DE102007006082A1

DE102007006082A1 - Spektrales Messsystem

Info

Publication number: DE102007006082A1
Application number: DE200710006082
Authority: DE
Inventors: Urs F. Dipl.-El.-Ing. ETH Bögli; Phillippe Dipl.-Phys. ETH Bachmann; Dieter Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. Lubkoll
Original assignee: MSA Auer GmbH
Current assignee: MSA Auer GmbH
Priority date: 2007-02-02
Filing date: 2007-02-02
Publication date: 2008-08-07
Anticipated expiration: 2027-02-03
Also published as: DE102007006082B4

Abstract

Ein spektrales Messsystem zur Ermittlung von Substanzeigenschaften unter Verwendung von Terahertz-Strahlung umfasst: wenigstens zwei Strahlungsquellen (10, 20), von denen wenigstens die erste Strahlungsquelle (10) hinsichtlich ihrer Wellenlänge einstellbar ist, wobei die erste Strahlungsquelle (10) eine erste Strahlung (S1) mit einer vorbestimmten ersten Wellenlänge aussendet und die zweite Strahlungsquelle (20) eine zweite (S2) mit einer vorbestimmten zweiten Wellenlänge aussendet, die von der ersten Wellenlänge verschieden ist; und ist gekennzeichnet durch einen Sensor (90), der auf eine weitere Strahlung (S9) anspricht, welche auf den Strahlungen (S1, S2) der wenigstens zwei Strahlungsquellen (10, 20) basiert; eine Steuerungseinheit (40), die mit den wenigstens zwei Stahlungsquellen (10, 20) und dem Sensor (90) verbunden ist; wobei die Steuerungseinheit (40) dazu ausgebildet ist, die wenigstens zwei Strahlungsquellen (10, 20) anzusteuern und die Wellenlänge der wenigstens einen einstellbaren Strahlungsquelle (10) einzustellen sowie den Sensor (90) auszulesen.

Description

Die Erfindung betrifft die Erzeugung und Erfassung kohärenter Wellen mit Frequenzen im Terahertz-Bereich.
Die Erzeugung und Erfassung von Terahertz-Wellen-Strahlung ist für viele Anwendungen von Interesse. Insbesondere bei Erfassungssystemen in Sicherheitsanwendungen kann die Terahertz-Wellen-Strahlung eingesetzt werden, um biologisches Waffenmaterial, Explosivstoffe, illegale Drogen und viele andere verborgene Objekte aufzufinden. Bis jetzt ist die Anwendung durch die hohen Kosten, die sperrigen Systeme und den schwierigen Betrieb eingeschränkt. Die Erfindung zeigt einige neue Ideen auf, ein Terahertz-System zu moderaten Kosten zu realisieren.
Die bekannten Terahertz-Systeme arbeiten mit Ultrakurz-Laser-Impulsen, die in nichtlinearen Kristallen oder Photoschaltern gleichgerichtet werden und auf diese Weise ihr Spektrum, das für gewöhnlich im nahen Infrarotbereich liegt, zu einem Band zu verschieben, das eine zentrale Frequenz von 0 Hz aufweist. Dies ist äquivalent zu einem Spektrum von nahezu null bis zu einigen Thz.
Bei anderen verwendeten Systemen ist eine nichtlineare optische Differenzfrequenzerzeugung vorgesehen, wobei das nichtlineare Element kontinuierliche (cw) THz-Wellen bei der Schlagfrequenz zweier Laser erzeugt.
Im folgenden werden einige elementare Grundlagen zur Erzeugung und Verwendung von Terahertz-Wellen dargestellt.
Für die Erfassung von Explosivstoffen, biologischen Kampfstoffen und neue bildgebende Verfahren in Sicherheitsanwendungen gibt es einen erheblichen Bedarf. Einige Systeme auf dem Gebiet der Terahertz-Spektroskopie in einigen Forschungslaboratorien haben vielversprechende Ergebnisse gezeigt. Für die Heimatsicherheit, Feuerbekämpfung, Terrorabwehr und Verteidigung ist diese Technologie ein "Muss".
Die Terahertz-Strahlung entspricht elektromagnetischen Wellen im Frequenzbereich zwischen der Hochfrequenzelektronik und der infraroten Strahlung. Dieses Band wird auch als "fernes Infrarot" bezeichnet und liegt im Bereich von 0,1 bis 10 THz (3 mm bis 30 μm). Moleküle weisen Absorptionsbänder in diesem Bereich auf. Daher ist es möglich, dieses Band zur Spektroskopie zu verwenden. Im Prinzip ist es möglich, diese Strahlung auf ähnliche Weisen zu verwenden, wie IR-Strahlung verwendet wird, um Moleküle zu erfassen, zu identifizieren und zu messen.
Bis vor einigen Jahren lag dieses Strahlungsband im Nebel von Messproblemen verborgen. Da es einen Mangel an guten und leicht handhabbaren Strahlungsquellen und Detektoren gab, war die Anwendung auf hochkomplizierte System in der Wissenschaft eingeschränkt.
Der größte Teil der bisherigen Arbeit auf dem Gebiet der Terahertz-Strahlung verwendet Laser als kohärente Strahlungsquellen. Dies steht im Gegensatz zum Infrarot-Bereich, wo die meisten Systeme mit inkohärenten thermischen Strahlungsquellen betrieben werden.
Die Kohärenz charakterisiert, wie gut eine Welle mit sich selber zu einer unterschiedlichen Zeit interferieren kann. Die Verzögerung, über die sich die Phase oder Amplitude um einen signifikanten Betrag ändert (und sich damit die Korrelation um einen signifikanten Betrag verringert) ist als die Kohärenzzeit TC definiert. Die Bandbreite einer Welle mit einer langen Kohärenzzeit ist sehr klein und umgekehrt.
Kohärente Wellen können mit sich selber interferieren. Daher ist es möglich, phasenabhängige Messsysteme für den optischen Bereich zu bilden, vergleichbar mit Lock-In-Verstärkern am Ende der geringen Frequenzen.
Ein Laser kann nur in einigen wenigen ausgewählten Moden oszillieren, die sehr kohärent sind. Indem viele Moden mit fester Phasenbeziehung gestattet sind, ist es möglich, sehr kurze Strahlungsimpulse zu erzeugen.
Während vor einigen Jahren Picosekundenpulse der Standard waren, sind nunmehr kommerzielle Systeme bis hinunter zu einigen Femtosekunden verfügbar. Derart kurze Pulse weisen eine sehr große Bandbreite auf:
1 ps <> 1000 GHz = 1 THz
10 fs <> 100 THz
Dies ist die Bandbreite um die Basiswellenlänge, daher ist dies typischerweise nicht Terahertz-Strahlung.
Nichtlineare Optik ist der Optikzweig, der das Verhalten von Licht in nichtlinearen Medien beschreibt, d. h., Medien, in welchen die Polarisation P nichtlinear auf das elektrische Feld E von Licht antwortet. Diese Nichtlinearität wird typischerweise nur bei sehr hohen Lichtintensitäten beobachtet, wie sie beispielsweise durch gepulste Laser bereitgestellt wird. Verschiedene Frequenzmischvorgänge sind möglich, beispielsweise:

• Frequenzverdopplung (second harmonic generation, SHG), Erzeugung von Licht mit einer verdoppelten Frequenz (der halben Wellenlänge);
• Differenzfrequenzerzeugung (difference frequency generation, DFG), Erzeugung von Licht mit einer Frequenz, die die Differenz zwischen den anderen Frequenzen ist;
• optische Gleichrichtung, Erzeugung quasistatischer elektrischer Felder (ein Spezialfall der DFG).

Die beiden letztgenannten Vorgänge können verwendet werden, um Strahlung vom leicht erzeugbaren Laserlicht im sichtbaren Bereich in den infraroten Bereich hinein zu verschieben. Die Terahertz-Zeitdomänenspektroskopie (THz-TDS) wird mittels eines kohärenten Emissions- und Erfassungssystems durchgeführt, das Einzel-Zyklus-THz-Pulse emittiert und sie unter hohen Wiederholungsraten erfasst. Das Signal wird in der Form eines elektrischen Feldes erfasst und die Fouriertransformation des Pulssignals ergibt sowohl Amplituden- wie auch Phasenspektren über einen breiten spektralen Bereich.
Die THz-TDS ist mit der gut eingeführten Fourier-Transformations-Spektroskopie (FTS) verglichen, die Strahlung in der Form einer Leistung erfasst, aber die TDS ist gegenüber der FTS vorteilhaft, weil sie sowohl Phasen- als auch Amplitudeninformation ergibt.
Im Prinzip ist dies im Frequenzbereich ein homodynes System, bei dem die Laserwellenlängen vom IR- zum THz-Band und zurück mit der Hilfe von nichtlinearen Elementen verschoben werden. Als nichtlineare Elemente kommen beispielsweise Auston-Schalter, Halbleiter oder anorganische Kristalle wie KNO oder organische Kristalle wie DAST in Frage.
In der Zeitdomäne wird der Referenzlaserpuls verzögert, um die empfangene Strahlung streng synchron abzutasten oder zu scannen. Die sich ergebende Kurve – als Funktion der Verzögerungszeit – kann einer Fouriertransformation, beispielsweise einer FFT, unterzogen werden, um ein Spektrum zu erhalten, welches das Produkt des Spektrums der THz-Quelle mit der Übertragungskurve der zu untersuchenden Probe ist.
Mit der Kombination zweier Laserdioden und einem nichtlinearen Element ist es möglich, eine Terahertz-Welle einer einzelnen Wellenlänge zu erzeugen. Das System ist vergleichbar zum wohlbekannten Heterodynsystem, das in jedem Radio verwendet wird.
Ein Verfahren zur Herstellung von Terahertz-Wellen ist beispielsweise aus der US 6,144,679 bekannt. Hierin ist beschrieben, wie zwei Strahlungsquellen auf ein nichtlineares optisches Element gerichtet sind, wobei die Wellenlängen der Strahlungsquellen derart ausgewählt sind, dass im nichtlinearen Element eine dritte Strahlung erzeugt wird, deren Frequenz im Terahertz-Bereich liegt. Allerdings ist in der genannten Druckschriften kein Hinweis auf eine einfache Bestimmung von Substanzeigenschaften von zu untersuchenden Objekten zu finden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein spektrales Messsystem zu schaffen, welches eine rasche und zuverlässige Ermittlung von Substanzeigenschaften gestattet.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 oder des nebengeordneten Patentanspruchs 3 ausgebildeten spektralen Messsystem gelöst. Weitere Merkmale und zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die gemeinsame erfindungsgemäße Idee beruht für beide Lösungen darauf, dass eine Steuerungseinheit Strahlungsquellen ansteuert und in Koordination mit dieser Ansteuerung einen Sensor zur Erfassung einer auf den Strahlungen basierenden weiteren Strahlung ausliest. Zur Realisierung stehen zwei Möglichkeiten zur Verfügung: Zum einen können wenigstens zwei Strahlungsquellen vorgesehen sein, von denen wenigstens eine hinsichtlich der emittierten Wellenlänge einstellbar ist. Zum anderen können mehr als zwei Strahlungsquellen vorgesehen sein, welche festgelegte, voneinander unterschiedliche Wellenlängen emittieren.
Auch bei mehr als zwei Strahlungsquellen kann wenigstens eine hinsichtlich der emittierten Wellenlänge einstellbare Strahlungsquelle vorgesehen sein, so dass die zugehörigen Terahertz-Frequenzen ein kleines Band überstreichen.
Es handelt sich hierbei also um eine Messseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, sowohl eine Eingangsgröße für ein zu untersuchendes Objekt zu steuern, als auch – in zeitlicher Koordination mit dieser Ansteuerung – eine entsprechende Antwort bzw. Ausgangsgröße vom zu untersuchenden Objekt zu erfassen. Diese Messseinrichtung geht somit weit über ein rein passives Messgerät hinaus und geht auch über eine Erzeugungseinrichtung für vorbestimmte Strahlung weit hinaus. Daher wird der erfindungsgemäße Gegenstand als "Messsystem" bezeichnet.
Der Begriff "Strahlung mit einer vorbestimmten ersten Wellenlänge" bezeichnet hier eine elektromagnetische Strahlung, deren Spektrum bei der vorbestimmten Wellenlänge ein relatives Maximum aufweist.
Mit "Substanzeigenschaft" wird hier zusammenfassend auf eine Zusammensetzung wie auch auf spezifische Eigenschaften eines zu untersuchenden Objekts Bezug genommen. Hinsichtlich einer Zusammensetzung kann eine Substanzeigenschaft darin bestehen, dass das Objekt eine oder mehrere Substanzen enthält. Beim Anwendungsfeld der Sicherheit könnte das zu untersuchende Objekt beispielsweise eine Tasche sein, die einen oder mehrere verschiedene Sprengstoffe enthält. Hinsichtlich spezifischer Eigenschaften könnte das zu untersuchende Objekt beispielsweise die Oberfläche eines geöffneten Halbleiterchips sein, dessen Betrieb überwacht werden soll. Die Substanzeigenschaft wäre in diesem Fall dann ein unterschiedliches Reflexionsvermögen der Halbleiterbahnen in Abhängigkeit von unterschiedlichen Betriebszuständen.
Das erfindungsgemäße spektrale Messsystem zu Ermittlung von Substanzeigenschaften unter Verwendung von Terahertz-Strahlung umfasst gemäß einem Hauptaspekt der Erfindung wenigstens zwei Strahlungsquellen, von denen wenigstens die erste Strahlungsquelle hinsichtlich ihrer Wellenlänge einstellbar ist. Es ist in diesem Zusammenhang natürlich auch denkbar, dass mehrere Strahlungsquellen vorgesehen sind, beispielsweise drei oder mehr, von denen mehrere oder sogar alle hinsichtlich ihrer Wellenlänge einstellbar sind.
Die erste Strahlungsquelle sendet eine erste Strahlung mit einer vorbestimmten eingestellten ersten Wellenlänge aus und die zweite Strahlungsquelle sendet eine zweite Strahlung mit einer vorbestimmten zweiten Wellenlänge aus, die von der ersten Wellenlänge verschieden ist. Für die vorgesehenen Anwendungszwecke sind die Strahlungsquellen vorzugsweise als Laser ausgeführt, beispielsweise Nd-YAG- oder Diodenlaser.
Die erste und zweite Strahlung ergeben zusammen eine Strahlungskombination, welche in Zusammenwirken mit verschiedenen optischen Komponenten in eine Wechselwirkung mit einem zu untersuchenden Objekt gebracht wird. In Zusammenwirken mit weiteren optischen Komponenten entsteht in Folge eine weitere Strahlung, die letztlich auf der ersten und zweiten Strahlung basiert. Das erfindungsgemäße Messsystem umfasst einen Sensor, der auf diese weitere Strahlung anspricht. Diese weitere Strahlung wird vom Sensor in ein elektrisches Signal umgewandelt. Ferner umfasst das erfindungsgemäße Messsystem eine Steuerungseinheit. Die Steuerungseinheit ist dazu ausgebildet, die wenigstens zwei Strahlungsquellen anzusteuern und die Wellenlänge der wenigstens einen einstellbaren Strahlungsquelle einzustellen sowie den Sensor auszulesen.
Gemäß einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform entsteht in einem Probenraumbereich, in welchem sich wahlweise das zu untersuchende Objekt befindet, in Abhängigkeit von den Strahlungen der wenigstens zwei Strahlungsquellen eine Terahertz-Strahlung. Die Wellenlänge der Terahertz-Strahlung hängt von den Wellenlängen der Strahlungsquellen ab. Durch Variation der Wellenlänge der einstellbaren Strahlungsquelle und mit der Wellenlängenvariation koordiniertem Auslesen des Sensors ist es dem erfindungsgemäßen Messsystem möglich, ein Terahertz-Spektrum des zu untersuchenden Objekts aufzunehmen. Je nach Anordnung der Komponenten zueinander kann es sich hierbei um ein Absorptions- oder ein Reflexionsspektrum handeln.
Hierbei bewirkt eine geringfügige Verstimmung der einstellbaren Strahlungsquelle bereits eine große Variation im erzeugten Terahertz-Bereich. Der große Vorteil eines derartigen Systems ist, dass viele der erforderlichen Elemente Standardbauteile aus dem Bereich der Faseroptik bei der Telekommunikation oder der Messverfahren im Bereich des nahen Infrarots sind. Im Prinzip könnten der Emitter oder sogar auch der Empfänger in einer Einzel-Chip-Lösung oder als Multichip-Modul in einem Halbleitergehäuse realisiert werden.
In einer alternativen Ausführungsform weist das spektrale Messsystem zur Ermittlung von Substanzeigenschaften unter Verwendung von Terahertz-Strahlung mehr als zwei Strahlungsquellen auf, die Strahlungen mit voneinander verschiedenen festgelegten Wellenlängen aussenden. Denkbar sind hier Anordnungen mit drei oder vier oder mehr Lasern mit festgelegten Wellenlängen. Eine Steuerungseinheit in dieser Ausführungsform ist dazu ausgebildet, diese Mehrzahl von Strahlungsquellen derart anzusteuern, dass aus dieser Mehrzahl von Strahlungsquellen immer nur genau zwei Strahlungsquellen ein- und die übrigen ausgeschaltet sind. In zeitlicher Koordination mit dieser Ansteuerung liest die Steuerungseinheit den Sensor aus, welcher auf eine weitere Strahlung anspricht, die auf der Kombination der jeweils zwei ausgewählten Strahlungsquellen basiert. Bei N Strahlungsquellen sind N·(N-1)/2 verschiedene Strahlungskombinationen realisierbar. Auf diese Weise kann, ähnlich wie oben bereits beschrieben, ein Terahertz-Spektrum eines zu untersuchenden Objekts bei N·(N-1)/2 Stützstellen aufgenommen werden.
Das erfindungsgemäße Messsystem weist ferner eine Ein-Ausgabe-Einheit sowie einen Datenspeicher auf, die beide mit der Steuerungseinheit verbunden sind. Im Datenspeicher ist zumindest ein Terahertz-Spektrum einer bekannten Substanz hinterlegt. Die Steuerungseinheit ist dazu ausgebildet, ein wie oben beschrieben aufgenommenes Terahertz-Spektrum eines zu untersuchenden Objekts mit dem wenigstens einen hinterlegten Terahertz-Spektrum zu vergleichen und das Ergebnis des Vergleichs auf die Ein-Ausgabe-Einheit auszugeben. Wiederum auf eine Anwendung im Sicherheitsbereich bezogen könnte im Datenspeicher ein bekanntes Terahertz-Spektrum eines Sprengstoffs hinterlegt sein. Nachdem ein Terahertz-Spektrum eines zu untersuchenden Objekts wie oben beschrieben aufgenommen wurde, vergleicht die Steuerungseinheit das aktuell gemessene Spektrum mit dem hinterlegten Spektrum. Dieser Vergleich erfolgt mittels einer Methode, die bekanntermaßen zum Vergleich von Spektren herangezogen wird. Beispielsweise könnte ein euklidischer Abstand zwischen dem gemessenen und dem hinterlegten Spektrum berechnet werden. Bei Unterschreiten eines vorgebbaren Schwellwertes wird dann eine Übereinstimmung identifiziert, bei Überschreiten des Schwellwertes wird eine Nichtübereinstimmung identifiziert. Das Ergebnis dieser Ermittlung wird dann auf der Ein-Ausgabe-Einheit ausgegeben. Die Ausgabe kann derart erfolgen, dass bei Nichtübereinstimmung lediglich ein Text mit dem Inhalt "Keine Übereinstimmung gefunden" auf einem Bildschirm ausgegeben wird, während bei einer Übereinstimmung ein Alarmsignal ausgeben wird, zusammen mit dem Text "Alarm: Sprengstoff A identifiziert". Es kann dann aber auch über eine Netzwerkverbindung oder eine Telekommunikationsverbindung (z. B. ISDN- oder GSM-Modul) eine Warnnachricht an vorbestimmte Personen oder Einrichtungen gesendet werden.
Im Datenspeicher kann eine Mehrzahl von Terahertz-Spektren bekannter Substanzen hinterlegt werden. Nach erfolgter Aufnahme des Terahertz-Spektrums eines zu untersuchenden Objektes ist die Steuerungseinheit dann in der Lage, durch Vergleich der hinterlegten Spektren mit dem aufgenommenen Spektrum zu ermitteln, welche Substanz sich im zu untersuchenden Objekt befindet. Beispielsweise könnten Terahertz-Spektren von üblichen Sprengstoffen sowie Terahertz-Spektren von üblichem (harmlosen) Verpackungs- oder Taschenmaterial wie Leder, PE, Leinen, etc. hinterlegt sein. So kann eine größere Sicherheit dahingehend erzielt werden, dass ein notwendiger Alarm nicht unterdrückt wird. Außerdem ist es möglich, vor einem Zusammenbau und einer Programmierung des Messsystems Terahertz-Spektren von Substanzkombinationen aufzunehmen. Beispielsweise kann eine Spektrenreihe mit 99% Sprengstoff A, 1% Leder bis 10% Sprengstoff A, 90% Leder aufgenommen werden. Wenn diese Spektrenreihe im Datenspeicher hinterlegt ist, ist das erfindungsgemäße Messsystem dazu in der Lage, auch Substanzzusammensetzungen zu ermitteln. Auch vorab aufgenommene Messreihen mit Kombinationen von mehr als zwei Bestandteilen sind möglich. Auf diese Weise ist die Zuverlässigkeit des Messsystems erhöht. Für Sicherheitsanwendungen kann dies von ausschlaggebender Bedeutung sein. Besonders vorteilhaft bei diesem Messsystem ist, dass auch weitgehend ungeschultes Bedienpersonal damit arbeiten kann. Damit kann dieses System leicht beispielsweise auch auf Flughäfen eingesetzt werden, wo für gewöhnlich ein hoher Durchsatz an Untersuchungen erforderlich ist.
Die Strahlengänge der Strahlungsquellen sind bei dem erfindungsgemäßen Messsystem derart auf einen Referenzstrahlteiler gerichtet, dass ein Teilstrahl auf ein erstes optisches Element fällt und ein zweiter Teilstrahl auf ein Umlenksystem gerichtet ist.
Vom ersten optischen Element kann dann ein Strahlungsfeld emittiert werden, das zusätzlich zu den eingestrahlten Wellenlängen weitere Wellenlängen umfassen kann.
Ein zweites optisches Element ist in Relation zum ersten optischen Element und zum Umlenksystem derart angeordnet, dass es wenigstens einen Teil der Strahlung des Strahlungsfeldes aufnehmen kann. Beispielsweise können in einer Ausführungsform das erste optische Element, das zweite optische Element und der Probenraumbereich, der die Probe enthält, in einer Reihe hintereinander angeordnet sein. Dann würde die Probe quasi durchleuchtet werden, es würde also in Transmission gemessen werden. Dies bietet sich an, wenn flüssige oder gasförmige Medien zu untersuchen sind. Alternativ könnten die optischen Elemente im Verhältnis zur Probe auch derart angeordnet sein, dass in Reflexion gemessen wird. Dies ist vorteilhaft, wenn beispielsweise die Aktivität eines Halbleiterchips beobachtet werden soll.
Vorzugsweise wird vom zweiten optischen Element eine Strahlung emittiert, die vom Sensor erfasst werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Strahlungsquellen als Laser und das erste und zweite optische Element als nichtlineare optische Elemente ausgebildet.
Beispielsweise sind die Strahlungsquellen als Diodenlaser ausgebildet. Diodenlaser weisen den besonderen Vorzug auf, dass sie klein und relativ preiswert verfügbar sind.
Besonders vorteilhaft wirken die Strahlungskombination der Strahlungsquellen und das erste nichtlineare optische Element derart zusammen, dass das Strahlungsfeld eine Strahlung im Terahertz-Bereich von 0,1 Terahertz bis 100 Terahertz ist. Dieser Frequenzbereich ist zur Durchstrahlung opaker Proben besonders gut geeignet. Während Röntgenstrahlung zu gefährlich ist und herkömmliche Infrarotstrahlung und sichtbares Licht zu schwach sind, stellt die Terahertzstrahlung eine praktische Möglichkeit dar, gefahrlos und sicher Proben zu durchleuchten.
Das Umlenksystem kann durch Spiegel realisiert sein, alternativ ist es aber auch angedacht, lichtleitende Fasern einzusetzen. Über das Umlenksystem wird die ungestörte, d. h. durch das nichtlineare optische Element unbeeinflusste, Strahlungskombination von den Strahlungsquellen als Referenzstrahlung auf das zweite nichtlineare optische Element gerichtet. Im nichtlinearen optischen Element Wechselwirken dann die Terahertz-Strahlung und die Referenzstrahlung derart miteinander, dass wieder eine leicht detektierbare Strahlung entsteht.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messsystems sind die Strahlungsquellen mit einem Strahlungsverstärker auf einem Halbleiterchip integriert. Dies gestattet eine besonders kompakte Bauweise. Zudem werden die Herstellung und die Justierung beim Zusammenbau des erfindungsgemäßen Messsystems erheblich vereinfacht.
Das Messsystem ermöglicht, dass wenigstens eine der Strahlungsquellen sinusoidal oder rechteckförmig moduliert wird. Auf dieses Weise kann auch die Abweichung der Absorptionsspektren gemessen werden.
Ferner sind im Messsystem die Strahlengänge der mehr als zwei Strahlungsquellen derart anordbar, dass sie auf das erste optische Element gerichtet sind, so dass eine Mehrzahl von Terahertz-Wellen gemäß vorbestimmten Schaltfrequenzen der Strahlungsquellen erzeugt werden kann.
Im erfindungsgemäßen Messsystem kann jede Strahlungsquelle mit einer anderen Frequenz beschaltet werden, so dass die sich ergebenden Terahertz-Wellen bei unterschiedlichen Frequenzen moduliert werden können. Durch die auf diese Weise erzeugte Schaltabfolge können beispielsweise zunächst die erste und zweite, danach die zweite und dritte und zum Schluss die dritte und die erste Strahlungsquelle auf den nichtlinearen Kristall einstrahlen, so dass nacheinander drei unterschiedliche Terahertz-Wellen erzeugt werden.
Ferner ist im erfindungsgemäßen Messsystem das Phase-matching im ersten optischen Element durch unterschiedliche Phasenwinkel der einfallenden Strahlung verbessert. Es ist ein bekanntes Problem in der nichtlinearen Optik, dass die durch die nichtlinearen Effekte erzeugten neuen Strahlungsfelder sich mit anderen Geschwindigkeiten im nichtlinearen Element fortbewegen als die ursprünglich eingestrahlten Strahlungsfelder. Hierdurch können Phasenbeziehungen entstehen, die zu unerwünschten destruktiven Interferenzen führen. Dieses Problem wird durch das sogenannte Phase-matching (index-matching, Anpassung der Brechungsindizes) gelöst. Durch geeignete Ausnutzung von Dispersion und Doppelbrechung, sowie geeignete Anordnung der Strahlungsfelder in Bezug auf die Achsen des anisotropen nichtlinearen optischen Elements läßt sich ein günstigeres Interferenzverhalten einstellen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messsystems sind die Strahlungen der Strahlungsquellen auf optische Fasern koppelbar. Auf diese Weise entfallen Umlenkspiegel, die erst aufwändig justiert werden müssen, damit die Strahlungen in vorbestimmter Weise auf das erste optische Element fallen.
Insbesondere können die Strahlungen der Strahlungsquellen auf eine einzelne optische Faser koppelbar sein. Wenn nur noch eine Faser vorliegt, ist es besonders einfach, das austretende Strahlungsfeld auf das erste optische Element zu richten. Dies vereinfacht nochmals die Fertigung des Messsystems.
Das Austrittsende der genannten Faser ist derart in Bezug auf das erste optische Element und das zweite optische Element anordbar, dass die aus der Faser austretende Strahlung teilweise auf das erste optische Element und teilweise auf das zweite optische Element fallen kann. Dies wird dadurch erreicht, dass am Austrittsende der Faser ein Strahlteiler angeordnet ist, dessen eine Strahlungsaustrittsfläche dem ersten optischen Element und dessen andere Strahlungsaustrittsfläche dem zweiten optischen Element zugewandt ist.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messsystems sind abbildende optische Elemente vorgesehen. Dies können beispielsweise aus Polyethylen gefertigte Linsen sein. Diese Linsen können ferner als Fresnellinsen ausgeführt sein.
Wenigstens eines der optischen Elemente ist als nichtlineares optisches Element ausgeführt, das aus DAST (Dimethyl amino 4-N-Methylstilbazolium tosylat), KDP, ADP, Lithiumniobat, Ba2NaNb5O15, Quarz, GaAs, GaP, BaTiO3, ZnO oder CdS besteht. Diese Aufzählung möglicher Ausgangsmaterialien ist lediglich als beispielhaft anzusehen. Andere geeignete Materialien können ebenfalls zur Verwendung in Frage kommen.
Im erfindungsgemäßen Messsystem kann die Steuerungseinheit als ASIC ausgeführt sein. Wenn die Steuerungseinheit als ASIC ausgeführt ist, ist eine leichte und preiswerte Massenproduktion möglich. Alternativ kann die Steuerungseinheit auch als DSP ausgeführt sein. Damit ist eine besonders rasche Verarbeitung der Messdaten möglich. Auf diese Weise können auch aktuell gemessene Spektren mit einer großen Anzahl an Stützstellen schnell mit den hinterlegten Spektren verglichen werden, so dass eine rasche und sehr zuverlässige Angabe von Substanzeigenschaften möglich ist.
Im erfindungsgemäßen Messsystem kann die Steuerungseinheit alternativ als Embedded System ausgeführt ist. Dies ist insbesondere für Messaufbauten im Bereich der Forschung vorteilhaft. Damit ist eine leichtere Umkonfigurierbarkeit und Anpassung an veränderte Messaufgaben ermöglicht.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann beim erfindungsgemäßen Messsystem der Datenspeicher von einer externen Quelle konfiguriert werden. Auf diese Weise können dynamisch, d. h. auch noch nach einer Fertigung und Auslieferung weitere Datensätze in Form von Wellenlängen, Intensitäten und zugeordneten Materialangaben zugeführt werden.
Insbesondere ist es bei dem erfindungsgemäßen Messsystem möglich, den Datenspeicher über eine Netzverbindung, eine Internetverbindung, eine Telekommunikationsverbindung oder eine induktive Verbindung zu konfigurieren.
Selbstverständlich ist alternativ auch daran zu denken, den Speicher einfach auszuwechseln. Eine raschere Neukonfiguration ist selbstverständlich über die rein elektronischen Wege möglich. Die Neukonfiguration des Speichers kann ein Hinzufügen von weiteren Datensätzen umfassen. Es aber selbstverständlich auch möglich, einen Freischaltcode per Konfigurationsvorgang zuzuführen, durch den bereits abgespeicherte Datensätze in vorbestimmter Weise für Auswerteberechnungen freigeschaltet oder gesperrt werden. Auf diese Weise kann ein Erwerber eines erfindungsgemäßen Messsystem gegen Zahlung einer Gebühr das Messsystem derart nach und nach erweitern, dass immer mehr Substanzen angezeigt werden können, oder im Laufe einer Forschungstätigkeit uninteressant gewordene Substanzen wieder ausgeblendet werden können.
Zusammengefasst ermöglicht das erfindungsgemäße Messsystem also eine Identifizierung von Substanzen oder Substanzeigenschaften, wobei die Besonderheiten einer Terahertz-Strahlung genutzt werden. Die geeignete Ansteuerung mehrerer Strahlungsquellen, beispielsweise Laser oder Laserdioden, führt dazu, dass in einem ersten nichtlinearen optischen Element eine zeitliche Abfolge vorbestimmter Terahertz-Wellenlängen entsteht. Auf diese Weise wird quasi ein Spektrum durchgefahren. Die Messung der sich ergebenden Strahlung unter Zuhilfenahme eines weiteren nichtlinearen optischen Elements führt zu spektralen Informationen der zu untersuchenden Substanz oder Struktur. Die Steuerungseinheit vergleicht dann diese spektralen Informationen mit Spektren bereits bekannter Substanzen oder Strukturen, welche Spektren im Datenspeicher hinterlegt sind. Auf diese Weise kann die Steuerungseinheit ermitteln, welche Substanz/Substanzen/Strukturen bei dem zu untersuchenden Messobjekt vorliegen. Dies gestattet eine besonders rasche Identifizierung gefährlicher Substanzen. Da das erfindungsgemäße Messsystem sehr einfach betrieben werden kann, ist es im höchsten Maße beispielsweise zur Sicherung in Flughäfen oder zur Terrorabwehr geeignet.
Anders gesagt umfasst das erfindungsgemäße Messsystem in einer besonders bevorzugten Ausführungsform nichtlineare Elemente, wie beispielsweise DAST-Kristalle, die von einem oder mehreren Lasern betrieben werden. Insbesondere ist vorgesehen, einen stabilisierten Laser und einen einstellbaren Laser zum Scannen des Terahertz-Spektrums zu verwenden. Alternativ können aber auch mehr als zwei Laser vorgesehen sein. Somit kann quasi-simultan ein vorbestimmter Spektralbereich erfasst werden. Durch Vergleichen der gemessenen Spektren mit Spektren, die in einem Datenspeicher hinterlegt sind, kann dann rasch und zuverlässig ein Hinweis auf die untersuchte Substanz ausgegeben werden. Die Erfassung selber kann optisch synchron unter Verwendung eines zweiten nichtlinearen Elementes durch homodyne Erfassung erfolgen.
Besonders vorteilhaft ist es, N Laser vorzusehen, so dass eine Mehrzahl von Frequenzen im Terahertz-Bereich erzeugt werden können. Mit N Lasern ist es möglich, N·(N-1)/2 verschiedene Terahertz-Wellenlängen zu erzeugen. Zusätzlich kann jede Terahertz-Welle unter individuellen Frequenzen moduliert werden, wenn jeder Laser mit Pulsen gemäß verschiedenen Wiederholungsraten moduliert wird. Die Pulswiederholungsrate der Laser muss in der Weise gewählt sein, dass die Schlagfrequenzen zwischen den Pulswiederholungsraten aller Laser unterschiedlich sind. Dieses Schema kann genutzt werden, um jede der Terahertz-Wellen mit phasensensitiven Elementen, wie beispielsweise Lock-In-Verstärkern, bei ihrer individuellen Frequenz zu erfassen.
Somit ist hier ein preiswertes spektrales Messsystem für den Terahertz-Bereich vorgestellt, wobei die erzielten Lösungen und Leistungsmerkmale, Risiken und Kosten in Bezug auf die Anwendungsgebiete biologischer und chemischer Kampfstoffe, Explosivstoffen sowie "durch-die-Wand-schauen" betont werden.
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen spektralen Messsystems werden anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung des spektralen Messsystems in einer ersten Ausführungsform;
2 drei Terahertz-Spektren von unterschiedlichen Sprengstoffen;
3 eine schematische Darstellung des spektralen Messsystems in einer zweiten Ausführungsform;
4 ein schematisches Ansteuerungsdiagramm der Laser beim spektralen Messsystem in der zweiten Ausführungsform;
4a ein alternatives schematisches Ansteuerungsdiagramm der Laser beim Messsystem in der zweiten Ausführungsform;
5 eine schematische Darstellung des spektralen Messsystems in einer dritten Ausführungsform;
6 eine schematische Darstellung des spektralen Messsystems in einer vierten Ausführungsform; und
7 eine schematische Darstellung des spektralen Messsystems in einer fünften Ausführungsform.
Die 1 zeigt die erste erfindungsgemäße Ausführungsform des spektralen Messsystems. Hierbei sind nur die zur Erläuterung der Erfindung unbedingt erforderlichen Elemente dargestellt. Es ist klar, dass weitere Elemente in bekannter Weise eingebaut sein können, wie beispielsweise variierbare Delay-Strecken, λ/2- oder λ/4-Plättchen, geeignet gewählte Filter und dergleichen. Ein erster Laser 10 (erste Strahlungsquelle) und ein zweiter Laser 20 (zweite Strahlungsquelle) werden über die jeweilige Schnittstelle 41 und 42 von einer Steuerungseinheit 40 angesteuert. Die Steuerungseinheit 40 ist dazu ausgebildet, die Laser 10 und 20 an- und auszuschalten. Die Steuerungseinheit 40 ist ferner dazu in der Lage, die Wellenlänge wenigstens eines der Laser 10, 20 einzustellen. Dies wird durch eine geeignete Einstellung der Temperatur und des Betriebsstromes, des jeweiligen Lasers 10, 20 erreicht. Im vorliegenden Beispiel wird angenommen, dass die Wellenlänge des Lasers 10 in vorbestimmter Weise eingestellt wird. Beispielsweise emittiert der Laser 10 mit einer einstellbaren Wellenlänge, die in einem Wellenlängenbereich von 1580 bis 1600 nm liegt, während der Laser 20 fest auf eine Wellenlänge 1602 nm eingestellt ist. Auf diese Weise kann mittels eines nichtlinearen optischen Elements eine einstellbare Terahertz-Strahlung von 0.23 bis 2.6 Thz erzeugt werden.
Die Austrittsöffnung des ersten Lasers 10 ist auf einen undurchlässigen Spiegel 11 gerichtet, der so angeordnet ist, dass er die Strahlung des ersten Lasers 10 auf eine Eintrittsfläche eines nachgeordneten Strahlteilers 21 richtet. Die Austrittsöffnung des zweiten Lasers 20 ist auf eine zweite Eintrittsfläche des Strahlteilers 21 gerichtet.
In der vorliegenden Ausführungsform ist dem ersten Strahlteiler 21 ein zweiter Strahlteiler 51 nachgeordnet, der den Strahl S5 in die Strahlen S5' und S5'' aufteilt. In alternativen Ausführungsformen können mehrere Laser vorgesehen sein (s. u.). In der vorliegenden Ausführungsform ist die Austrittsfläche des ersten Strahlteilers 21 der Eintrittsfläche des zweiten Strahlteilers 51 zugewandt. Eine Austrittsfläche des zweiten Strahlteilers 51 ist einer Eintrittsfläche eines ersten nichtlinearen optischen Elementes 50, beispielsweise einem DAST-Kristall, zugewandt. Eine weitere Austrittsfläche des zweiten Strahlteilers 51 ist einer Strahlumlenk-Vorrichtung 52, 53 zugewandt. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Strahlumlenk-Vorrichtung 52, 53 aus zwei Spiegeln 52 und 53 ausgeführt, sie kann aber auch besonders einfach handhabbar als Lichtfaser 52' ausgeführt sein.
Der Austrittsfläche des ersten nichtlinearen optischen Elementes 50 ist die Eintrittsfläche eines zweiten nichtlinearen optischen Elementes 60 zugewandt angeordnet. Das zweite nichtlineare optische Element 60 kann ebenfalls aus einem geeignet vorbereiteten DAST-Kristall gebildet sein. Der zwischen den beiden nichtlinearen optischen Elementen 50 und 60 befindliche Raum R ist dazu vorgesehen, als Probenraumbereich R wahlweise das zu untersuchende Objekt aufzunehmen.
Statt einen Teil der Sender-Strahlung S5'' als Referenz zum nichtlinearen, optischen Element 60 zu führen, kann lokal eine Strahlung erzeugt werden, um die Terahertz-Strahlung wieder ins Infrarote zu verschieben. Analog wäre dies ein Lokaloszillator im Radioempfänger. Es kann aber auch ein Bolometer oder ein anderer Terahertz-Detektor direkt ohne das nichtlineare optische Element 60 eingesetzt werden. Die verschiedenen Wellenlängen im Terahertz-Bereich wären dann vielleicht nicht unterscheidbar, sind dies aber, da sie mit verschiedenen Frequenzen empfindlich moduliert sind.
Die Austrittsfläche des zweiten nichtlinearen optischen Elementes 60 ist der strahlungssensitiven Fläche eines geeigneten Sensors 90 zugewandt. In der vorliegenden Ausführungsform wird eine handelsübliche Photodiode mit einer geeigneten spektralen Empfindlichkeit eingesetzt. In Systemen, die für reine Forschungszwecke ausgelegt sind, kann an dieser Stelle aber auch ein mit flüssigem Helium gekühltes Bolometer vorgesehen sein. Der Sensor 90 ist dazu bestimmt, eine auftreffende Strahlung in ein elektrisches Signal umzuwandeln, das dann über eine Schnittstelle 49 dann zur Steuerungseinheit 40 gelangt. Hierbei kann eine geeignete Signalverstärkung vorgesehen sein.
Die Steuerungseinheit 40 ist mit einem Datenspeicher 70 sowie mit einer Ein-Ausgabe-Einheit 80 verbunden. Die Ein-Ausgabe-Einheit 80 kann die übliche Kombination eines Computerbildschirms mit entsprechender Tastatur sein. Im Datenspeicher 70 sind Terahertz-Spektren von bekannten Substanzen hinterlegt. Mit anderen Worten sind im Datenspeicher 70 Terahertz-Spektren verschiedener Substanzen hinterlegt, wobei diese Terahertz-Spektren zuvor mit einem ähnlichen oder vergleichbaren System durch Einbringen bekannter Referenzproben ermittelt wurden. Als Steuerungseinheit 40 kommt ein handelsüblicher PC in Frage, der mit geeigneten Schnittstellen und einer geeigneten Software versehen ist. Die spektralen Daten im Datenspeicher 70 liegen dann in einer oder mehreren Dateien vor, auf die eine weitere Software zugreifen kann, welche spezifisch ist für spektrale Auswertungen. Für eine Massenfertigung ist aber auch an eine Kombination eines Micronontroller-Bausteins mit einem speziell programmierten ASIC zu denken.
Im Betrieb senden die Laser 10 und 20 Laserstrahlungen S1 und S2 aus. Diese Kombination von Strahlungen ergibt den Strahl S5. Durch den Strahlteiler 51 wird der Strahl S5 in die Strahlen S5' und S5'' aufgeteilt. Der Strahl 55' ist auf das nichtlineare Element 50 gerichtet. Im nichtlinearen Element 50 kommt es durch die nichtlineare Überlagerung der Laserstrahlungen S1 und S2 zu einer Differenzwellenlänge, deren Frequenz im Terahertz-Bereich liegt. Diese Frequenz ist besonders gut zur gefahrlosen und zuverlässigen Durchleuchtung verschiedenster Substanzen geeignet. Das so entstehende Terahertz-Strahlungsfeld T befindet sich dem ersten nichtlinearen optischen Element direkt nachgeordnet. Im zweiten nichtlinearen Element 60, z. B. einem Photomixer, werden die entstandene und durch das zu untersuchende Objekt modifizierte Terahertz-Strahlung T und der Referenzstrahl S5'' überlagert. Auf diese Weise entsteht eine weitere Strahlung S9. Dies ist wieder eine Strahlung im Wellenlängenbereich des nahen Infrarots, welche wiederum vom Sensor 90 erfasst wird. Der ausgelesene Messwert des Sensors 90 wird zusammen mit den Wellenlängeneinstellungen der beiden Laser 10 und 20 in einem temporären Speicher (nicht gezeigt) der Steuerungseinheit 40 abgelegt.
Sodann wird der einstellbare Laser 10 hinsichtlich seiner emittierten Wellenlänge ein wenig in vorbestimmter Weise verstimmt (d. h. eingestellt). Dies geschieht durch eine geeignete Temperaturvariation des Resonators im Laser. Die sich auf diese Weise nunmehr ergebende Terahertz-Strahlung weist eine andere Frequenz als die zuvor erzeugte Terahertz-Strahlung auf. Auf dieselbe Weise, wie zuvor beschrieben, werden nun die entsprechende Wellenlänge sowie die vom Sensor 90 erfasste Strahlung in der Steuerungseinheit 40 im temporären Speicher abgelegt. Dieser Schritt kann so häufig wie nötig wiederholt werden. Vorzugsweise werden Absorptionswerte bei wenigstens drei unterschiedlichen Terahertz-Frequenzen gemessen.
Auf diese Weise hat das erfindungsgemäße spektrale Messsystem wenigstens drei Stützstellen für das Terahertz-Absorptionsspektrum der zu untersuchenden Substanz aufgenommen. Da jede Substanz ein charakteristisches Terahertz-Spektrum aufweist, ist es der Steuerungseinheit 40 nunmehr möglich, aufgrund der im Datenspeicher 70 hinterlegten Spektren mit zugeordneten Substanzen durch Vergleich mit dem soeben gemessenen Spektrum einen Hinweis auf die aktuell zu messende Substanz auszugeben.
Die Auswertung der gemessenen Werte ist am besten anhand der 2 zusammen mit der nachfolgenden Tabelle zu erläutern. Die 2 zeigt drei Terahertz-Spektren von unterschiedlichen Sprengstoffen A, B und C. Hierbei handelt es sich um Absorptionsspektren, wobei die Frequenz nach rechts aufgetragen ist und die Absorption in beliebigen Einheiten nach oben aufgetragen ist. Es fällt deutlich auf, dass der Sprengstoff A ein relatives Absorptionsmaximum bei etwa 1,1 THz aufweist, während der Sprengstoff B ein relatives Absorptionsmaximum bei etwa 0,8 THz aufweist und der Sprengstoff B ein nur schwach ausgeprägtes relatives Absorptionsmaximum bei etwa 1,6 THz aufweist.
Der Laser 10 wird so eingestellt, dass dieser zusammen mit dem Laser 20 in vorbestimmter Abfolge die Emission von vier unterschiedlichen Terahertz-Wellen mit Frequenzen t1, t2, t3 und t4 aus dem ersten nichtlinearen Element bewirkt. Die Frequenzen t1, t2, t3 und t4 sind derart gewählt, dass spektrale Charakteristika spezieller Sprengstoffe enthalten sind. Als spektrales Charakteristikum kommt vorteilhaft ein relatives Absorptionsmaximum in Frage.
Wird nun die zu untersuchende Substanz im wie oben beschrieben erzeugten Terahertz-Strahlungsfeld bei den vier vorbestimmten Frequenzen t1, t2, t3 und t4 abgetastet, so werden vier Messwerte bestimmt, die vier Punkte im Absorptionsspektrum der zu untersuchenden Substanz darstellen. Diese vier Punkte dienen als Stützstellen für die nachfolgende Auswertung. Auf der Grundlage der abgespeicherten Spektren, die im Datenspeicher 70 der Steuerungseinheit 40 quasi als Spektralbibliothek hinterlegt sind, ist die Steuerungseinheit 40 nunmehr in der Lage, durch ein oder mehrere Vergleichsoperationen das hinterlegte Spektrum aufzufinden, das eine maximale Ähnlichkeit mit dem gemessenen Spektrum, das auf den vier Stützstellen basiert, aufweist. Als einfachstes Verfahren kann der euklidische Abstand zwischen dem gemessenen Spektrum und den hinterlegten Spektren ermittelt werden: Dasjenige hinterlegte Spektrum, bei welchem der euklidische Abstand minimal ist, gehört mit höchster Wahrscheinlichkeit zu derjenigen Substanz, die augenblicklich auch durchgemessen wird. Falls bei diesem Verfahren keine Substanz aufgefunden wurde, kann als zusätzlicher Schritt eine Normierung aller zu vergleichenden Spektren durchgeführt werden. Es gibt eine Anzahl bekannter Verfahren, mit denen sich die wahrscheinlichste Zusammensetzung der zu untersuchenden Substanz ermitteln lässt, sowie eine Gütezahl, die die Qualität oder statistische Sicherheit der Substanzangabe anzeigt.
Auf diese Weise kann rasch und zuverlässig ermittelt werden, ob und wenn ja welcher Sprengstoff sich gerade im Raum R befindet.
Die 3 zeigt eine schematische Darstellung des spektralen Messsystems in einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform. Gleiche Bezugszeichen wie in 1 bedeuten die gleichen Bauelemente mit den gleichen Funktionalitäten. Der Unterschied zur ersten Ausführungsform liegt darin, dass hier drei Laser 10, 20 und 30 vorgesehen sind, die bei jeweils fest eingestellten unterschiedlichen Wellenlängen emittieren. Die Strahlung des Lasers 30 wird über den Strahlteiler 31 eingekoppelt, so dass sich der Strahl S5 ergibt. In Abweichung von der ersten Ausführungsform wird hier außerdem die Referenzstrahlung S5'' über eine Lichtleitfaser 52' umgelenkt und auf das zweite nichtlineare optische Element 60 gerichtet. Die Ansteuerung der Laser 10, 20 und 30 erfolgt durch eine gegenüber der ersten Ausführungsform modifizierte Steuerungseinheit 40'.
Die zweite erfindungsgemäße Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass keiner der Laser (10, 20, 30) verstimmt werden muss, um eine spektrale Variation zu erzielen. Das Terahertz-Spektrum wird vielmehr dadurch abgetastet, dass jeweils nur zwei Laser abstrahlen, während der jeweils dritte Laser ausgeschaltet ist. Auf diese Weise können zeitlich versetzt drei verschiedene Terahertz-Frequenzen erzeugt werden, mittels derer an eben diesen drei Stützstellen das Absorptionsspektrum einer zu untersuchenden Substanz abgetastet wird. Beispielsweise kann der Laser 10 bei 1995 nm, der Laser 20 bei 1600 nm und der Laser 30 bei 1610 nm emittieren. Die Steuerungseinheit 40' steuert jeweils zwei Laser so an, dass – je nach Kombination – die Terahertz-Frequenzen 0.59 THz, 1.16 THz bzw. 1.75 THz erzeugt werden. Ein Beispiel für eine zeitliche Abfolge solch einer Ansteuerung zeigt 4.
Die 4 zeigt ein schematisches Ansteuerungsdiagramm der Laser beim spektralen Messsystem in der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform. Mit L10, L20 und L30 sind die Einschaltzeiten der jeweiligen Laser 10, 20 und 30 bezeichnet. Beispielsweise sind zum Zeitpunkt T1 nur die Laser 10 und 20 eingeschaltet, so dass die sich ergebende Terahertz-Strahlung eine Frequenz von f1 THz aufweist. In der Steuerungseinheit 40 bzw. dem Datenspeicher 70 ist hinterlegt, welche Kombination von je zwei Lasern zu welcher Terahertz-Strahlung führt. Durch Schalten der Laser gemäß der dargestellten Ansteuerungsabfolge ist es somit möglich, das Spektrum einer zu untersuchenden Substanz an drei Stützstellen zu ermitteln. Wie oben dargestellt errechnet die Ansteuerungseinheit dann durch den Vergleich mit den im Speicher 70' hinterlegten Spektren, welche Substanz sich mit der größten Wahrscheinlichkeit im Raum R befindet.
Wenn gemäß einem alternativen Modulationsschema nach 4a die drei Laser 10, 20, 30 mit je einer verschiedenen Pulsfrequenz moduliert werden, so resultiert für die Terahertz-Strahlungen für jede Wellenlänge f₁, f₂, f₃ eine andere Modulationsfrequenz mit den Perioden Period 1, Period 2. Damit können am Empfänger bei drei verschiedenen Modulationsfrequenzen Period 1, 2, 3 die Amplituden gemessen und damit die Strahlung bei den regelmäßigen Terahertz-Wellenlängen bestimmt werden. In der 4a ist dies für zwei der drei möglichen Terahertz-Frequenzen dargestellt. Die Kombination der Laser 20, 30 ist in dieser Darstellung nicht sichtbar, da deren Perioden größer sind als der dargestellte Zeitraum. Damit kann auch quasi-kontinuierlich gemessen werden.
In diesem Zusammenhang möge die Auswertung unter Verwendung der untenstehenden Tabelle das Verfahren näher erläutern. folgende Die Tabelle enthält die Absorptionswerte vom Sprengstoff A ("Stoff A"), Sprengstoff B ("Stoff B") und Sprengstoff C ("Stoff C") bei den Terahertz-Frequenzen 0,6, 0,8, 1 und 1,1 THz. Ferner enthält die Tabelle eine Spalte ("Messung") mit einem gemessenen Terahertz-Spektrum von einem zu untersuchenden Objekt. In der jeweiligen Spalte "Diff" neben den jeweiligen Stoffspektren ("Stoff A", "Stoff B" oder "Stoff C") ist das Quadrat der Differenz vom aktuell gemessenen Absorptionswert zum hinterlegten jeweiligen Absorptionswert eines Stoffs bei der entsprechenden Frequenz eingetragen. In der untersten Zeile sind drei Werte (6,24, 45,37 und 47,13) eingetragen. Dies sind die Quadratwurzeln der Summe der jeweiligen Abstandsquadrate pro Stoffspektrum. Mit anderen Worten sind dies die euklidischen Abstände vom aktuell gemessenen Spektrum zum jeweiligen Stoffspektrum. Dasjenige hinterlegte Stoffspektrum, das einen minimalen euklidischen Abstand zum gemessenen Spektrum des zu untersuchenden Objekts aufweist, zeigt mit größter Wahrscheinlichkeit die im zu untersuchenden Objekt enthaltene Substanz an. Es ist klar, dass die Qualität der Vorhersage zunimmt, je mehr Stoffspektren im Datenspeicher 40 hinterlegt sind. Mit diesem Verfahren ist es auch möglich, Terahertz-Spektren von Stoffgemisch-Reihen im Datenspeicher 40 zu hinterlegen, so dass sogar Zusammensetzungen und Konzentration verschiedener Stoff vom erfindungsgemäßen Messsystem detektiert werden können. Es ist klar, dass auch andere mathematische Verfahren zur Auswertung von Spektren hier eingesetzt werden können. Insbesondere ist hier an statistische Verfahren zu denken, die zusätzlich auch Konfidenzintervalle ausgeben. Ferner ist es mit weiteren mathematischen Verfahren möglich, die Stützstellen der Spektren zu interpolieren. Auf diese Weise ist möglich, falls ein Messsystem mit einer abweichenden Anzahl von Laserdioden zusammengebaut werden soll oder abweichende Wellenlängen eingestellt werden sollen, dieselben bereits einmal aufgenommen Terahertz-Spektren bekannter Substanzen wiederzuverwenden.

Das Einlernen von Meßspektren kann auch durch neuronale Netzwerke durchgeführt werden.

f/TH	Messung	Stoff A	Diff	Stoff B	Diff	Stoff C	Diff
0,6	20	21	1	17	9	9	121
0,8	30	28	4	40	100	10	400
1	27	30	9	17	100	17	100
1,1	55	50	25	12	1849	15	1600
	SQRT (SUM)		6,24		45,37		47,13

Es ist klar, dass auch mehr als drei Laser eingesetzt werden können. Besonders vorteilhaft werden vier bis acht Laser mit festgelegten unterschiedlichen Wellenlängen eingesetzt.
5 zeigt eine schematische Darstellung des spektralen Messsystems in einer dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform. Ähnliche Bezugszeichen bedeuten ähnliche Bauelemente wie in den vorangegangenen Figuren. In der dritten Ausführungsform werden drei Laser 110, 120 und 130 eingesetzt, die von einem digitalen Signalprozessor (DSP) 140 mit Datenspeicher 170 angesteuert werden. Eine Materialprobe M kann wahlweise in das entstehende Terahertz-Strahlungsfeld T eingebracht werden. Der Detektor 190 wandelt die erfasste Lichtintensität in ein elektrisches Signal um, das vom DSP ausgewertet wird. Das Ergebnis der Auswertung gibt der DSP auf die Ein-Ausgabe-Einheit 180 aus.
6 zeigt eine schematische Darstellung des spektralen Messsystems in einer vierten erfindungsgemäßen Ausführungsform, wobei ähnliche Bezugszeichen ähnliche Bauelemente wie in den vorangegangenen Figuren bedeuten. Der Unterschied dieser Ausführungsform zu den vorangegangen ist, dass die von vier Lasern 210, 220, 230 und 240 emittierten Strahlungen jeweils durch Lichtwellenleiter S201, S202, S203 und S204 geführt und vereinigt werden. Dies vereinfacht den Zusammenbau des spektralen Messsystems, da es nunmehr nicht erforderlich ist, die Laser einzeln zu justieren. Vielmehr können die Lichtwellenleiter geeignet vorgefertigt werden, so dass beim Zusammenbau des Messsystems nur noch die Enden der Lichtwellenleiter aufgesteckt zu werden brauchen.
7 zeigt eine schematische Darstellung des spektralen Messsystems in einer fünften erfindungsgemäßen Ausführungsform, wobei ähnliche Bezugszeichen ähnliche Bauelemente wie in den vorangegangenen Figuren bedeuten. Die Besonderheit der vorliegenden Ausführungsform ist, dass die Messungen hier in einer Reflexionsanordnung erfolgen. Ein Element SOA 350' emittiert eine Terahertz-Strahlung, die durch ein abbildendes Element in den Probenraum gestrahlt wird. Bei dem abbildenden Element 355 kann es sich um eine Linse handeln, beispielsweise eine aus Polyethylen gefertigte Fresnellinse. Die Terahertz-Strahlung durchdringt das zu untersuchende Material M, wird von einer reflektierenden Fläche R reflektiert um schließlich auf ein zweites abbildendes Element 365 zu fallen, das ebenfalls eine aus Polyethylen gefertigte Fresnellinse sein kann. Der Detektor 390 erfasst dann die durch das zweite abbildende Element hindurchtretende Strahlung und leitet ein entsprechendes Signal an den DSP 340 weiter.
Es wird angemerkt, dass der in 7 gezeigte Aufbau des erfindungsgemäßen spektralen Messsystems – unter Weglassen eines Materials M – auch dazu geeignet ist, zeitlich veränderliche Oberflächenbeschaffenheiten der reflektierenden Fläche R zu erfassen. Damit sind Substanzeigenschaften messbar gemacht. Dies ist insbesondere bei der Untersuchung der Aktivität von Halbleiterchips von Vorteil.
Es wurde gezeigt, dass das erfindungsgemäße spektrale Messsystem eine rasche und zuverlässige Bestimmung von Substanzen oder Substanzeigenschaften ermöglicht, ohne, dass ein Benutzer Fachkenntnisse benötigt und, dass sich die Erfindung unter Verwendung preiswerter frei erhältlicher Bauelemente realisieren lässt. Erreicht wird dies dadurch, dass unter mehreren vorbestimmten Wellenlängen Terahertz-Strahlung auf ein zu untersuchendes Material zur Wechselwirkung mit diesem gegeben wird und die sich ergebende Strahlung von einer Steuerungseinheit mit einem zugeordneten Datenspeicher, der spektrale Messdaten enthält, ausgewertet wird.

10: Laser (erste Strahlungsquelle)
11: erster Umlenkspiegel
20: Laser (zweite Strahlungsquelle)
21: zweiter Umlenkspiegel
30: Laser (dritte Strahlungsquelle)
40: Steuerungseinheit
41: Ansteuerungsschnittstelle
42: Ansteuerungsschnittstelle
49: Ausleseschnittstelle
50: erstes nichtlineares optisches Element
51: Referenzstrahlteiler
52, 53: Umlenksystem
60: zweites nichtlineares optisches Element
70: Datenspeicher
80: Ein-Ausgabe-Einheit
90: Sensor
S1: Strahlengang der ersten Strahlungsquelle (Laser 10)
S2: Strahlengang der zweiten Strahlungsquelle (Laser 20)
S5: Strahlengang der zusammengefassten Strahlen
S5': vom Strahlteiler ausgehender Probenstrahlengang
S5'': vom Strahlteiler ausgehender Referenzstrahlengang
S9: auf den Sensor gerichteter Strahlengang
R: Probenraumbereich, in dem sich eine zu untersuchende Probe befinden kann
T: Strahlungsfeld, das auf die Probe einwirkt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 6144679 [0021]

Claims

Spektrales Messsystem zur Ermittlung von Substanzeigenschaften unter Verwendung von Terahertz-Strahlung, umfassend: wenigstens zwei Strahlungsquellen (10, 20), von denen wenigstens die erste Strahlungsquelle (10) hinsichtlich ihrer Wellenlänge einstellbar ist, wobei die erste Strahlungsquelle (10) eine erste Strahlung (S1) mit einer vorbestimmten ersten Wellenlänge aussendet und die zweite Strahlungsquelle (20) eine zweite Strahlung (S2) mit einer vorbestimmten zweiten Wellenlänge aussendet, die von der ersten Wellenlänge verschieden ist; gekennzeichnet durch einen Sensor (90), der auf eine weitere Strahlung (S9) anspricht, welche auf den Strahlungen (S1, S2) der wenigstens zwei Strahlungsquellen (10, 20) basiert; eine Steuerungseinheit (40), die mit den wenigstens zwei Strahlungsquellen (10, 20) und dem Sensor (90) verbunden ist; wobei die Steuerungseinheit (40) dazu ausgebildet ist, die wenigstens zwei Strahlungsquellen (10, 20) anzusteuern und die Wellenlänge der wenigstens einen einstellbaren Strahlungsquelle (10) einzustellen sowie den Sensor (90) auszulesen.
Messsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (40) dazu ausgebildet ist, durch die Ansteuerung der wenigstens zwei Strahlungsquellen (10, 20) und die Einstellung der Wellenlänge der wenigstens einen einstellbaren Strahlungsquelle (10) sowie das Auslesen des Sensors (90) ein Terahertz-Spektrum eines zu untersuchenden Objektes zu ermitteln, welches sich wahlweise in einem Probenraumbereich (R) befindet.
Spektrales Messsystem zur Ermittlung von Substanzeigenschaften unter Verwendung von Terahertz-Strahlung, umfassend: mehr als zwei Strahlungsquellen (10, 20, 30), die Strahlungen (S1, S2, S3) mit voneinander verschiedenen festgelegten Wellenlängen aussenden; gekennzeichnet durch einen Sensor (90), der auf eine weitere Strahlung (S9) anspricht, welche auf einer wahlweisen Kombination von jeweils zwei Strahlungen (S1, S2; S2, S3; S3, S1) von den Strahlungen (S1, S2, S3) der mehr als zwei Strahlungsquellen (10, 20, 30) basiert; eine Steuerungseinheit (40), die mit den mehr als zwei Strahlungsquellen (10, 20, 30) und dem Sensor (90) verbunden ist; wobei die Steuerungseinheit (40) dazu ausgebildet ist, die mehr als zwei Strahlungsquellen (10, 20) anzusteuern sowie den Sensor (90) auszulesen.
Messsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (40) dazu ausgebildet ist, durch die Ansteuerung der mehr als zwei Strahlungsquellen (10, 20, 30) sowie das Auslesen des Sensors (90) ein Terahertz-Spektrum eines zu untersuchenden Objektes zu ermitteln, welches sich wahlweise in einem Probenraumbereich (R) befindet.
Messsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (40) mit einer Ein-Ausgabe-Einheit (80), sowie mit einem Datenspeicher (70), in dem wenigstens ein Terahertz-Spektrum einer bekannten Substanz hinterlegt ist, verbunden ist.
Messsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (40) dazu ausgebildet ist, das Terahertz-Spektrum des zu untersuchenden Objekts mit dem wenigstens einen hinterlegten Terahertz-Spektrum der bekannten Substanz zu vergleichen und das Ergebnis des Vergleichs auf der Ein-Ausgabe-Einheit (80) auszugeben.
Messsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlengänge (S1, S2; S1, S2, S5) der Strahlungsquellen (10, 20; 10, 20, 30) derart auf einen Referenzstrahlteiler (51) gerichtet sind, dass ein Teilstrahl (S5') auf ein erstes optisches Element (50) fallen kann und ein zweiter Teilstrahl (S5'') auf ein Umlenksystem (52, 53) gerichtet ist.
Messsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste optische Element (50) dazu ausgebildet ist, bei Auftreffen der Strahlungen der Strahlungsquellen (10, 20; 10, 20, 30) ein Terahertz-Strahlungsfeld (T) zu emittieren.
Messsystem nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites optisches Element (60) in Relation zum ersten optischen Element (40) und zum Umlenksystem (52, 53) derart angeordnet ist, dass es wenigstens einen Teil der Strahlung des Terahertz-Strahlungsfeldes (T) aufnimmt.
Messsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass vom zweiten optischen Element (60) die weitere Strahlung (S9), die auf den Strahlungen der Strahlungsquellen basiert (10, 20; 10, 20, 30), emittiert und vom Sensor (90) erfasst wird.
Messsystem nach einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquellen (10, 20; 10, 20, 30) als Laser und das erste und zweite optische Element (50, 60) als nichtlineare optische Elemente (50, 60) ausgebildet sind.
Messsystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquellen (10, 20; 10, 20, 30) als Diodenlaser (10, 20; 10, 20, 30) ausgebildet sind.
Messsystem nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Terahertz-Strahlungsfeld (T) eine Strahlung im Terahertz-Bereich von 0,1 Terahertz bis 100 Terahertz ist.
Messsystem nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das erste optische Element (50), das zweite optische Element (60) und der Probenraumbereich (R) derart zueinander angeordnet sind, dass das Terahertz-Strahlungsfeld (T), das durch den Probenraumbereich (R) hindurchtritt, vom zweiten nichtlinearen optischen Element (60) aufgenommen wird.
Messsystem nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das erste optische Element (50), das zweite optische Element (60) und der Probenraumbereich (R) derart zueinander angeordnet sind, dass das Terahertz-Strahlungsfeld (T), das am Probenraumbereich (R) reflektiert wird, vom zweiten nichtlinearen optischen Element (60) aufgenommen wird.
Messsystem nach einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Umlenksystem (52, 53) durch eine Mehrzahl von Spiegeln (52, 53; 152; 153) realisiert ist.
Messsystem nach einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Umlenksystem (52, 53) durch lichtleitende Fasern (S201, S202, S203, S204; S301, S302, S303, S304) realisiert ist.
Messsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquellen (10, 20; 10, 20, 30) mit einem Strahlungsverstärker auf einem Halbleiterchip integriert sind.
Messsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Strahlungsquellen (10, 20; 10, 20, 30) sinusoidal oder rechteckförmig moduliert wird.
Messsystem nach Anspruch 3 in Verbindung mit einem der Ansprüche 7 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlengänge der mehr als zwei Strahlungsquellen derart anordbar sind, dass sie auf das erste optische Element (50) gerichtet sind, so dass in Abfolge eine Mehrzahl von unterschiedlichen Terahertz-Wellen in Abhängigkeit von unterschiedlichen je zwei gleichzeitig eingeschalteten Strahlungsquellen (10, 20; 20, 30; 30, 10) gemäß vorbestimmten Schaltfrequenzen, die die Strahlungsquellen (10, 20, 30) schalten, erzeugt wird.
Messsystem nach einem der Ansprüche 3 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass jede Strahlungsquelle (10, 20, 30) mit einer anderen Frequenz beschaltet werden kann, so dass die sich ergebenden Terahertz-Wellen bei unterschiedlichen Frequenzen moduliert respektive demoduliert werden können.
Messsystem nach einem der Ansprüche 7 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Phase-matching im ersten optischen Element (50) durch unterschiedliche Phasenwinkel der einfallenden Strahlung verbessert ist.
Messsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungen (S1, S2; S1, S2, S3) der Strahlungsquellen auf optische Fasern koppelbar sind.
Messsystem nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungen (S201, S202, S203, S204) der Strahlungsquellen auf eine einzelne optische Faser koppelbar sind.
Messsystem nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Austrittsende der Faser derart in Bezug auf das erste optische Element und das zweite optische Element anordbar ist, dass die aus der Faser austretende Strahlung teilweise auf das erste optische Element und teilweise auf das zweite optische Element fallen kann.
Messsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass abbildende optische Elemente (355, 365) vorgesehen sind.
Messsystem nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass aus Polyethylen gefertigte Linsen (355, 365) als abbildende optische Elemente (355, 365) fungieren.
Messsystem nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsen (355, 365) als Fresnellinsen (355, 365) ausgeführt sind.
Messsystem nach einem der Ansprüche 7 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der optischen Elemente (50, 60) als nichtlineares optisches Element (50, 60) ausgeführt ist, das aus DAST (Dimethyl amino 4-N-Methylstilbazolium tosylat), KDP, ADP, Lithiumniobat, Ba2NaNb5O15, Quarz, GaAs, GaP, BaTiO3, ZnO oder CdS besteht.
Messsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (40) als ASIC ausgeführt ist.
Messsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (40; 140) als DSP ausgeführt ist.
Messsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (40) als Embedded System ausgeführt ist.
Messsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass der Datenspeicher (70; 170) von einer externen Quelle konfiguriert werden kann.
Messsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass der Datenspeicher (70; 170) über eine Netzverbindung, eine Internetverbindung, eine Telekommunikationsverbindung oder eine induktive Verbindung konfiguriert
Messsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Ein-Ausgabe-Einheit (80; 180) einen Bildschirm, eine Maus, ein Tastatur, ein Diskettenlaufwerk, ein CD- oder DVD-Laufwerk, ein Magnetbandlaufwerk, eine Festplatte, einen Netzwerkanschluss, einen Alarmsignalgeber, einen Telekommunikationsanschluss umfassen kann.