DE102006014673A1 - System und Verfahren zur Leistungs-Verhältnis-Bestimmung mit Gleichtakt-Unterdrückung mittels Elektrisches-Feld-Differenzierens - Google Patents

System und Verfahren zur Leistungs-Verhältnis-Bestimmung mit Gleichtakt-Unterdrückung mittels Elektrisches-Feld-Differenzierens Download PDF

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Abstract

Ein System zum Verarbeiten von Signalen beinhaltet eine Empfänger-Anordnung zum Empfangen eines Signals. Das Signal weist eine Proben-Komponente mit einem elektrischen Proben-Feld und einer Proben-Polarisation auf und weist eine Referenz-Komponente mit einem elektrischen Referenz-Feld und einer Referenz-Polarisation auf. Die Empfänger-Anordnung beinhaltet: einen Analysator zur Polarisations-Verarbeitung des Signals, inklusive Differenzieren des Signals, um ein elektrisches Differenz-Feld zu erzeugen, welches zu der Differenz des eletrischen Proben- und Referenz-Feldes proportional ist. Durch Polarisations-Differenzieren reduziert der Analysator den Betrag des Gleichtakt-Signals am Differenz-Signal-Empfänger. Die Empfänger-Anordnung beinhaltet einen Elektrisches-Feld-Detektor zum Messen des eletrischen Differenz-Feldes, so dass die Gleichtakt-Amplituden-Reduktion die äquivalente Rausch-Leistung des Elektrisches-Feld-Detektors vermindert. Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist damit die Reduktion der/einer äquivalenten Rausch-Leistung des Elektrisches-Feld-Detektors beim Messen kleiner Variationen von großen elektrischen Feldern.

Description

  • BEREICH DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das/ein Detektieren der Leistung elektromagnetischer Signale, und insbesondere das/ein Detektieren des/eines Leistungs-Verhältnisses von durch zwei Medien mit verschiedenen Transmissionen propagierten elektromagnetischen Signalen. Die/eine Detektion von Spuren-Mengen absorbierter Leistung wird durch das Verfahren gemäß dieser Erfindung verbessert, wodurch der Bereich Spektroskopie mit stark erhöhter Sensitivität ermöglicht wird. Die Erfindung verbessert die Sensitivität von Heterodyn-Detektion von Elektrisches-Feld-Differenzen durch Vermindern des Betrags großer Gleichtakt-Feld-Amplituden für irgendeine differenzielle Mess-Anwendung, insbesondere im Terraherz-Bereicch des elektromagnetischen Spektrums.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • In vielen Kontexten, wie in Spektroskopie, Brechungsindex-Messungen oder dergleichen, ist es wünschenswert, Signale elektromagnetischer Strahlung zu detektieren. Herkömmlicher Weise kann solche Strahlung mittels eines Leistungs-Detektors detektiert werden, dessen Ausgangs-Spannung zu(r) Eingangs-Leistung (Watt) proportional ist. Solche Leistungs-Detektoren beinhalten beispielsweise thermische Bolometer, Wärmesäule-Detektoren, Siliziumdioxid-Photonen-Detektoren und dergleichen. In einer alternativen Technik detektiert ein Elektrisches-Feld-Aufnehm-System elektromagnetische Strahlung durch Erzeugen einer zur elektrischen Feldstärke (Volt/Meter) in dem Bereich um eine Eingangs-Antenne herum proportionalen Ausgangs-Spannung. Beispiele dieser Systeme beinhalten beispielsweise herkömmliche Radioempfänger, Fernseh-Empfänger, Radar-Empfänger und dergleichen. Elektrisches-Feld-Aufnehm-Systeme bieten sich zur heterodynen Detektion an, und zeigen typischerweise eine signifikant niedrigere äquivalente Rauschleistung als Leistungs-Detektoren, und sind daher besser dazu geeignet, Strahlen niedriger Leistung zu empfangen. Nichtsdestotrotz werden in verschiedenen Kontexten die von solchen herkömmlichen Elektrisches-Feld-Aufnehm-Systemen erlaubten maximalen Sensitivitäten herausgefordert, und werden sogar übertroffen.
  • Insbesondere im Kontext von/der Spektroskopie zeigen beispielsweise Daten für chemische und biologische Agentien, wie dem Anthrax-Erreger Bacillus Subtilis (BG), die Notwendigkeit spektroskopischer Messungen über einen weiten Frequenz-Bereich mit herausfordernder Sensitivität. Typischer Weise werden Messungen an dichten Proben von BG-Sporen ausgeführt, welche bei Konzentrationen präpariert wurden, welche hoch genug sind, um von einem herkömmlichen Fourier-Transformations-Spektroskopie(FTS)-Instrument gemessen zu werden. Bei diesen Konzentrationen können durch die Sporen- Dichte in der Probe Resonanzen gedämpft werden. Wie gewürdigt werden wird, können Messungen an Proben in Form eines Aerosols niedriger Dichte eine bessere Charakterisierung von Biologische-Kriegsführung-Agentien (BWAs) in repräsentativen Szenarios bereitstellen. Allerdings benötigen Messungen an solchen Proben Spektrometer-Sensitivitäten, welche bei heutigen Labor-Spektrometern nicht verfügbar sind. Daher wäre es wünschenswert, ein System und ein Verfahren zum Detektieren elektromagnetischer Signale sehr geringer Leistung, welche in Proben niedriger Konzentration absorbiert werden, mit besserer Sensitivität als derjenigen derzeit verfügbarer Systeme und Verfahren zu entwerfen.
  • KURZFASSUNG DER ERFINDUNG:
  • Im Lichte des vorhergehenden Hintergrundes stellen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein verbessertes System und Verfahren zum Detektieren der Leistung elektromagnetischer Signale bereit, welches im Spektroskopie-Kontext verwendet werden kann. Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Leistung elektromagnetischer Signale mit verbessertem Rauschverhalten und daher mit erhöhter Sensitivität durch Unterdrücken oder anderweitiges Zurückweisen des großen Gleichtakt-Signals detektiert werden, welches die/eine Leistungsfähigkeit von Heterodyn-Detektions-Systemen degradiert. Anstelle der Leistung kann dann das elektrische Feld der Signale detektiert werden, wobei die Leistung aus dem elektrischen Feld berechnet werden kann.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein System bereitgestellt, welches eine Empfänger-Anordnung zum Empfangen eines Signals umfasst. Das Signal weist eine Proben-Komponente mit einem elektrischen Proben-Feld und einer Proben-Polarisation auf, und weist eine Referenz-Komponente mit einem elektrischen Referenz-Feld und einer Referenz-Polarisation auf, wobei die Referenz-Polarisation gegenüber der Proben-Polarisation versetzt ist. Die Empfänger-Anordnung beinhaltet einen Analysator zur Polarisations-Verarbeitung des Signals, um ein elektrisches Feld zu erzeugen, welches zu der Differenz des elektrischen Probe- und Referenz-Feldes proportional ist. Durch Polarisations-Differenzieren des Signals reduziert der Analysator den Betrag der Gleichtakt-Amplitude am empfangenden Detektor. Die Empfänger-Anordnung beinhaltet ferner einen Elektrisches-Feld-Detektor (beispielsweise einen Heterodyn-Empfänger) zum Messen des elektrischen Differenz-Feldes, so dass die Gleichtakt-Amplitude- Reduktion die Sensitivität des Elektrisches-Feld-Detektors erhöht.
  • Der Analysator ist ferner dazu geeignet, das Signal aufzusummieren, um ein elektrisches Summenfeld zu erzeugen, welches zur Summe des elektrischen Probe-Feldes und Referenz-Feldes proportional ist. Dementsprechend kann die Empfänger-Anordnung ferner einen Leistungs-Detektor zum Messen einer auf dem elektrischen Summenfeld basierten Summenleistung umfassen. Ein Prozessor kann dann auf der Basis der gemessenen Elektrisches-Feld-Differenz und der gemessenen Summenleistung ein Leistungs-Verhältnis berechnen.
  • Wie gewürdigt werden wird, kann das Signal in irgendeiner von einer Anzahl verschiedener Weisen empfangen werden. Im spektroskopischen Kontext beinhaltet das System beispielsweise ferner einen Strahlteiler zum Erzeugen eines ersten und eines zweiten Strahls aus einem Quellstrahl, wie einem Quellstrahl, welcher eine Frequenz im THz-Bereich des elektromagnetischen Spektrums aufweist. Eine Proben-Zelle, welche ein Proben-Medium und ein Basis-Medium beinhaltet, empfängt den ersten Strahl und gibt ein Proben-Signal mit einem elektrischen Proben-Feld aus. In ähnlicher Weise empfängt eine Referenz-Zelle, welche das Basis-Medium enthält, den zweiten Strahl und gibt ein Referenz-Signal mit einem elektrischen Referenz-Feld aus.
  • In solchen Situationen kann der Prozessor ferner dazu geeignet sein, das Absorptionsspektrumn des Proben-Mediums auf der Basis des Leistungs-Verhältnisses des gemessenen elektrischen Differenz-Feldes und der gemessenen Summen-Leistung zu berechnen. Dieses Leistungs-Verhältnis ist für das Absorptionsspektrum des Proben-Mediums repräsentativ. Insbesondere kann das System einen Transmitter zum Abtasten des Quellstrahls durch eine Mehrzahl von Transmissions-Frequenzen beinhalten. Für jede Transmissionsfrequenz sind der Strahlteiler, die Probe-Zelle, die Referenz-Zelle, der polarisierende Strahlteiler, der Analysator, der Elektrisches-Feld-Detektor, der Leistungs-Detektor und der Prozessor dazu geeignet, einen ersten und einen zweiten Strahl zu erzeugen, ein Proben-Signal auszugeben, ein Referenz-Signal auszugeben, das Proben-Signal und das Referenz-Signal zu kombinieren, das elektrische Differenz-Feld zu messen, die Summen-Leistung zu messen, und für jede Transmissionsfrequenz ein Leistungs-Verhältnis zu berechnen. Das Leistungs-Verhältnis bei jeder Transmissionsfrequenz ist für die Transmission der Probe repräsentativ. Dementsprechend kann der Prozessor dazu geeignet sein, auf der Basis der Transmissionen und den zugeordneten Frequenzen eine gemessene Absorptions-Signatur für das Proben-Medium zu definieren, und anschließend auf der Basis der gemessenen Absorptions-Signatur das Proben-Medium zu identifizieren. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen damit ein verbessertes System und Verfahren zum Verarbeiten eines Signals mittels Elektrisches-Feld-Differenzierens bereit. Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beinhaltet eine Empfänger-Anordnung einen hochsensitiven Elektrisches-Feld-Detektor. Detektion und Verstärkung wird auf die Differenz zwischen dem Probe-Feld und dem Referenz-Feld appliziert. In dieser Hinsicht entfernt das System von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung durch Differenzieren des Probe- und Referenz-Feldes die große Gleichtakt (mittlere) Elektrisches-Feld-Komponente, wodurch der Verstärkungsgrad des Empfängers erhöht wird, und dementsprechend ein überlegenes Rauschverhalten bereitgestellt wird, insbesondere, wenn Spannungs-Rauschen eines nach dem Empfänger angeordneten Verstärkers als eine dominante Rausch-Quelle wirkt. Auf diese Weise verbessern das System und Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung das Rauschverhalten bisheriger Elektrisches-Feld-Aufnehm-Techniken.
    •
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Nachdem die Erfindung allgemein beschrieben worden ist, wird nun auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, welche nicht notwendigerweise maßstäblich gezeichnet sind, und wobei:
  • 1 ein schematisches Blockdiagramm einer Empfänger-Anordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
  • 2 ein Flussdiagramm ist, welches verschiedene Schritte eines Verfahrens zum Empfangen und Verarbeiten eines Signal-Strahls von Licht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 3 ein schematisches Blockdiagramm einer Photomischer-Empfänger-Anordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
  • 4 ein Graph ist, welcher die äquivalente Rauschleistung und das Signal-zu-Rauschen(SNR)-Verhältnis als eine Funktion der/einer mittleren Eingangs-Leistung eines Photomischer-Empfängers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 5 ein schematisches Blockdiagramm eines Spektrometer-Systems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
  • 6 ein schematisches Blockdiagramm des Spektrometer-Systems von 5 ist, welches Polarisation der durch verschiedene Stadien/Abschnitten des Systems propagierende Signale zeigt; und
  • 7 ein Flussdiagramm ist, welches verschiedene Schritte in einem Verfahren zum Identifizieren einer Probe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung wird nun im Folgenden vollständiger mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gezeigt sind. Diese Erfindung kann allerdings in vielen verschiedenen Formen ausgeführt werden, und sollte nicht als auf die hierin aufgeführten Ausführungsformen begrenzt interpretiert werden, sondern diese Ausführungsformen werden dazu bereitgestellt, dass die Offenbarung gründlich und vollständig sei, und Fachleuten vollständig den Bereich der Erfindung übermittelt werde. Gleiche Zahlen/Bezugszeichen bezeichnen durchgängig gleiche Elemente.
  • Bezugnehmend auf die 1 und 2 sind eine Empfänger-Anordnung 10 und ein Verfahren zum Empfangen und Verarbeiten eines Signalstrahls von Licht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Wie dargestellt, beinhaltet die Anordnung einen Analysator 12 zum Empfangen eines Signals, welches einen Lichtstrahl 14 umfasst, welcher eine erste Komponente, oder Proben-Komponente, mit einem elektrischen Proben-Feld ES und einer ersten Polarisation umfasst, wie in Block 32 gezeigt. Darüber hinaus weist der Strahl eine zweite Komponente, oder Referenz-Komponente mit einem elektrischen Referenz-Feld ER und einer zweiten Polarisation auf, wobei die zweite Polarisation gegenüber der ersten Polarisation versetzt ist. In einer Ausführungsform weisen beispielsweise die Proben- und Referenz-Komponente Polarisationen auf, welche orthogonal versetzt sind, wobei die Proben-Komponente eine Polarisation von 0° aufweist, und die Referenz-Komponente eine Polarisation von 90° aufweist, wie in der Einfügung von 1 gezeigt.
  • Der Analysator 12 wird auf halben Polarisations-Versatz zwischen den elektrischen Feldkomponenten des Signals 14 gedreht. Für ein Signal, welches eine elektrische Probe- und Referenz-Feldkomponente von 0° Polarisation beziehungsweise 90° Polarisation beinhaltet, wird daher der Analysator auf 45° bezüglich der Polarisations-Ebenen der elektrischen Probe- und Referenz-Feldkomponente gedreht. Der Analysator ist dazu geeignet, das Signal zumindest teilweise Polarisations-bezogen zu verarbeiten, um ein elektrisches Summen-Feld und Differenz-Feld zu erzeugen, wie in Block 32 von 2 gezeigt. Insbesondere teilt der Analysator das Signal in zwei Teile, ein Summensignal 16 und ein Differenzsignal 18. In Fortsetzung des obigen Beispiels kann der Analysator dann das Signal in ein Summensignal von Licht, welches eine 45° Polarisation aufweist, und ein Differenzsignal von Licht, welches eine 135° Polarisation aufweist, zerlegen. Obwohl der Analysator 12 das Signal in ein Summen- und Differenzsignal 16, 18 zerlegt, weist das Summensignal ein elektrisches Feld Ey auf, welches zur Summe der elektrischen Felder der elektrischen Probe- und Referenz-Feldkomponente (das heißt Ey = (1/√2)(ES + ER)) proportional ist. Im Gegensatz hierzu weist das Differenzsignal ein elektrisches Feld Ex auf, welches zur Differenz der elektrischen Felder der elektrischen Probe- und Referenz-Feldkomponente proportional ist (das heißt Ex = (1/√2)(ES – ER)).
  • Nach dem Analysator 12 propagiert das Summensignal 16 zu einer erste Fokussier-Linse 20a, von wo das fokussierte Summensignal von einem erster Empfänger 22a aufgenommen oder auf andere Weise empfangen wird. In ähnlicher Weise propagiert das Differenzsignal 18 zu einer zweiten Fokussier-Linse 20b, von wo das fokussierte Differenzsignal von einem zweiter Empfänger 22b aufgenommen oder auf andere Weise empfangen wird. Der erste und zweite Empfänger erreichen eine Messung der Elektrisches-Feld-Summe Ey beziehungsweise der Elektrisches-Feld-Differenz Ex des Summenbeziehungsweise Differenzsignals, wie in Block 34 von 2 gezeigt. Wie gewürdigt werden wird, kann der erste Empfänger irgendeine von einer Anzahl verschiedener Empfänger umfassen, inklusive beispielsweise einem Leistungs-Detektor, wie einem Bolometer, einem Elektrisches-Feld-Detektor wie einem Photomischer-Empfänger (Heterodyn-Empfänger) oder dergleichen. Wie von Fachleuten gewürdigt werden wird, ist, wenn die Signalleistung wesentlich höher ist als der Rausch-Untergrund eines Leistungs-Detektors, ein Leistungs-Detektor ausreichend dazu geeignet, solche Signale zu empfangen. Daher umfasst in einer vorteilhaften Ausführungsform der erste Empfänger einen Leistungs-Detektor. Wenn in solchen Situationen der erste Empfänger ein Bolometer umfasst, beinhaltet das Bolometer ein Transmitter-Element, welches einen elektrischen Widerstand aufweist, welcher in Abhängigkeit von Strahlungs-Veränderungen variiert, welche durch die Summen-Signal- Leistung erzeugt werden. Durch Detektieren von Veränderungen des elektrischen Widerstandes ermittelt das Bolometer ein Maß der Strahlungs-Leistung, oder des Quadrats der elektrischen Feld-Summe Ey.
  • Der zweite Empfänger 22b umfasst andererseits einen Elektrisches-Feld-Detektor wie einen Photomischer-Empfänger (Heterodyn-Empfänger), wovon ein Beispiel in 3 genauer gezeigt ist. Wie von Fachleugen ebenfalls gewürdigt werden wird, weisen Elektrisches-Feld-Detektoren wie Heterodyn-Photomischer-Empfänger typischerweise eine signifikant niedrigere äquivalente Rauschleistung auf als Raumtemperatur-Leistungs-Detektoren, und sind daher besser dazu geeignet/angepasst, Strahlen niedrigerer Leistung zu empfangen. Da Bilden der Elektrisches-Feld-Differenz Ex die große Gleichtakt(mittlerere)-Elektrisches-Feld-Komponente am Eingang des Empfängers effizient entfernt, kann in dieser Hinsicht der größte theoretische Verstärkungsgrad für den zweiten Empfänger erreicht werden, wodurch das/ein überlegenes Rauschverhalten bereitgestellt wird, insbesondere wenn Spannungs-Rauschen eines nach dem Empfänger angeordneten Verstärkers als die dominante Rausch-Quelle wirkt.
  • Wie in 3 gezeigt, kann ein zweiter Empfänger 22b, welcher einen Elektrisches-Feld-Detektor, und insbesondere einen Photomischer-Empfänger, umfasst, einen Hochgeschwindigkeits-Photoleiter beinhalten. In dem Photomischer-Empfänger wird das Differenzsignal 18 bei der empfangenen Frequenz (beispielsweise ω) mit einem Lokaloszillator-Lichtstrahl bei einer Frequenz ωLO kombiniert, und danach auf den Photomischer fokussiert. Der Photomischer-Empfänger erzeugt seinerseits ein Strom- oder Spannungs-Signal bei einer intermediären Differenzfrequenz (beispielsweise ω-ωLO), wobei das erzeugte Signal infolge von vom Differenzstrahl erzeugten Strahlungs-Veränderungen variiert. Durch Detektieren von Veränderungen des erzeugten Signals erhält der Photomischer-Empfänger ein Maß der Strahlung, oder der/die elektrische(n) Feld-Differenz Ex. Für weitere Information(en) über einen solchen Photomischer-Empfänger, siehe US-Patent Nr. 6,348,683 mit Titel: Quasi-Optical Transceiver Having an Antenna with Time Varying Voltage ("Quasi-Optischer Transmitter, welcher eine Antenne mit zeitlich variierender Spannung aufweist"), welches am 19. Februar 2002 erteilt wurde.
  • Um den Vorteil von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weiter zu erläutern, sei berücksichtigt, dass die äquivalente Rauschleistung auf der Basis des Photomischer-Empfänger-Konversions-Verlustes evaluiert werden kann, welcher wie folgt dargestellt werden kann:
    Figure 00070001
    wobei Pi die Eingangs-Leistung repräsentiert, ηcl den Mischer-Konversions-Verlust repräsentiert, und Vo 2/Ro des Mischers Zwischenfrequenz(IF) Leistung repräsentiert. Ferner sei berücksichtigt, dass die IF-Spannung V0 des Mischers vermittels der Rausch-Spannung Vn und der/einer Variablen K, welche mit der Photomischer-Antennen-Leistungs-Koppel-Effizienz in Verbindung steht, und als K = Ro × ηcl ausgedrückt werden kann, repräsentiert werden kann. Spezieller kann die Mischer IF-Spannung wie folgt repräsentiert werden:
    Figure 00080001
  • Basierend auf den Ausdrücken von Gleichungen (1) und (2) sei berücksichtigt, dass die gesamte äquivalente Rausch-Eingangsleistung vermittels der gesamten äquivalenten Signal-Leistung PSig und der gesamten äquivalente Rauschleistung Pnoise wie folgt berechnet werden kann:
    Figure 00080002
  • Durch neues Anordnen der Terme von Gleichung (3) kann die gesamte äquivalente Rausch-Leistung in der folgenden Weise ausgedrückt werden:
    Figure 00080003
  • Wie aus dem Ausdruck von Gleichung (4) ersehen werden kann, ist die gesamte äquivalente Rausch-Leistung die reflektierte elektronische Rausch-Leistung mit einem zugefügten Übermaß-Rauschen-Term, welcher zur Quadratwurzel des Verhältnisses der Eingangs-Signal-Leistung zur elektrischen Rausch-Leistung proportional ist. Wie in 4 gezeigt, ist die äquivalente Rausch-Leistung sowie das Signal-zu-Rauschen-Verhältnis (SNR) proportional zur Eingangs-Signal-Leistung, oder mittleren Signal-Leistung. Durch Reduzieren der von dem zweiter Empfänger 22b mittels Elektrisches-Feld-Differenzieren empfangenen mittleren Signal-Leistung (das heißt Ex) reduziert die Empfänger-Anordnung daher in gleicher Weise die äquivalente Rauschleistung des zweiten Empfängers.
  • Wiederum bezugnehmend auf 1, kann, muss aber nicht, nach dem ersten Empfänger 22a die gemessene Summen-Leistung (ΣE)2 einem erster Verstärker 24a zugeführt werden, welcher eine erste Skalier-Konstante K1 aufweist. In ähnlicher Weise kann, muss aber nicht, die gemessene Elektrisches-Feld-Differenz (ΔE) von dem zweiten Empfänger 22b einem zweiten Verstärker 24b zugeführt werden, welcher eine zweite Skalier-Konstante K2 aufweist. Anschließend werden die verstärkte, gemessene Elektrisches-Feld-Summe und -Differenz von einem Prozessor 26 empfangen, welcher dazu geeignet ist, die Elektrisches-Feld-Summe und -Differenz für einen oder mehrere einer Anzahl verschiedener Zwecke zu speichern und/oder zu verarbeiten. In dieser Hinsicht kann der Prozessor irgendeine von einer Anzahl verschiedener Verarbeitungs-Vorrichtungen umfassen, welche dazu geeignet sind, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu arbeiten, welche beispielsweise einen Personalcomputer, einen Laptop-Computer, einen Server-Computer, einen Workstation-Computer oder dergleichen beinhalten.
  • Im Allgemeinen kann der Prozessor 26 durch Messen der Summen-Leistung (d.h. Ey 2 = (ES + ER)2) und der Elektrisches-Feld-Differenz (d.h. Ex = ES – ER) das mit der Probe-und der Referenz-Komponente ES, ER des Signals 14 assoziierte Leistungs-Verhältnis auf der Basis der gemessenen Summen-Leistung und Elektrisches-Feld-Differenz berechnen, wie in Block 36 von 2 gezeigt. In dieser Hinsicht kann das Verhältnis der Leistung der Probe-Komponente PS und der Leistung der Referenz-Komponente PR notatorisch wie folgt ausgedrückt werden:
    Figure 00090001
    wobei ΔE = ES – ER. Um den Ausdruck weiter zu reduzieren, wenn sich das Leistungsverhältnis eins nähert (wie es bei Spuren-Mengen von Absorption in Spektroskopie-Kontexten, wie unten erklärt, der Fall ist), kann die Elektrisches-Feld-Summe wie folgt genähert werden: ΣE = ES + ER ≈ 2ER (6)
  • Durch Kombinieren der Gleichungen (5) und (6) kann der Prozessor das Leistungs-Verhältnis vermittels der Elektrisches-Feld-Summe und -Differenz in der folgenden Weise approximieren:
    Figure 00090002
  • Wie man sehen kann, lässt sich dann das Leistungs-Verhältnis der Proben- und der Referenz-Komponente auf der Basis der Elektrisches-Feld-Summe und der Elektrisches-Feld-Differenz direkt berechnen, welches in Spektroskopie-Kontexten eine bessere Spuren-Signal-Sensitivität bereitstellt, als man sie durch Berechnen einer kleinen Leistungs-Verhältnis-Abweichung auf der Basis ungefähr gleicher elektrischer Feldvektoren der Proben- und Referenz-Komponente erhält.
  • Um die Vorteile der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weiter zu illustrieren, wird nun auf die 5, 6 und 7 Bezug genommen, welche ein Spektrometer-System und -Verfahren erläutern, welches von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung profitieren würde. Es versteht sich allerdings, dass das gezeigte und nachfolgend beschriebene Spektrometer-System und -Verfahren rein erläuternd für einen Typ von System und Verfahren sind, welche von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung profittieren würden, und dass sie daher nicht dazu verwendet werden sollen, den Bereich der vorliegenden Erfindung zu begrenzen. Während in dieser Hinsicht mehrere Ausführungsformen des Spektrometer-Systems und -Verfahrens gezeigt sind, und im Folgenden zu exemplarischen Zwecken beschrieben werden, können andere Arten von Systemen und Verfahren zum Detektieren der Leistung elektromagnetischer Signale die vorliegende Erfindung direkt verwenden. Darüber hinaus wird das System und Verfahren der vorliegenden Erfindung primär in Verbindung mit spektraler Signatur-Analyse zum Detektieren biologischen Materials, insbesondere im THz(oder mmW)-Bereich des elektromagnetischen Spektrums beschrieben. Aber das System und Verfahren von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann in Verbindung mit einer Vielzahl anderer Anwendungen verwendet werden, sowohl innerhalb wie außerhalb des Kontextes, biologisches Material zu detektieren, und innerhalb und außerhalb des THz-Bereiches des elektromagnetischen Spektrums.
  • Wie in den 5 und 6 gezeigt, beinhaltet ein Spektrometer-System 40 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen Transmitter 42 zum Transmittieren eines Strahls kohärenten Lichtes (elektromagnetische Welle) bei einer gegebenen Frequenz. Der Transmitter kann irgendeinen einer Anzahl verschiedener Transmitter umfassen, welche Fachleuten bekannt sind. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Transmitter beispielsweise einen optischen Heterodyn(Photo)-Mischer-Transmitter (d.h. einen Photomischer-Transmitter). In solchen Situationen beinhaltet der Transmitter eine photoleitende Hochgeschwindigkeits-Diode (d.h. (einen) Photomischer), welche mit zwei Laser-Quellen gepumpt wird, welche Versatz-Frequenzen bei ω1 und ω2 aufweisen. Die inhärent quadratische Natur der Über-Bandlücke-Absorption ("cross bandgap absorption") erzeugt dann eine Differenz(d.h. Transmissions-)Frequenz (d.h. ω1 – ω2) in dem in der Diode induzierten Photostrom. Durch Lokalisieren des Photomischers am Treibe-Punkt einer Antenne, wie einer Spiral-, Dipol- oder Schlitz-Antenne, wird der Differenzfrequenz-Strom in Differenzfrequenz-Photonen konvertiert. Das Ergebnis ist eine in hohem Maße abstimmbare kontinuierliche (cw) hoch-kohärente Quelle von Licht, welches in einer einzelnen (quasi-Gauss'schen) räumlichen Mode enthalten ist. Für weitere Information über einen solchen Transmitter, siehe das vorher genannte '683 Patent.
  • Daher beinhaltet das Verfahren gemäß einer Ausführungsform Auswählen einer Transmissions-Frequenz, anschließendes Transmittieren eines Lichtstrahls (d.h. eines Quell-Strahls) bei dieser Frequenz vom Transmitter 42, wie in Block 80 in 7 gezeigt. Die Transmissions-Frequenz kann in irgendeiner von einer Anzahl verschiedener Weisen gewählt werden. Um eine Probe auf der Basis auf einer gemessenen Absorptions-Signatur zu detektieren, wie unten erklärt, wird allerdings die Transmissions-Frequenz typischerweise innerhalb eines Bereiches von Frequenzen ausgewählt, über welchen die Absorptions-Signatur definiert ist. In einem Photomischer-Transmitter kann dann der Photomischer mit einer Laserquelle bei einer festen Frequenz ω2, und einer Laserquelle bei einer abstimmbaren Frequenz ω1 gepumpt werden, welche so ausgewählt ist, dass hierdurch die Differenz- oder Transmissions-Frequenz (ω1 – ω2) ausgewählt wird.
  • Der Lichtstrahl vom Transmitter 42 durchläuft eine Kollimator-Linse 44, um einen kollimierten Strahls 46 von Licht zu bilden, welches eine 45°-Polarisation aufweist. Der polarisierte Strahl verläuft dann zu einem ersten polarisierenden Strahlteiler 48. Der erste polarisierende Strahlteiler spaltet seinerseits den Lichtstrahl in zwei Teile auf, einen ersten Lichtstrahl 50 und einen zweiten Lichtstrahl 52 welche einen 90° Polarisations-Versatz aufweisen, wie in Block 82 von 7 gezeigt ist. Beispielsweise kann der erste polarisierende Strahlteiler den Lichtstrahl in einen ersten Lichtstrahl, welcher eine 0° Polarisation aufweist, und einen zweiten Lichtstrahl, welcher eine 90° Polarisation aufweist, aufteilen. Wie in Block 84 gezeigt ist, verläuft der erste Lichtstrahl von dem ersten polarisierenden Strahlteiler durch eine Proben-Zelle 54, welche ein zu analysierendes Proben-Medium (beispielsweise ein chemisches oder biologisches Agens) und ein Basis-Medium, wie Umgebungs-Luft, beinhaltet. Der zweite Lichtstrahl verläuft andererseits durch eine Referenz-Zelle 56, welche das Basis-Medium beinhaltet, wie etwa über einen ersten Reflektor 58. Wie gewürdigt werden wird, können das Proben- und das Basis-Medium jede von einer Anzahl verschiedener Formen aufweisen, durch welche der erste und der zweite Lichtstrahl 50, 52 zumindest teilweise transmittiert werden. Beispielsweise kann das Proben- und das Basis-Medium einen Festkörper, eine Flüssigkeit, ein Gas, ein Plasma oder ein Aerosol umfassen. Insbesondere liegt in verschiedenen vorteilhaften Ausführungsformen das Basis-Medium aus Umgebungsluft in Aerosol-Form vor, wohingegen eine Probe eines chemischen Agens in Gasform vorliegt, und eine Probe eines biologischen Agens in Aerosol-Form vorliegt.
  • Wenn der erste Lichtstrahl 50 durch die Proben-Zelle 52 verläuft, absorbieren das Proben- und das Basis-Medium in der Proben-Zelle zumindest einen Teil des ersten Strahls, oder spezieller zumindest einen Teil des elektrischen Feldes des ersten Strahls. Der verbleibende, nicht absorbierte, Teil des ersten Lichtstrahls 50' (d.h. des Proben-Signals) verlässt dann die Probenzelle mit einem elektrischen Proben-Feld ES. Während in ähnlicher Weise der zweite Lichtstrahl 52 durch die Referenz-Zelle 54 verläuft, absorbiert das Basis-Medium in der Referenz-Zelle zumindest einen Teil des zweiten Strahls, oder spezieller zumindest einen Teil des elektrischen Feldes des zweiten Strahls. Der verbleibende, nicht absorbierte, Teil des zweiten Lichtstrahls 52' (d.h. des Referenz-Signals) verlässt dann die Referenz-Zelle mit dem elektrischen Proben-Feld ER. In beiden Pfaden bleibt die Polarisation des Proben- und Referenz-Signals typischerweise ungeändert gegenüber dem durch die jeweiligen Zellen verlaufenden ersten und zweiten Strahl. In Fortsetzung des oben genannten Beispiels kann dann das Probensignal eine 0° Polarisation aufweisen, wohingegen das Referenzsignal eine 90° Polarisation aufweisen kann.
  • Von der Proben- und Referenz-Zelle 54, 56 werden das Proben- und Referenz-Signal 50', 52' Polarisations-bezogen verarbeitet, um elektrische Summen- und Differenz-Felder zu erzeugen, wie in Block 86 von 7 gezeigt ist. Insbesondere verlaufen das Proben- und das Referenz-Signal zu einem zweiten polarisierenden Strahlteiler 60. Wie gezeigt, verläuft das Proben-Signal zu dem zweiten polarisierenden Strahlteiler über einen zweiten Reflektor 62. Der zweite polarisierende Strahlteiler kombiniert seinerseits das Proben- und Referenz-Signal zu einem rekombinierten Signal 46' mit einem elektrischen Feld EOUT. In dieser Hinsicht werden in einer typischen Ausführungsform, welche sowohl den erster Reflektor 58 als auch den zweiten Reflektor aufweist, die optischen Pfadlängen vom ersten polarisierenden Strahlteiler 48 zum zweiten polarisierenden Strahlteiler einander gleichgesetzt, so dass der zweiten polarisierender Strahlteiler das Proben- und Referenz-Signal in Phase kombiniert. Da aber die elektrischen Felder des Proben- und Referenz-Signals einen 90°-Polarisations-Versatz aufweisen, beinhaltet das elektrische Feld des rekombinierte Signals EOUT eine erste Elektrisches-Feld-Komponente bei einer ersten Polarisation und eine zweite Elektrisches-Feld-Komponente bei einer zweiten Polarisation. Die erste Komponente und erste Polarisation können dann zu dem elektrischen Feld und der Polarisation des Proben-Signals korrespondieren, wohingegen die zweite Komponente und die zweite Polarisation zu dem elektrischen Feld und der Polarisation des Referenz-Signals korrespondieren. Daher kann beispielsweise das rekombinierte Signal eine Elektrisches-Proben-Feld-Komponente ES mit einer 0°-Polarisation und eine Elektrisches-Referenz-Feld-Komponente ER mit einer 90°-Polarisation beinhalten.
  • Nach dem zweiten polarisiserenden Strahlteiler 60 verläuft das rekombiniertes Signal 46' zu einem Analysator 64 zum Aufteilen des rekombinierten Signals in zwei Teile, ein Summensignal 66 und ein Differenzsignal 68. Der Analysator kann das rekombinierte Signal in ein Summensignal von Licht, welches eine 45° Polarisation aufweist, und ein Differenz-Signal von Licht, welches eine 135° Polarisation aufweist, aufteilen. Wie oben angegeben weist das Summensignal ein elektrisches Feld Ey auf, welches proportional zur Summe der elektrischen Felder der elektrischen Probe- und Referenz-Feldkomponente ist (das heisst Ey =(1/√2)(ES + ER)). Im Gegensatz dazu weist das Differenzsignal ein elektrisches Feld Ex auf, welches proportional zur Differenz der elektrischen Felder der elektrischen Probe- und Referenz-Feldkomponente ist (das heisst Ex = (1/√2)(ES – ER)). Daher erzeugt gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung der Analysator eine Elektrisches-Feld-Summe Ey und eine Elektrisches-Feld-Differenz Ex aus den elektrischen Feldern des Proben- und Referenz-Signals 50', 52' aus der Proben- und Referenz-Zelle 54, 56.
  • Wie oben angegeben, und unten erklärt, ist durch Erzeugen der Elektrisches-Feld-Differenz das System 40 von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dazu in der Lage, ein Maß der Absorption, und dementsprechend eine Absorptions-Signatur der Probe in der Proben-Zelle mit einem reduzierten Rausch-Untergrund und daher mit erhöhter Sensitivität zu detektieren.
  • Nach dem Analysator 64 verläuft das Summensignal 66 zu einer ersten Fokussierlinse 70a (beispielsweise Linse 20a), von wo das fokussierte Summensignal von einem ersten Empfänger 72a (beispielsweise Empfänger 22a) aufgenommen oder auf andere Weise empfangen wird. In ähnlicher Weise verläuft das Differenzsignal 68 zu einer zweite Fokussierlinse 70b (beispielsweise Linse 20b), von wo das fokussierte Differenzsignal von einem zweiten Empfänger 72b (beispielsweise Empfänger 22b) aufgenommen oder auf andere Weise empfangen wird. Der erste und zweite Empfänger bewirken Messungen, welche für die Elektrisches-Feld-Summe Ey beziehungsweise die Elektrisches-Feld-Differenz Ex des Summen- beziehungsweise Differenz-Signals repräsentativ sind, wie in Block 88 in 7 gezeigt ist. Wie oben angegeben, umfassen der erste und zweite Empfänger einer Ausführungsform einen Leistungs-Detektor beziehungsweise einen Photomischer-Empfänger (Heterodyn-Empfänger). In dieser Hinsicht kann der Photomischer-Empfänger durch Entfernen der großen Gleichtakt-Elektrisches-Feld-Komponente aus der Elektrisches-Feld-Differenz Ex mit dem größten theoretischen Verstärkungsgrad arbeiten, um hierdurch überlegene Rauschverhalten bereitzustellen, insbesondere wenn Spannungs-Rauschen eines nach dem Empfänger angeordneten Verstärkers als die vorherrschende Rausch-Quelle wirkt.
  • Wie oben angegeben, wird in dem Photomischer-Empfänger 72b das Differenzsignal 68 bei der transmittierten Frequenz (beispielsweise ω1 – ω2) mit einem Lokaloszillator-Strahl von Licht bei einer Frequenz ωLO kombiniert, und anschließend auf den Photomischer fokussiert. Der Photomischer-Empfänger arbeitet seinerseits in einer Weise, welche dem Photomischer-Transmitter ähnlich ist, um ein Strom- oder Spannungs-Signal bei einer intermediären Differenzfrequenz (beispielsweise ω1 – ω2 – ωLO) zu erzeugen, wo das erzeugte Signal infolge von von dem Differenz-Strahl erzeugten Strahlungs-Veränderungen variiert. Durch Detektieren von Veränderungen des erzeugten Signals erhält der Photomischer-Empfänger ein Maß der Strahlung, oder der Elektrisches-Feld-Differenz Ex.
  • Nach dem erste Empfänger 72a kann, muss aber nicht, die gemessene Summenleistung (ΣE)2 einem ersten Verstärker 74a zugeführt werden (beispielsweise Verstärker 24a), welcher eine erste Skalierungs-Konstante K1 aufweist. In ähnlicher Weise kann, muss aber nicht, die gemessene elektrische Felddifferenz von dem zweiten Empfänger 72b einem zweiten Verstärker 74b zugeführt werden (beispielsweise Verstärker 24b), welcher eine zweite Skalierungs-Konstante K2 aufweist. Anschließend werden die verstärkte gemessene Elektrisches-Feld-Summe und -Differenz von einem Daten-Aufnahme-Prozessor 76 (beispielsweise Prozessor 26) aufgenommen. Wie Prozessor 26, kann der Daten-Aufnahme-Prozessor das Leistungs-Verhältnis des nicht-absorbierten Probe- und Referenz-Signals 50', 52' auf der Basis von der gemessenen Summenleistung und Elektrisches-Feld-Differenz bestimmen, wie in Block 90 von 7 gezeigt. Nach dem ersten und zweiten Verstärker empfängt dann der Daten-Aufnahme-Prozessor die Ausgabe des ersten Empfängers als VD = K1 × ΣE2, und empfängt die Ausgabe des zweiten Empfängers als Vo = K2 × ΔE, wie in 5 gezeigt. Nach Empfang der verstärkten Ausgaben kann der Daten-Aufnahme-Prozessor dann auf der Basis von Gleichung (7) die/eine Transmission der Probe im Proben-Kanal berechnen. Insbesondere kann durch Vernachlässigen der Terme zweiter Ordnung von Gleichung (7) der Daten-Aufnahme-Prozessor die Transmission T der Probe wie folgt berechnen:
    Figure 00140001
  • Es sei angemerkt, dass die verstärkten Ausgaben VD und Vo in Ausdrücke für die elektrischen Felder des Summen- und Differenz-Signals wie folgt neu angeordnet werden können:
    Figure 00150001
  • Durch Substituieren der Ausdrücke (9) in Gleichung (8) kann die Transmission der Probe vermittels der verstärkten Ausgaben VD und Vo gemäß der folgenden Gleichung (10) ausgedrückt werden:
    Figure 00150002
  • Beim Betrieb als ein Spektrometer wechselt das System 40 durch eine Anzahl von Transmissions-Frequenzen in einem Frequenz-Bereich, wie etwa mittels Pumpens des Photomischers des Transmitters 42 mit einer Laserquelle bei einer festen Frequenz ω2 und einer Laserquelle bei einer durchstimmbaren Frequenz ω1, welche durch eine Anzahl von Frequenzen durchgestimmt wird, wie in den Blöcken 92 und 94 von 7 gezeigt ist. Für jede Transmissions-Frequenz im Frequenz-Bereich, und daher jeden Lichtstrahl 46, welcher eine andere Transmissionsfrequenz aufweist, berechnet der Daten-Aufnahme-Prozessor die Transmission T der Probe in dem Proben-Kanal. Die resultierende Sammlung von Transmissionen T und zugeordneten Transmissionsfrequenzen definiert eine gemessene Absorptions-Signatur für die Probe in der Probenzelle 54, welche für das Basismedium in der Probezelle und der Referenz-Zelle 56 normalisiert ist, wie in Block 96 aus 7 gezeigt ist.
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen daher ein verbessertes System und Verfahren zum Detektieren der Leistung elektromagnetischer Signale bereit, wie sie im Spektroskopie-Kontext angewendet werden können. Das duale System mit Proben- und Referenz-Kanal etabliert ein Differenz-Signal, welches im zweiten (beispielsweise Photomischer-) Empfänger den Detektor-Rausch-Untergrund umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der gesperrten Gleichtakt-Leistung vermindert. In dieser Hinsicht sei als Beispiel betrachtet, dass das/ein Zurückweisen von 1 Milliwatt Gleichtakt-Leistung auf ein verbleibendes Niveau von 10 Mikrowatt die Rausch-Äquivalenz-Transmission um einen Faktor von 10 verbessert.
  • Einem Fachmann werden viele Modifikationen und andere Ausführungsformen der Erfindung einfallen, auf welche sich diese Erfindung bezieht, welche den Vorzug der in der vorangegangenen Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen präsentierten Lehren aufweisen. Daher versteht es sich, dass die Erfindung nicht auf die spezifischen offenbarten Ausführungformen begrenzt sein soll, und dass Modifikationen und andere Ausführungsformen innerhalb des Bereiches der beigefügten Ansprüche mit beinhaltet sein sollen. Obwohl spezifische Begriffe hierin verwendet werden, werden sie nur in einem allgemeinen und beschreibenden Sinne verwendet, und nicht zu Begrenzungs-Zwecken.

Claims (12)

  1. System, welches umfasst: eine Empfänger-Anordnung zum Empfangen eines Signals, welches eine Proben-Komponente mit einem elektrischen Proben-Feld und einer Proben-Polarisation aufweist, und welches eine Referenz-Komponente mit einem elektrischen Referenz-Feld und einer Referenz-Polarisation aufweist, wobei die Referenz-Polarisation gegenüber der Proben-Polarisation versetzt ist, wobei die Empfänger-Anordnung umfasst: einen Analysator zur Polarisations-Verarbeitung des Signals, wobei der Analysator dazu geeignet ist, das Signal zu differenzieren, um ein elektrisches Differenz-Feld zu erzeugen, welches zu der Differenz des elektrischen Probe- und Referenz-Feldes proportional ist, wobei das Polarisations-Differenzieren einen Betrag einer Gleichtakt-Amplitude des elektrischen Probe- und Referenz-Feldes vermindert; und einen Elektrisches-Feld-Detektor zum Messen des elektrischen Differenz-Feldes, wobei die Gleichtakt-Amplituden-Reduktion eine äquivalente Rausch-Leistung des Elektrisches-Feld-Detektors vermindert.
  2. System gemäß Anspruch 1, wobei der Analysator ferner dazu geeignet ist, das Signal aufzusummieren, um ein elektrisches Summenfeld zu erzeugen, welches zur Summe des elektrischen Probe- und Referenz-Feldes proportional ist, und wobei die Empfänger-Anordnung ferner umfasst: einen Leistungs-Detektor zum Messen einer auf dem elektrischen Summenfeld basierten Summenleistung; und einen Prozessor zum Berechnen eines Leistungs-Verhältnisses auf der Basis des gemessenen elektrischen Differenz-Feldes und der gemessenen Summenleistung.
  3. System gemäß Anspruch 1, ferner umfassend: einen Strahlteiler zum Erzeugen eines ersten und eines zweiten Strahls aus einem Quellstrahl; eine Probe-Zelle zum Empfangen des ersten Strahls und Ausgeben eines Probe-Signals mit einem elektrischen Probe-Feld, wobei die Probe-Zelle ein Probe-Medium und ein Basis-Medium beinhaltet; eine Referenz-Zelle zum Empfangen des zweiten Strahls und Ausgeben eines Referenz-Signals mit einem elektrischen Referenz-Feld, wobei die Referenz-Zelle das Basis- Medium beinhaltet, wobei das Probe-Signal und das Referenz-Signal einen Polarisations-Versatz aufweisen; und einen polarisierenden Strahlteiler zum Kombinieren des Probe-Signals und des Referenz-Signals in das Signal, welches die Probe-Komponente und die Referenz-Komponente aufweist.
  4. System gemäß Anspruch 3, wobei der Analysator ferner dazu geeignet ist, das Signal aufzusummieren, um ein elektrisches Summenfeld zu erzeugen, welches zur Summe des elektrischen Probe-Feldes und Referenz-Feldes proportional ist, und wobei die Empfänger-Anordnung ferner umfasst: einen Leistungs-Detektor zum Messen einer auf dem elektrischen Summenfeld basierten Summenleistung; und einen Prozessor, welcher zum Berechnen eines Leistungs-Verhältnisses auf der Basis des gemessenen elektrischen Differenz-Feldes und der gemessenen Summenleistung geeignet ist.
  5. System gemäß Anspruch 4, wobei der Prozessor dazu geeignet ist, ein Leistungs-Verhältnis des Probe-Signals und des Referenz-Signals auf der Basis des gemessenen elektrischen Differenz-Feldes und der gemessenen Summen-Leistung zu berechnen, wobei das Leistungs-Verhältnis für eine Transmission der Probe repräsentativ ist.
  6. System gemäß Anspruch 4, wobei der Quellstrahl eine Transmissions-Frequenz aufweist, und wobei das System ferner umfasst: einen Transmitter zum Abtasten/Scannen des Quellstrahls durch eine Mehrzahl von Transmissions-Frequenzen in einem Frequenz-Bereich, wobei der Strahlteiler, die Probe-Zelle, die Referenz-Zelle, der polarisierende Strahlteiler, der Analysator, der Elektrisches-Feld-Detektor, der Leistungs-Detektor und der Prozessor dazu geeignet sind, einen ersten und einen zweiten Strahl zu erzeugen, ein Proben-Signal auszugeben, ein Referenz-Signal auszugeben, das Proben-Signal und das Referenz-Signal zu kombinieren, das elektrische Differenz-Feld zu messen, die Summen-Leistung zu messen, und für jede Transmissionsfrequenz ein Leistungs-Verhältnis zu berechnen, um ein Leistungs-Verhältnis für jede Transmissionsfrequenz zu erhalten, wobei das Leistungs-Verhältnis bei jeder Transmissionsfrequenz für eine Transmission der Probe repräsentativ ist, und wobei der Prozessor dazu geeignet ist, auf der Basis der Transmissionen und der zugeordneten Transmissions-Frequenzen eine gemessene Absorptions-Signatur des Proben-Mediums zu definieren.
  7. System gemäß Anspruch 1, wobei der Elektrisches-Feld-Detektor der Empfänger-Anordnung einen Heterodyn-Empfänger umfasst.
  8. Verfahren, welches umfasst: Empfangen eines Signals, welches eine Proben-Komponente mit einem elektrischen Proben-Feld und einer Proben-Polarisation aufweist, und welches eine Referenz-Komponente mit einem elektrischen Referenz-Feld und einer Referenz-Polarisation aufweist, wobei die Referenz-Polarisation gegenüber der Proben-Polarisation versetzt ist, Polarisations-Verarbeitung des Signals, wobei der Polarisations-Verarbeitungs-Schritt Differenzieren des Signals zum Erzeugen eines elektrischen Differenz-Feldes, welches zu der Differenz des elektrischen Probe- und Referenz-Feldes proportional ist, beinhaltet, und wobei das Polarisations-Differenzieren einen Betrag einer Gleichtakt-Amplitude des elektrischen Probe- und Referenz-Feldes vermindert; und Messen des elektrischen Differenz-Feldes mittels eines Elektrisches-Feld-Detektors, wobei die Gleichtakt-Amplituden-Reduktion eine äquivalente Rausch-Leistung des Elektrisches-Feld-Detektors vermindert.
  9. Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei der Polarisations-Verarbeitungs-Schritt ferner Aufsummieren des Signals zum Erzeugen eines elektrischen Summenfeldes, welches zu der Summe des elektrischen Probenfeldes und Referenzfeldes proportional ist, beinhaltet, und wobei das Verfahren ferner umfasst: Messen einer auf dem elektrischen Summenfeld basierten Summenleistung mit einem Leistungs-Detektor; und Berechnen eines Leistungsverhältnisses auf der Basis des gemessenen elektrischen Differenzfeldes und der gemessenen Summenleistung.
  10. Verfahren gemäß Anspruch 8, ferner umfassend: Erzeugen eines ersten und eines zweiten Strahls aus einem Quellstrahl; Fortschreiten-Lassen des ersten Strahls durch eine Probe-Zelle, um hierdurch ein Proben-Signal mit einem elektrischen Probe-Feld zu etablieren, wobei die Probe-Zelle ein Probe-Medium und ein Basis-Medium beinhaltet; Fortschreiten-Lassen des zweiten Strahls durch eine Referenz-Zelle, um hierdurch ein Referenz-Signal mit einem elektrischen Referenz-Feld zu etablieren, wobei die Referenz-Zelle das Basis-Medium beinhaltet, wobei das Proben-Signal und das Referenz-Signal einen Polarisations-Versatz aufweisen; und Kombinieren des Proben-Signals und des Referenz-Signals in das Signal, welches die Probe-Komponente und die Referenz-Komponente aufweist.
  11. Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei der Polarisations-Verarbeitungs-Schritt ferner Aufsummieren des Signals beinhaltet, um ein elektrisches Summenfeld zu erzeugen, welches zur Summe des elektrischen Proben- und Referenz-Feldes proportional ist, und wobei das Verfahren ferner umfasst: Messen einer auf dem elektrischen Summenfeld basierten Summenleistung mit einem Leistungs-Detektor; und Berechnen eines Leistungs-Verhältnisses auf der Basis des gemessenen elektrischen Differenzfeldes und der gemessenen Summenleistung.
  12. Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei Messen des elektrischen Differenzfeldes Messen des elektrischen Differenzfeldes mit einem einen Heterodyn-Empfänger umfassenden Elektrisches-Feld-Detektor umfasst.
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