eine Phasenänderung Δ φ V = 2 π Δν n V D V / c 0

Figure DE102010021476B4_0002
Und daraus n D = n V D V Δφ/Δ φ v .
Figure DE102010021476B4_0003
With this method, the frequency deviation Δν has the character of a scale embodiment. If a calibration is difficult to perform with the required long-term stability, it is advantageous to determine Δν with every measurement. In particular, the device can consist of two similar arrangements, the quantity nD being known in one of the two (possibly after a calibration). If the two similar arrangements are referred to as measuring and comparison arrangements, and if the variables belonging to the comparison arrangement are designated with superscript V, then a phase change results in the comparison arrangement analogous to the above equation Δ φ V = 2 π Δν n V D. V / c 0
Figure DE102010021476B4_0002
And it n D. = n V D. V Δφ / Δ φ v .
Figure DE102010021476B4_0003

Die Bestimmung von nD ist damit auf eine Verhältnisbildung zurückgeführt, wobei die optische Länge der Vergleichsstrecke nVDV nun als Maßstabsverkörperung dient.The determination of nD is thus attributed to a ratio formation, the optical length of the comparison distance n V D V now serving as a scale.

Die Proportionalität der Phasenänderung zu dem Koeffizienten 2πnD/c0 führt zu einer periodischen Signalform, deren Periode durch P=c0/(nD) gegeben ist. Wird die Frequenz um eine oder mehrere Periodenlängen P verstimmt, kann aus der ermittelten Signalperiode ebenfalls die optische Weglänge D bestimmt werden: nD = nVdV PV/P.The proportionality of the phase change to the coefficient 2πnD / c 0 leads to a periodic signal form whose period is given by P = c 0 / (nD). If the frequency is detuned by one or more period lengths P, the optical path length D can also be determined from the determined signal period: nD = n V d V P V / P.

Das auf Verhältnisbildung basierende Verfahren hat die vorteilhafte Eigenschaft, dass im Falle der exakten Baugleichheit beider Anordnungen alle systematischen Messfehler aus Symmetriegründen verschwinden müssen. Zudem ist eine Bestimmung der Brechzahlen n und nV für die Messung von D entbehrlich, falls die Mess- und die Vergleichsstrecke in demselben Medium verlaufen. Das Verhältnis n/nV liegt dann nahe 1 und ist insbesondere unempfindlich gegenüber Umwelteinflüssen.The method based on ratio formation has the advantageous property that if the two arrangements are exactly identical, all systematic measurement errors must disappear for reasons of symmetry. In addition, it is not necessary to determine the refractive indices n and n V for the measurement of D if the measurement and comparison sections run in the same medium. The ratio n / n V is then close to 1 and is particularly insensitive to environmental influences.

Eine Möglichkeit zur Erzeugung frequenzvariabler Terahertzstrahlung besteht darin, die Felder zweier kontinuierlich emittierender, frequenzverstimmbarer Laser zu überlagern und die entstehende Schwebung durch einen nichtlinearen optischen oder elektrischen Effekt in eine elektromagnetische Welle zu konvertieren (siehe z.B. Druckschrift 8). Deren Frequenz ist dann gleich der Differenz der optischen Frequenzen. Eine Änderung derselben erfolgt durch Verstimmung wenigstens eines der beiden Laser.One possibility for generating variable-frequency terahertz radiation is to superimpose the fields of two continuously emitting, frequency-adjustable lasers and to convert the resulting beat into an electromagnetic wave by means of a non-linear optical or electrical effect (see e.g. publication 8). Their frequency is then equal to the difference between the optical frequencies. The same is changed by detuning at least one of the two lasers.

In diesem Fall kann die Bestimmung des Frequenzhubes Δν der einzelnen Laser durch optische Interferometer erfolgen.In this case, the frequency deviation Δν of the individual lasers can be determined by optical interferometers.

Die Bestimmung der Phasenlage der Terahertzwelle nach Durchlaufen der Messstrecke kann zum Beispiel durch sogenannte Kohärente Detektion in einer Photoleitenden Antenne erfolgen. Diese erzeugt als Signal einen elektrischen Strom, dessen Höhe proportional zum Produkt aus der Terahertz-Feldstärke und der (zeitabhängigen) optischen Leistung des Schwebungsfeldes ist. In diesem Fall ist die Stromstärke eine periodische Funktion der Terahertzfrequenz v. Eine Änderung der Phasenlage der Terahertzwelle um Δφ hat eine gleichgroße Änderung der Phase im Stromsignal zur Folge, so dass Δφ durch eine kontinuierliche Strommessung bestimmt werden kann.The phase position of the terahertz wave can be determined, for example, by what is known as coherent detection in a photoconductive antenna. This generates an electric current as a signal, the magnitude of which is proportional to the product of the terahertz field strength and the (time-dependent) optical power of the beat field. In this case the current intensity is a periodic function of the terahertz frequency v. A change in the phase position of the terahertz wave by Δφ results in an equal change in the phase in the current signal, so that Δφ can be determined by a continuous current measurement.

Besonders geeignet ist ferner eine periodische Modulation der Terahertzfrequenz um einen Frequenzhub Δν. In diesem Fall kann eine Lock-In-Verstärkerschaltung herangezogen werden, um die Amplituden- und die Phasenlage der THz-Welle auszuwerten. Die Modulationsfrequenz dient hierbei als Referenzsignal.Periodic modulation of the terahertz frequency by a frequency deviation Δν is also particularly suitable. In this case, a lock-in Amplifier circuit can be used to evaluate the amplitude and phase position of the THz wave. The modulation frequency serves as a reference signal.

In Betracht gezogene DruckschriftenContemplated Publications

  1. 1) Continuous wave terahertz spectrometer as a noncontact thickness measuring device, Wilk et.al, Applied Optics, 2008 1) Continuous wave terahertz spectrometer as a noncontact thickness measuring device, Wilk et al, Applied Optics, 2008
  2. 2) Continuous-wave all-optoelectronic terahertz imaging, Siebert, et al., APPLIED PHYSICS LETTERS, 2002 2) Continuous-wave all-optoelectronic terahertz imaging, Siebert, et al., APPLIED PHYSICS LETTERS, 2002
  3. 3) Patente US 6,178,002 und DE 197 43 493 A 13) patents U.S. 6,178,002 and DE 197 43 493 A1
  4. 4) Free-space electro-optic detection of continuous-wave terahertz radiation, Nahata, et al., Appl. Phys. Lett. 75,2524 (1999) 4) Free-space electro-optic detection of continuous-wave terahertz radiation, Nahata, et al., Appl. Phys. Lett. 75.2524 (1999)
  5. 5) Patent US 2008 / 0 137 068 A1 5) patent US 2008/0 137 068 A1
  6. 6) Patent US 2006 / 0 214 107 A1 6) patent US 2006/0 214 107 A1
  7. 7) Patent US 7 214 940 B2 7) patent US 7 214 940 B2
  8. 8) Patent US 2009 / 0 180 122 A1 8) patent US 2009/0 180 122 A1

Stand der TechnikState of the art

Bekannt sind folgende Anordnungen:

  1. 1. Dauerstrich-THz-Systeme, bei denen über eine optische Schwebung zweier Lasermoden eine monofrequente THz-Welle konstanter Frequenz erzeugt wird und bei denen eine Phasenänderung des Signals durch eine Variation der optischen Weglänge (Druckschrift 1) oder durch Modulation der Phase einer der beiden Lichtwellen (Druckschrift 8) bewirkt wird
  2. 2. Bildgebende Dauerstrich-THz-Systeme mit konstanter Frequenz, bei denen eine Probe mechanisch durch einen THz-Fokus gefahren wird um diese räumlich zu charakterisieren. (Druckschrift 2)
  3. 3. Verfahren zur Messung von Eigenschaften einer Substanz unter Verwendung von gepulster THz-Strahlung (Druckschriften 5 und 7; die Möglichkeit zur Verwendung kontinuierlicher Strahlung zu diesem Zweck wird in den Druckschriften vermutet.)
  4. 4. Verfahren zur Detektion von Substanzen oder Gegenständen, wobei die Variation bestimmter Frequenzen die Unterscheidung von Objekten aufgrund ihres unterschiedlichen Abstandes von der Vorrichtung erlaubt (Druckschrift 6)
The following arrangements are known:
  1. 1. Continuous wave THz systems in which a mono-frequency THz wave of constant frequency is generated via an optical beat of two laser modes and in which a phase change of the signal is caused by varying the optical path length (document 1) or by modulating the phase of one of the two Light waves (document 8) is effected
  2. 2. Imaging continuous wave THz systems with constant frequency, in which a sample is moved mechanically through a THz focus in order to characterize it spatially. (Document 2)
  3. 3. Method for measuring properties of a substance using pulsed THz radiation (publications 5 and 7; the possibility of using continuous radiation for this purpose is assumed in the publications.)
  4. 4. Method for the detection of substances or objects, whereby the variation of certain frequencies allows the differentiation of objects due to their different distance from the device (document 6)

Nachteile der beschriebenen VerfahrenDisadvantages of the methods described

Alle bekannt gewordenen Längenmessverfahren, die kontinuierliche THz-Wellen verwenden, basieren auf der Tatsache, dass die Signale eine periodische Funktion der zu bestimmenden Größe (Länge bzw. Abstand; ggf. Dicke, Brechzahl) sind, wobei die Periode eine halbe oder ganze Wellenlänge der THz-Strahlung beträgt. Die Zuordnung zwischen dem gewonnen Signalwert und der zu bestimmenden Größe ist also mehrdeutig. Die bisherigen Verfahren gestatten also lediglich, Änderungen der gesuchten Längen zu bestimmen. Für die praktische Anwendung bedeutet dies, dass zum Vermessen einer Strecke ein Reflektor entlang derselben verschoben werden muss, wobei die Phase kontinuierlich bestimmt und volle 2π-Umläufe („Inkremente“) gezählt und addiert werden müssen. Nur in dem Fall, dass die Länge im Vorhinein bis auf eine Wellenlänge genau bekannt ist, kann der absolute Wert bestimmt werden.All known length measurement methods that use continuous THz waves are based on the fact that the signals are a periodic function of the variable to be determined (length or distance; possibly thickness, refractive index), with the period being half or a whole wavelength of THz radiation is. The association between the signal value obtained and the variable to be determined is therefore ambiguous. The previous methods therefore only allow changes to be made in the lengths sought. For practical use, this means that a reflector has to be moved along it in order to measure a route, the phase being determined continuously and full 2π cycles ("increments") counting and adding. The absolute value can only be determined in the event that the length is known in advance down to one wavelength.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass für die Bestimmung der Signalphase eine Änderung derselben durch mechanische Bewegung von Teilen der Anordnung (z.B. einem Reflektor) erforderlich ist. Die Anordnungen sind daher mechanisch aufwendig, empfindlich und die Verfahren sind insgesamt vergleichsweise langsam.Another disadvantage is that the determination of the signal phase requires a change in the same by mechanical movement of parts of the arrangement (e.g. a reflector). The arrangements are therefore mechanically complex, sensitive and the processes are comparatively slow overall.

Bei den bekannten Anordnungen nach Druckschrift 1 erweist sich also die Fähigkeit der Probendickenbestimmung bzw. der Bestimmung des Brechungsindexes als unzureichend. Ebenfalls ist die absolute Bestimmung einer Länge bzw. eines Abstandes unzureichend.In the known arrangements according to document 1, the ability to determine the specimen thickness or to determine the refractive index thus proves to be inadequate. The absolute determination of a length or a distance is also insufficient.

Bei den bekannten Anordnungen nach Druckschrift 2 erweist sich die Möglichkeit der räumlichen Probencharakterisierung als unzureichend. Die Ursache ist der große Zeitbedarf für die mechanische Probenverfahrung und die hohe Anzahl an Messpunkten.With the known arrangements according to document 2, the possibility of spatial sample characterization proves to be insufficient. The cause is the large amount of time required for mechanical sample movement and the large number of measuring points.

Die Anordnung nach Druckschrift 6 erlaubt zwar eine Unterscheidung oder Sortierung von Objekten nach ihrer Entfernung, hat jedoch den Nachteil, dass eine Messung der Entfernung selbst nicht möglich ist, weil die dafür notwendige Maßstabsverkörperung fehlt.The arrangement according to document 6 allows objects to be differentiated or sorted according to their distance, but has the disadvantage that it is not possible to measure the distance itself because the necessary scale representation is missing.

Erfindungsgemäßes Beheben der NachteileRemoval of the disadvantages according to the invention

Die Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile der bekannten Lösungen zu vermeiden und die Vorteile verschiedener bekannter Anordnungen zu kombinieren. Technische Ausführungen, die Erfindung betreffend, werden in den folgenden Beispielen beschrieben. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass keine mechanische Bewegung von Komponenten erforderlich ist und dass sich die gesuchten Größen ohne Vorkenntnis derselben absolut (d.h. nicht mehrdeutig) bestimmen lässt.The object of the invention is to avoid the disadvantages of the known solutions and to combine the advantages of various known arrangements. Technical embodiments relating to the invention are described in the following examples. They are characterized by the fact that no mechanical movement of components is required and that the quantities sought can be determined absolutely (i.e. not ambiguously) without prior knowledge of them.

Den Beispielanordnungen ist gemeinsam, dass sie wenigstens zwei Interferometer aufweisen, von denen wenigstens eines in Form eines THz-Interferometers realisiert ist. Ferner wird wenigstens eines der Interferometer als Referenzinterferometer verwendet.The example arrangements have in common that they have at least two interferometers, at least one of which is implemented in the form of a THz interferometer. Furthermore, at least one of the interferometers is used as a reference interferometer.

Durch eine Durchstimmung der Differenzfrequenz zwischen zwei Laserstrahlen, welche im THz-Frequenzbereich (50 GHz bis 10 THz) liegt, kann mittels des Referenzinterferometers die exakte Frequenzänderung der Differenzfrequenz gemessen werden. Mit dieser Kenntnis kann bei gleichzeitiger Auswertung der Messung weiterer Interferometerarme, die in Form von mittels der Laserstrahlung angetriebener THz-Interferometer realisiert sind, die jeweilige absolute optische Länge des jeweiligen Arms bestimmt werden.By tuning the difference frequency between two laser beams, which is in the THz frequency range (50 GHz to 10 THz), the exact change in frequency of the difference frequency can be measured using the reference interferometer. With this knowledge, with simultaneous evaluation of the measurement of further interferometer arms, which are implemented in the form of THz interferometers driven by means of the laser radiation, the respective absolute optical length of the respective arm can be determined.

Erstes AusführungsbeispielFirst embodiment

Dem ersten Ausführungsbeispiel liegt die Aufgabe zugrunde, durch Verwendung einer THz-Absolut-Distanz-Interferometrie die absolute Probendicke, bzw. den Brechungsindex im THz-Frequenzbereich oder die Zusammensetzung zu ermitteln. Hierfür wird die Probe in wenigstens ein THz-Interferometer in einer Transmissions- oder Reflexionsgeometrie eingeführt. Durch Durchstimmung der THz-Frequenz und gleichzeitiger Aufnahme des Interferenzsignals wird die Probe charakterisiert.The object of the first exemplary embodiment is to determine the absolute sample thickness or the refractive index in the THz frequency range or the composition by using a THz absolute distance interferometry. For this purpose, the sample is introduced into at least one THz interferometer in a transmission or reflection geometry. The sample is characterized by tuning the THz frequency and simultaneously recording the interference signal.

Bild 1 bis 3 beschreiben die Anordnung nach dem ersten Ausführungsbeispiel.Figures 1 to 3 describe the arrangement according to the first embodiment.

Ein Referenzinterferometer kann in besonders geeigneter Ausführungsweise in Form eines optischen Interferometers realisiert werden. Um die Laser (L1 und L2) in ihrer Frequenz exakt zu stabilisieren, wird von beiden Strahlen durch die Strahlteiler BS1 und BS2 (Beam Sampler 1, 2) ein (vorzugsweise kleiner) Teil ausgekoppelt und je einer interferometrischen Kontrolleinheit IC1 und IC2 (Interferometric Control 1, 2) zugeführt. Diese Einheiten messen die aktuelle Laserfrequenz mit hoher Genauigkeit und Geschwindigkeit, so dass über eine Rückführung auf die Steuereinheit der Laser eine Frequenzverstimmung mit interferometrischer Genauigkeit erfolgen kann. (siehe auch Druckschrift 3).A reference interferometer can be implemented in a particularly suitable embodiment in the form of an optical interferometer. In order to precisely stabilize the frequency of the lasers (L1 and L2), both beams are passed through the beam splitter BS1 and BS2 (Beam Sampler 1, 2) one (preferably small) part is decoupled and one interferometric control unit each IC1 and IC2 (Interferometric Control 1, 2) supplied. These units measure the current laser frequency with high accuracy and speed, so that a frequency detuning with interferometric accuracy can take place via feedback to the control unit of the laser. (see also publication 3).

Nach der Überlagerung in einem Strahlteiler (XI) kann aus mindestens einem, besser aus beiden Teilstrahlen über weitere Strahlteiler BS3 und BS4 (Beam Sampler) weitere Teilstrahlen (jeweils mit der Schwebungswellen-länge) ausgekoppelt, aus denen die Heterodyn-Frequenz in den Detektionseinheiten (HCl und ggf. HC2) gemessen werden kann. Insbesondere, wenn die beiden Laser die gleiche oder fast die gleiche Frequenz aufweisen, ist diese Schwebungsfrequenz gering und kann mit sehr hoher Genauigkeit bestimmt werden. Dies dient gleichsam als Absolut-Referenz der Differenzfrequenz, während die in den Kontrolleinheiten IC1 und IC2 enthaltenen Interferometer gleichsam als Relativ-Referenz dienen. Somit ist eine sowohl absolut, als auch relativ sehr genau definierte Schwebungsfrequenz realisierbar. Beide Laser können nun um mehrere Terahertz voneinander weggestimmt werden. Eine direkte Messung der Schwebungsfrequenz entzieht sich dann den elektronischen Möglichkeiten. Aber über die Interferometereinheiten IC1 und IC2 ist dennoch eine im Prinzip beliebig weite Verstimmung präzise messbar. Die absolute Heterodyn-Frequenz kann anstatt mit den Detektionseinheiten (HCl und ggf. HC2) ebenfalls aus der THz-Messgröße bestimmt werden, indem bei gleichzeitiger Detektion des THz-Signals eine definierte optische Wegänderung mit einer Verzögerungseinheit (VZ) hervorgerufen wird. Es ist möglich, die Teilstrahlen über Faserkoppler (FC1 und FC2) in Fasern zu koppeln.After the superimposition in a beam splitter (XI), at least one, better from both, partial beams can be made via further beam splitters BS3 and BS4 (Beam Sampler) further partial beams (each with the beat wave length) decoupled from which the heterodyne frequency in the detection units ( HCl and possibly HC2 ) can be measured. In particular, if the two lasers have the same or almost the same frequency, this beat frequency is low and can be determined with very high accuracy. This serves as an absolute reference for the difference frequency, while that in the control units IC1 and IC2 contained interferometer serve as a relative reference. A beat frequency that is both absolutely and relatively very precisely defined can thus be achieved. Both lasers can now be tuned away from each other by several terahertz. A direct measurement of the beat frequency then eludes the electronic possibilities. But about the interferometer units IC1 and IC2 In principle, however, an arbitrarily wide detuning can be precisely measured. The absolute heterodyne frequency can be determined instead of with the detection units ( HCl and possibly HC2 ) can also be determined from the THz measured variable by, with simultaneous detection of the THz signal, a defined optical path change with a delay unit ( VZ ) is caused. It is possible to use fiber couplers ( FC1 and FC2 ) to couple in fibers.

Ein THz-Interferometer wird dabei durch einen THz-Emitter (RA) gebildet, vorzugsweise eine photoleitende THz-Antenne oder einen nichtlinearen Kristall. Auf den THz-Emitter wird eine durchstimmbare, Dauerstrich-Laserstrahlung, bestehend aus der Überlagerung von zwei Lasermoden, die eine Differenzfrequenz im THz-Frequenzbereich aufweisen, geleitet. Diese Schwebungsfrequenzstrahlung wird mit Hilfe eines nicht-linearen elektro-optischen Prozesses (z.B. mit einer photoleitenden Halbleiter-Antennenstruktur oder in einem nicht-linearen Kristall) in eine kontinuierliche und kontinuierlich durchstimmbare kohärente THz-Welle (THzR) konvertiert.A THz interferometer is connected to a THz emitter ( RA ), preferably a photoconductive THz antenna or a nonlinear crystal. A tunable, continuous wave laser radiation, consisting of the superposition of two laser modes with a difference frequency in the THz frequency range, is directed onto the THz emitter. This beat frequency radiation is converted into a continuous and continuously tunable coherent THz wave (THzR) with the help of a non-linear electro-optical process (e.g. with a photoconductive semiconductor antenna structure or in a non-linear crystal).

Die THz-Welle wird mittels einer THz-Linse (EL) oder reflektiver Optik kollimiert oder fokussiert und auf die Probe geleitet. Ggf. kann diese durch weitere THz-Linsen und/oder reflektiver Optiken geleitet werden.The THz wave is generated using a THz lens ( Tbsp ) or reflective optics collimated or focused and directed onto the sample. Possibly. this can be passed through further THz lenses and / or reflective optics.

Wird eine Probe (T) in den Pfad der THz-Welle eingebracht, wechselwirkt die THz-Welle mit dieser.Will a sample ( T ) introduced into the path of the THz wave, the THz wave interacts with it.

Mit weiteren THz-Linsen (DL) und/oder reflektiver Optiken wird die THz-Welle auf einen THz-Detektor (RA) geleitet.With further THz lenses ( DL ) and / or reflective optics, the THz wave is directed to a THz detector ( RA ) directed.

Die Detektion der durch das zu vermessende Medium transmittierten und/oder von diesem reflektierten THz-Strahlung wird durch eine weitere photoleitende Antennenstruktur, zusammen mit einem Teilstrahl des Anregungslichtes in einem elektro-optischen Mischprozess in einen Photostrom umgewandelt, der durch einen Strom-Spannungswandler TIA (Transimpedance Amplifier) verstärkt und der Signalverarbeitungseinheit SP (Signal Processing) zugeführt wird. Alternativ kann der elektro-optische Effekt in einem nicht-linearen Kristall, z.B. Zink Tellurid, ausgenutzt werden, um das Messsignal durch so genanntes elektro-optisches Abtasten zu detektieren (Druckschrift 4).The detection of the THz radiation transmitted through the medium to be measured and / or reflected by it is converted into a photocurrent by a further photoconductive antenna structure, together with a partial beam of the excitation light in an electro-optical mixing process, which is generated by a current-voltage converter TIA (Transimpedance Amplifier) amplified and the signal processing unit SP (Signal Processing) is supplied. Alternatively, the electro-optical effect in a non-linear crystal, for example zinc telluride, can be used to detect the measurement signal by what is known as electro-optical scanning (document 4).

Da die relative Phase der THz-Schwebungsfrequenz des Anregungslichtes und der an dem Empfänger auftreffenden THz-Strahlung direkt in das erzeugte Messsignal eingehen, handelt es sich um eine kohärente Detektion, entsprechend der Detektion in einem optischen Mach-Zehnder-Interferometer (MZI).Since the relative phase of the THz beat frequency of the excitation light and the THz radiation hitting the receiver are included directly in the generated measurement signal, it is a coherent detection, corresponding to the detection in an optical Mach-Zehnder interferometer ( MZI ).

Die (auch nicht-ganzzahlige) Anzahl der gemessenen Interferenzstruktur-Phasen Δφ während der Durchstimmung Δν entspricht genau dem (effektiven, optischen) Längenunterschied der Interferometerarme. Bei einer Kenntnis der tatsächlichen Interferometerarmlängen L kann somit die (bei der verwendeten Wellenlänge) „optische“ Länge LOPT = LP * nP(λ) eines eingebrachten Prüfkörpers mit der geometrischen Länge LP und dem Brechungsindex nP (λ) bestimmt werden. Die resultierende optische Interferometerlänge ist L' = L + (nP(λ) -1)LP.The (also non-integer) number of measured interference structure phases Δφ during the tuning Δν corresponds exactly to the (effective, optical) difference in length of the interferometer arms. If the actual interferometer arm lengths L are known, the “optical” length L OPT = L P * n P (λ) of an introduced test body with the geometric length L P and the refractive index n P (λ) can be determined . The resulting optical interferometer length is L '= L + (n P (λ) -1) L P.

Da die Wellenlängen λ1 und λ2 der durchstimmbaren cw-Laser mit den Laserfrequenzen ν1 = c / λ1 und ν2 = c / λ2 (und der sich daraus ergebenden THz-Frequenz νT = (ν21) / 2) normalerweise bezüglich eines optischen Interferometers bestimmt und stabilisiert wird, stellt die ADI-Messung also eine Rückführung der gemessenen Weglänge im THz-Interferometer auf die zur Laserstabilisierung im optischen Bereich verwendeten Interferometer dar.Since the wavelengths λ 1 and λ 2 of the tunable cw lasers with the laser frequencies ν 1 = c / λ 1 and ν 2 = c / λ 2 (and the resulting THz frequency ν T = (ν 21 ) / 2) is normally determined and stabilized with reference to an optical interferometer, the ADI measurement thus represents a return of the measured path length in the THz interferometer to the interferometer used for laser stabilization in the optical range.

Wird eine Probe in die entsprechenden THz-Interferometerarme eingeführt, kann mit dieser Methodik die absolute optische Dicke der Probe bestimmt werden. Somit kann bei Kenntnis der Materialdicke der Brechungsindex der Probe, bei Kenntnis des Brechungsindexes die Materialdicke und bei Vermessung einer Mischung aus mehreren Stoffen kann bei Kenntnis der Materialdicke und der jeweiligen Brechungsindices die Materialzusammensetzung bestimmt werden. Bei gleichzeitiger Analyse der gemessenen Signal-Amplituden kann ebenfalls der Absorptionskoeffizient der Probe ermittelt werden.If a sample is introduced into the corresponding THz interferometer arms, the absolute optical thickness of the sample can be determined with this method. Thus, if the material thickness is known, the refractive index of the sample, if the refractive index is known, the material thickness and if a mixture of several substances is measured, the material composition can be determined if the material thickness and the respective refractive indices are known. When the measured signal amplitudes are analyzed at the same time, the absorption coefficient of the sample can also be determined.

Zweites AusführungsbeispielSecond embodiment

Dem zweiten Ausführungsbeispiel liegt die Aufgabe zugrunde, den Abstand bzw. die Position bzw. die Oberflächeneigenschaften einer Probe in Reflexionsgeometrie zu bestimmten. Hierbei wird das THz-Interferometer durch den Pfad: THz-Emitter, Probe, THz-Detektor gebildet. Die ermittelte Interferometerlänge ist somit identisch mit dem zweifachen Probenabstand zur THz-Sende- und Empfangseinheit.The second exemplary embodiment is based on the object of determining the distance or the position or the surface properties of a sample in reflection geometry. The THz interferometer is formed by the path: THz emitter, sample, THz detector. The determined interferometer length is therefore identical to twice the sample distance to the THz transmitter and receiver unit.

Bild 4 bis 5 beschreiben die Anordnung nach dem zweiten Ausführungsbeispiel.Figures 4 to 5 describe the arrangement according to the second embodiment.

Drittes AusführungsbeispielThird embodiment

Dem dritten Ausführungsbeispiel liegt die Aufgabe zugrunde, durch gleichzeitige Verwendung mehrerer THz-Interferometer ein Mehrkanal-THz-System zu erzeugen, welcher mit einem einzelnen Detektor auskommt. Bei Einstellung unterschiedlicher absoluter Weglängen in den Interferometerarmen resultieren über Oszillationsanalyse separierbare Messsignale, die es ermöglich, mehrere Interferometerarme gleichzeitig zu charakterisieren. Als Emitter kann entweder ein Antennenarray, eine Mehrzahl an separaten THz-Antennen oder eine einzelne THz-Antenne, deren Strahlung durch THz-Strahlteiler (THz-ST) aufgespalten wird, verwendet werden. Wenn die THz-Interferometer neben und/oder übereinander angeordnet sind, ist es möglich, mit einem einzelnen THz-Detektor und einer einzelnen Messung eine räumliche Charakterisierung einer und/oder mehrerer Probe durchzuführen.The third exemplary embodiment is based on the task of using several THz interferometers at the same time to generate a multi-channel THz system which manages with a single detector. Setting different absolute path lengths in the interferometer arms results in measurement signals that can be separated by means of oscillation analysis, which make it possible to characterize several interferometer arms at the same time. Either an antenna array, a plurality of separate THz antennas or a single THz antenna whose radiation is split by THz beam splitters (THz-ST) can be used as the emitter. If the THz interferometers are arranged next to and / or on top of one another, it is possible to carry out a spatial characterization of one and / or more samples with a single THz detector and a single measurement.

Bild 6 beschreibt die Anordnung nach dem dritten Ausführungsbeispiel.Figure 6 describes the arrangement according to the third embodiment.

FigurenlisteFigure list

  • Bild 1: Eine Anordnung zur Absoluten Distanz Interferometrie mit THz-Strahlung, faserbasiertFig. 1: An arrangement for absolute distance interferometry with THz radiation, fiber-based
  • Bild. 2 Eine Anordnung zur Absoluten Distanz Interferometrie mit THz-Strahlung, FreistrahlausführungImage. 2 An arrangement for absolute distance interferometry with THz radiation, free-beam design
  • Bild. 3 Eine Anordnung zur Absoluten Distanz Interferometrie mit THz-Strahlung, Kombination von Freistrahlausführung und Faser-AusgängenImage. 3 An arrangement for absolute distance interferometry with THz radiation, combination of free-beam design and fiber outputs
  • Bild. 4 Messung eines Targets in ReflexionImage. 4 Measurement of a target in reflection
  • Bild. 5 Messung eines Targets in Reflexion mit einer kombinierten Sende- und EmpfangsantenneImage. 5 Measurement of a target in reflection with a combined transmitting and receiving antenna
  • Bild. 6 Mehrkanal THz-AbsolutinterferometerImage. 6 multi-channel THz absolute interferometer

Claims (10)

Verfahren zur Messung von Längen und Abständen unter Verwendung von kontinuierlichen, kohärenten elektromagnetischen Wellen im Frequenzbereich 50 GHz bis 10 THz, dadurch gekennzeichnet, dass die zu messende Wegstrecke von einer solchen Welle durchlaufen wird, dass die Frequenz der Welle variiert wird, und dass die gesuchte Größe aus der Proportionalitätskonstanten bestimmt wird, die zwischen der Frequenzänderung und der Phasenlage der Welle nach ihrem Austritt aus der Wegstrecke besteht.Method for measuring lengths and distances using continuous, coherent electromagnetic waves in the frequency range 50 GHz to 10 THz, characterized in that the distance to be measured is traversed by such a wave that the frequency of the wave is varied, and that the desired Size is determined from the proportionality constant that exists between the change in frequency and the phase position of the wave after it leaves the path. Vorrichtung bestehend aus einer kontinuierlichen frequenzdurchstimmbaren THz-Quelle (THz-Sende-Einheit), einer phasenempfindlichen THz-Empfangseinheit, welche die empfangene Strahlung bezüglich der Emissionsphase in ein elektrisches Signal transformiert, und einer Auswerteeinheit, welche das Verfahren nach Anspruch 1 realisiert.Device consisting of a continuous frequency-tunable THz source (THz transmitting unit), a phase-sensitive THz receiving unit, which transforms the received radiation into an electrical signal with respect to the emission phase, and an evaluation unit, which the method according to Claim 1 realized. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die von zwei Dauerstrichlasern emittierten Lichtwellen überlagert werden und die entstehende Schwebung durch eine photoleitende Antenne oder ein nichtlineares optisches Element in die zur Messung verwendete Welle konvertiert wird.Device according to Claim 2 , in which the light waves emitted by two continuous wave lasers are superimposed and the resulting beat is converted into the wave used for measurement by a photoconductive antenna or a non-linear optical element. Vorrichtung nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlängen eines oder beider Laser oder deren Wellenlängendifferenz durch eine optische interferometrische Anordnung gemessen wird.Device according to Claim 3 characterized in that the wavelengths of one or both lasers or their wavelength difference is measured by an optical interferometric arrangement. Vorrichtung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlängen eines oder beider Laser oder deren Differenz mittels einer Rückkopplung auf die Lasersteuerung bezüglich der optischen interferometrischen Anordnung stabilisiert wird.Device according to Claim 4 characterized in that the wavelengths of one or both lasers or their difference is stabilized by means of a feedback to the laser control with respect to the optical interferometric arrangement. Vorrichtung nach Anspruch 3, 4 oder 5 dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Lasern um Distributed Feedback (DFB-) Laserdioden handelt.Device according to Claim 3 , 4th or 5 characterized in that the lasers are distributed feedback (DFB) laser diodes. Vorrichtung, welches zwei oder mehr Anordnungen nach einem der Ansprüche 2 bis 6 enthält, dadurch gekennzeichnet, dass durch Separierung der Signale der einzelnen Anordnungen die Längen- oder Abstandsmessung gemäß Anspruch 1 gleichzeitig an mehreren Orten erfolgen kann.Device, which two or more arrangements according to one of the Claims 2 to 6th contains, characterized in that the length or distance measurement according to the separation of the signals of the individual arrangements Claim 1 can take place at the same time in several places. Verfahren, bei dem durch Messung mehrerer Abstände nach Anspruch 1 zu verschiedenen Punkten eines Objektes dessen Form bestimmt wird.Method in which by measuring several distances according to Claim 1 at different points of an object whose shape is determined. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, die durch eine Reflexionsgeometrie gekennzeichnet ist.Device according to one of the Claims 2 to 7th , which is characterized by a reflection geometry. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenlage mittels einer phasenempfindlichen Gleichrichtung (Lock-In-Verstärkerschaltung) bestimmt wird.Device according to one of the Claims 2 to 7th characterized in that the phase position is determined by means of a phase-sensitive rectification (lock-in amplifier circuit).
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