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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung
eines Objekts mit Terahertz-Strahlung, insbesondere zur Erzeugung
einer Abbildung eines Objekts im Terahertz-Spektralbereich. Auf
US 2005 0 135 815 A1 wird
verwiesen. Hieraus ist eine Terahertz-Messanordnung mit Phasenregelung
unter Einsatz von Wellenfrontsensoren bekannt geworden.
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Terahertz-Strahlung
in einem Frequenzband um 1012 Hertz entspricht
elektromagnetischen Wellen mit einer Wellenlänge im Submillimeterbereich
und ist folglich im Spektralbereich zwischen dem fernen Infrarot
und hochenergetischen Mikrowellenstrahlen angesiedelt. Charakteristisch
für Terahertz-Strahlung ist
ihre Eigenschaft, die meisten dielektrischen Materialien ohne wesentliche
Abschwächung
zu durchdringen. Demnach ist Kleidung, Papier, Plastik und Leder
im Wesentlichen für
Terahertz-Strahlung transparent. Im Gegensatz hierzu reflektieren
elektrisch leitfähige
Gegenstände
und insbesondere Metalle Terahertz-Strahlung. Hieraus lässt sich
ableiten, dass Terahertz-Strahlung besonders für sicherheitstechnische Anwendungen
und die Personenkontrolle eingesetzt werden kann.
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Darüber hinaus
ist Terahertz-Strahlung aufgrund der geringen Photonenenergie im
Bereich von weniger Millielektronenvolt nicht ionisierend, sodass sie
für biologisches
Gewebe unschädlich
ist. Ferner können
mittels Terahertz-Strahlung aufgrund selektiver Reflektions- und
Absorbtionseigenschaften unterschiedliche Materialien unterschieden
werden. Demnach besteht eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten
im Sicherheitsbereich, etwa zum Aufspüren von Sprengstoff, aber auch
im medizinisch-diagnostischen Bereich. Beispielhaft wird bezüglich der
Anwendungsmöglichkeiten
von Terahertz-Strahlen auf die
EP 0 903 566 B1 und die
WO 2006/129113 A1 verwiesen.
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Zur
Erzeugung von Terahertz-Strahlung kann ein elektrisch vorgespannter
Halbleiter mit einem kurzen Laserimpuls bestrahlt werden, wodurch die
so freigesetzten und im elektrischen Feld beschleunigten Ladungsträger zu einer
Emission von Terahertz-Strahlung führen. Solchermaßen generierte
Terahertz- Strahlungspulse
sind durch eine Kopplung zur Phase des angeregten Laserpulses definiert,
demnach ist die Strahlung kohärent,
allerdings weist ein solcher Terahertz-Strahlungsimpuls ein breitbandiges
Frequenzspektrum im Bereich von 10 GHz bis 50 THz auf. Hierzu wird
beispielhaft auf die
US 5.729.017 verwiesen.
Allerdings sind auch monochromatische Terahertz-Quellen beispielsweise
aus der
EP 0 762 565
B1 bekannt. Ferner können
Laser zur Erzeugung von Terahertz-Strahlen verwendet werden. Ein solcher
Terahertz-Laser, realisiert mittels einer Quantenkaskade, wird in
der
US 2006/0153262 A1 und
der
US 2005/0058166
A1 offenbart.
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Als
Detektoren für
Terahertz-Strahlung können
antennengekoppelte Bolometer verwendet werden, die wiederum zur
Herstellung eines Sensorfelds matrixartig angeordnet sein können. Hierzu
wird auf die
EP 0 903
566 B1 verwiesen. Eine weitere Kamera für das Terahertz-Spektrum ist
in der
WO 2004/038854 angegeben.
Ferner wird durch die
WO 2006/129113
A1 eine Anordnung von Heterodyn-Detektoren offenbart, die
ein größeres Bildfeld
abrastern. Weitere sensorische Systeme für das Terahertz-Spektrum verwenden
photonische Kristalle, die als Mikrostrukturen hergestellt sind.
Derartige Sensoren können
die auf natürliche
Weise von einem nicht beleuchteten Objekt ausgesandte Terahertz-Strahlung erfassen,
sodass sich vollständig
passive Überwachungssysteme
realisieren lassen.
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Terahertz-basierte
Messsysteme weisen jedoch auch Grenzen auf, die daraus resultieren,
dass Terahertz-Strahlung durch Wasser absorbiert wird und somit
der in der Luft befindliche Wassergehalt zu einer Abschwächung von
Terahertz-Strahlung
führt. Neben
dem Effekt der Abschwächung
wird Terahertz-Strahlung durch Brechzahländerungen, die in der Luft
aufgrund von Temperaturschwankungen vorliegen, phasendeformiert.
Demnach kann eine Messung mit Terahertz-Strahlung nur über einen
Abstand von wenigen Metern ausgeführt werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Messsystem anzugeben,
das im Spektralbereich der Terahertz-Strahlung arbeitet und das
dazu geeignet ist, abgeschwächte,
vom zu messenden Objekt stammende Terahertz-Strahlung zu erfassen
und sowohl präzise
Messungen als auch Messungen über größere Distanzen,
beispielsweise 10 m oder mehr, durchführen zu können. Entsprechend wird ein
Verfahren gesucht, das die voranstehend genannten Ziele erfüllt.
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Die
der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch die Merkmale
der unabhängigen
Ansprüche
gelöst.
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Die
Erfinder haben erkannt, dass die von einem zu vermessenden Objekt
ausgesandten Terahertz-Strahlen vor deren Erfassung verstärkt werden müssen, sodass
diese zunächst
durch ein optisches Verstärkermedium
für den
vorliegenden Spektralbereich geleitet werden. Allerdings führt ein
solcher optischer Verstärker
zur weiteren Verschlechterung der Strahlqualität. Diese resultieren im Wesentlichen
aus einer räumlichen
Variation des Brechungsindexes im aktiven Medium des optischen Verstärkers, die
wiederum auf Temperaturschwankungen zurückzuführen ist. Zum Ausgleich der
so indizierten Phasenstörungen
kann eine Phasenkonjugationseinrichtung verwendet werden. Hierunter
wird ein Spiegel verstanden, der einen Strahl auf sich selbst zurückfaltet, das
heißt
die Strahlung breitet sich aus, wie wenn sie in der Zeit rückwärts laufen
würde.
Wird die Phasenfront durch eine ebene Welle angenähert, so
kann die Phasenkonjugation auch im Sinne einer Wellenfrontumkehr
angesehen werden, das heißt
es erfolgt an jeder Stelle eine Umkehr der Ausbreitungsrichtung.
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Aufgrund
der Phasenkonjugationseinrichtung ergibt sich ein weiterer Durchtritt
durch den optischen Verstärker,
wobei aufgrund des umgekehrten Verzeichnis in der Zeit im Verhältnis zur
ursprünglichen
Welle die durch die optischen Verstärker beim ersten Durchlauf
erzeugten Phasenstörungen
wieder ausgeglichen werden und eine doppelt verstärkte Ausgangsstrahlung
resultiert, deren Wellenfront gegenüber dem Eintritt keiner weiteren
Deformation unterliegt.
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Die
bekannten nichtlinearen Effekte zur Realisierung einer Phasenkonjugationseinrichtung,
beispielsweise eine 4-Wellen-Mischung aufgrund nichtlinearer Polarisierung
dritter Ordnung oder aufgrund stimulierter Brillouin-Streuung, sind für Strahlungsenergien,
die auch nach dem Durchtritt durch den optischen Verstärker klein
sind, deshalb schwierig zu verwenden, da Nichtlinearitäten nur
im Bereich hoher Feldstärken
zutage treten. Daher wird für
die Erfindung bevorzugt zur Realisierung einer Phasenkonjugationseinrichtung
auf einen passend geformten, konventionellen Spiegel zurückgegriffen,
dessen Oberflächenverlauf
so an die Ausbreitungsrichtung der Welle angepasst wird, dass diese
an jeder Stelle senkrecht zur Spiegeloberfläche steht. Demnach muss der
Spiegelverlauf möglichst
gut an die Form der Phasenfront angepasst werden, sodass es gelingt,
die Ausbreitungsrichtung in jedem Punkt umzukehren und eine Phasenkonjugation
zu bewirken. Erfindungsgemäß wird hierzu
ein mehrteiliger, segmentierter Spiegel verwendet, wobei dessen
Einzelsegmente adaptive optische Elemente darstellen. Besonders
bevorzugt werden hierzu Membranspiegel, die eine dünne, hochflexible
Membran verwenden. Diese kann beispielsweise mit den Verfahren der
Mikrostrukturtechnik hergestellt sein und aus Silizium, Quarz oder
einer Mylar-Folie bestehen. Die Formeinstellung des Membranspiegels
erfolgt durch eine Vielzahl von Aktuatoren, die beispielsweise piezoelektrische,
elektrostatische oder magnetische Kräfte zur Ausführung einer
Stellbewegung verwenden. Alternativ kann die Membran selbst aus
bimorphen Piezoelementen bestehen. Zusätzlich ist es denkbar, auf
den Spiegelflächen
zusätzliche
Materialien, beispielsweise Stapelsysteme mit alternierendem Brechungsindex
zur Erhöhung
der Reflexion aufzubringen. Insbesondere für das Material Mylar ist dies
notwendig, da dies im Terahertz-Bereich durchsichtig ist.
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Erfindungsgemäß kann mit
Hilfe der adaptiven Phasenkonjugationseinrichtung die Qualität der Phasenkonjugation
eingestellt werden. Beachtlich ist, dass es von der Qualität des phasenkonjugierten Spiegels
abhängt,
ob die im optischen Verstärker
erzeugten Phasenstörungen
beseitigt werden können. Gerade
die Qualität
des phasenkonjugierten Spiegels lässt jedoch insbesondere für optisch
aktive Medien, deren Eigenschaften zeitlich variabel sind, nicht hinreichend
exakt bestimmen.
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Darüber hinaus
kann aufgrund der thermischen Linsenwirkung eine Änderung
der Divergenz des Strahlungsfeldes auftreten, wobei die Notwendigkeit
für Anpassungen
am optischen Verstärker
bestehen. Daher wird entsprechend der Erfindung zwischen einem Justagemodus
und einem Messmodus gewechselt. Besonders vorteilhaft ist ein regelmäßiger, insbesondere
periodischer Wechsel, sodass im Justagemodus über die Anpassung der adaptiven Phasenkonjugationseinrichtung
eine möglichst
hohe Strahlqualität
eingestellt wird, die dann im nächsten nachfolgenden
Zyklus des Messmoduses für
die vom Objekt kommende Strahlung beibehalten wird.
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Zur
Realisierung des Justagemodus wird Terahertz-Strahlung mit bekannter
Strahlcharakteristik durch den optischen Verstärker mit der adaptiven Phasenkonjugationseinrichtung
geleitet und sodann einem Wellenfrontsensor zugeführt. Aus
den Messdaten des Wellenfrontsensors wird mittels einer Regelungseinrichtung
eine Nachführung
der Stellelemente der adaptiven Phasenkonjugationseinrichtung ausgeführt, falls
dies notwendig ist. Besonders bevorzugt wird für den Justagemodus Strahlung
aus dem Beleuchtungsstrahlengang beziehungsweise unmittelbar von
der Terahertz-Strahlungsquelle
ausgekoppelt und dem Objektstrahlengang vor dem optischen Verstärker zugeleitet.
Gleichzeitig wird der Objektstrahlengang mittels eines Verschlusselements
eingangsseitig verschlossen. Demnach wird für die Zeitdauer der Justage
kein Zutritt von Objektstrahlung durch die Eingangspupille in den
Objektstrahlengang erlaubt. Demnach tritt ausschließlich Referenzstrahlung
mit bekannter Charakteristik durch den optischen Verstärker hindurch
und das erhaltene verstärkte
Signal kann unmittelbar zur Charakterisierung der Qualität der Einstellung
der Phasenkonjugationseinrichtung verwendet werden.
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Zur
Messung der Strahlqualität
wird für
die Erfindung eine zweiteilige Messeinrichtung verwendet. Der erste
Teil enthält
den Terahertz-Detektor, der nur für den Messmodus verwendet wird,
während
der zweite Teil einen Wellenfrontsensor umfasst, der für den vorliegenden
Justagemodus Anwendung findet. Zusätzlich umfasst die Messeinrichtung
ein Schaltelement, um die Strahlführung wahlweise auf dem Terahertz-Detektor
oder den Wellenfrontsensor zu leiten.
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Im
Messmodus ist das Verschlusselement im Objektstrahlengang geöffnet, sodass
Strahlung vom Objekt in den optischen Verstärker eintreten kann und von
dort weiter zur Messeinrichtung geführt wird. In der Messeinrichtung
ist für
den Messmodus das Schaltelement so gestellt, dass der Terahertz-Detektor
die eintreffende Strahlung empfängt.
Gemäß einer
Weitergestaltung der Erfindung wird auch für den Messmodus der unmittelbar
von der Terahertz-Quelle beziehungsweise dem Beleuchtungsstrahlengang kommende
Referenzstrahl in den Objektstrahlengang eingekoppelt. Demnach wird
sowohl der Objektstrahl wie auch der Referenzstrahl zum Terahertz-Detektor
geführt,
auf dem dann eine Interferenz auftritt, falls die Terahertz-Strahlung
hinreichend kohärent
ist. Demnach wird bevorzugt wenigstens eine teilkohärente Terahertz-Strahlungsquelle,
besonders bevorzugt eine kohärente
Strahlungsquelle in der Form eines Terahertz-Lasers, verwendet.
Aus dem sich bei einem kohärenten
Referenz- und Objektstrahl ergebenden Interferenzmuster kann ein
holographisches Bild des Objekts aufgenommen werden, wobei mittels
FFT unmittelbar das Projekt rekonstruiert werden kann. Zur Realisierung
des holographischen Aufbaus wird bevorzugt ein Strahlteiler im Beleuchtungsstrahlengang
zur Auskoppelung des Referenzstrahls verwendet. Zusätzlich ist
im Objektstrahlengang ein teildurchlässiger Spiegel vorgesehen, der
die parallele Strahlführung
des Objektstrahls und des Referenzstrahls zum optischen Verstärker ermöglicht.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Schaltelement in
der Messeinrichtung, durch das ein Umschalten vom Terahertz-Detektor
auf den Wellenfrontsensor und damit der Übergang vom Messmodus auf den
Justagemodus ermöglicht
wird, so ausgebildet, dass der Übergang
zwischen diesen beiden Modi regelmäßig und insbesondere periodisch
erfolgt. Dies kann so realisiert werden, dass das Schaltelement
ein Chopperrad umfasst, an dem sich eine hochreflektive Beschichtung
mit einer halbdurchlässigen
Beschichtung segmentweise abwechselt. Demnach wird bei der Drehung
des Chopperrads die auftreffende Strahlung entweder reflektiert
und zum Terahertz-Detektor geführt
oder zum Wellenfrontsensor durchgeleitet. Diese regelmäßige Abfolge
zwischen dem Messmodus und dem Justagemodus erlaubt eine ständige Kontrolle
der Qualität
der adaptiven Phasenkonjugationseinrichtung und ermöglicht über die
Koppelung zur Regelungseinrichtung für die Stellelemente der adaptiven
Phasenkonjugationseinrichtung eine ständige Nachführung zum Optimalpunkt.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Synchronisierung
der Einstellung für
das Verschlusselement und der Stellung des Schaltelements in der
Messeinrichtung dadurch bewirkt, dass beide Elemente durch ein Bauelement ausgeführt sind,
welches beispielsweise wiederum durch ein Chopperrad realisiert
werden kann. Wird die drehende Scheibe des Chopperrads so unterteilt, dass
wenigstens ein hochreflektives erstes Segment und wenigstens ein
teildurchlässiges
zweites Segment in Umfangsrichtung aufeinander folgen und das Chopperrad
so positioniert, das es sowohl in den Objektstrahlengang wie auch
in den Strahlengang der Messeinrichtung eingreift, so kann in einer
ersten Stellung des Chopperrads das hochreflektive erste Element
das Verschlusselement im Objektstrahl bilden, das heißt die Objektstrahlung
wird auf der einen Seite abgeblockt, und kann ferner dazu dienen,
die vom Beleuchtungsstrahlengang kommende Referenzstrahlung in dem
Objektstrahlengang einzukoppeln und dem optischen Verstärker zuzuleiten. Gleichzeitig
kann für
diese erste Stellung des Chopperrads das teilweise durchlässige zweite
Segment in der Messeinrichtung die Funktion des Schaltelements übernehmen
und Strahlung zum Wellenfrontsensor durchlassen. Entsprechend liegt
bei einer Weiterdrehung des Chopperrads eine zweite Stellung vor,
bei der das teilweise durchlässige
zweite Segment sich im Objektstrahlengang befindet und demnach die
vom Objekt kommende Strahlung durchgeleitet wird, das heißt das Verschlusselement ist
geöffnet.
Gleichzeitig befindet sich das hochreflektive erste Segment in der
Messeinrichtung und reflektiert Strahlung zum Terahertz-Detektor.
Auch für
diese Ausgestaltung kann eine holographische Messung ausgeführt werden,
da in der zweiten Stellung das Chopperrad das teilweise durchlässige zweite Segment
in den Objektstrahlengang dreht und über eine wenigstens teilweise
Reflexion auf dessen Rückseite
zusätzlich
zum Objektstrahl auch der Referenzstrahl eingekoppelt werden kann.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und im Zusammenhang
mit Figuren erläutert,
welche Folgendes darstellen:
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1 zeigt
eine erfindungsgemäße Ausgestaltung
einer Terahertz-Messanordnung
im Messmodus.
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2 zeigt
eine erfindungsgemäße Ausgestaltung
einer Terahertz-Messanordnung
im Justagemodus.
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3 zeigt
eine Ausgestaltung eines Bauteils zur Realisierung des Umschaltens
vom Messmodus auf den Justagemodus in der Stellung für den Justagemodus.
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4 zeigt
eine Ausgestaltung des Bauteils aus 3 in der
Einstellung für
den Messmodus.
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In 1 ist
eine Messanordnung dargestellt, die zur Abbildung eines Messobjekts 100 mittels Terahertz-Strahlen
dient. Zur Ausleuchtung des Messobjekts 100 mit Terahertz-Strahlung
wird bevorzugt eine kohärente
Terahertz-Strahlungsquelle 1 verwendet. Diese kann beispielsweise
als Terahertz-Quantenkaskaden-Laser
ausgebildet sein, für die
im Leitungsband eine Abfolge von Unterbändern vorliegt. Die emittierte
Strahlungsfrequenz hängt
wiederum von den Abständen
dieser Unterbänder
ab und kann beispielsweise im Bereich von 1 THz bis 10 THz eingestellt
werden.
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Das
im Terahertz-Spektrum emittierte Laserlicht wird in einem Beleuchtungsstrahlengang 2 eingekoppelt.
Dieser ist schematisch vereinfacht dargestellt, wobei lediglich
eine Linse 2.1 skizzenhaft dargestellt ist, die zur Ausleuchtung
des Objekts 100 dient. Darüber hinaus sind im Sinne der Übersichtlichkeit
lediglich die Mittenstrahlen, welche die Strahlführung repräsentieren, schematisiert dargestellt. Durch
die Bestrahlung mit kohärenter
Terahertz-Strahlung resultiert eine Abstrahlung vom Objekt 100.
Hierzu ist schematisch vereinfacht die Objektstrahlung O dargestellt.
Die vom Objekt kommende Strahlung wird in den Objektstrahlengang 3 eingeführt. Dabei
ist es notwendig, ein dem Objektstrahlengang 3 zugeordnetes
Verschlusselement 4 zu durchqueren. Dies kann beispielsweise
als mechanisches Verschlusselement ausgebildet sein, das im Bereich
der Eintrittspupille des Objektstrahlengangs 3 vorliegt.
Alternative Ausgestaltungen des Verschlusselements verwenden ein
Element mit einer elektrisch schaltbaren Reflektivität.
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Im
Objektstrahlengang
3 wird die Objektstrahlung einem optischen
Verstärker
5 zugeführt. Dieser
kann beispielsweise als optischer parameterischer Oszillator ausgebildet
sein oder ein aktives Medium aufweisen, in dem durch Energiezufuhr
(Pumpen) eine Besetzungsinversion vorliegt und durch stimulierte
Emission eine Strahlungsverstärkung
eintritt. Für
den Bereich von 1 bis 10 THz wird beispielsweise durch die
US 2005/0058166 A1 ein
Verstärker für Terahertz-Strahlung offenbart,
in dessen aktive Region in Form einer Heterostruktur durch die alternierende
Abfolge von GaAs und Al
0,15Ga
0,85As
gebildet wird.
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Beim
Durchlaufen des optischen Verstärkermediums
soll die Terahertz-Strahlung amplitudenverstärkt und lediglich ein konstanter
Phasenversatz erzeugt werden. Die letzte Bedingung kann insbesondere
beim Auftreten von Temperaturschwankungen im aktiven Medium nur
unzureichend erfüllt
werden, sodass als Folge Phasenvariationen und damit eine Verschlechterung
der Strahlqualität
resultiert. Zur Umgehung dieser Problematik wird eine Phasenkonjugationseinrichtung
vorgesehen, welche erfindungsgemäß adaptiv
ausgebildet ist und die dazu dient, eine Wellenfrontumkehr zu realisieren
und damit eine konjugierte, scheinbar in der Zeit zurücklaufende Welle
zu erzeugen, die auf sich selbst zurückgefaltet das aktive Medium
des optischen Verstärkers nochmals
durchquert und gleichzeitig die entstandenen Phasenvariationen zurückführt.
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Vorzugsweise
umfasst die adaptive Phasenkonjugationseinrichtung 6 einen
adaptiven Spiegel, der wiederum bevorzugt als monolithischer Spiegel, als
segmentierter Spiegel, als Membranspiegel oder durch mikromechanische
Korrektoren realisiert werden kann. In den 1 und 2 sind
die Spiegelkomponenten des adaptiven Spiegels schematisch dargestellt
und mit den Bezugszeichen 40.1, ...., 40.n versehen.
Den Spiegelkomponenten 40.1, ..., 40.n wird bevorzugt
eine Vielzahl von Aktoren 30.1, ..., 30.n zugeordnet,
die zur Einstellung der Spiegelfläche des adaptiven Spiegels
mit einer Genauigkeit im Nanometerbereich dienen, beispielsweise
wird für
einen Membranspiegel eine aus Silizium, Quarz oder Mylar bestehende
dünne,
hochflexible Membran durch die Aktoren 30.1, ..., 30.n elastisch
verformt. Demnach wird durch die Stellbewegung der Aktoren 30.1,
..., 30.n die Reflektionsfläche des adaptiven Spiegels
so angepasst, dass diese möglichst
der Form der Phasenfront der auftreffenden Strahlung entspricht,
sodass die Ausbreitungsrichtung der einfallenden Welle überall senkrecht
zur Spiegeloberfläche
steht und somit eine konjugierte Welle den Spiegel verlässt.
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Die
Aktoren 30.1, ..., 30.n können durch unterschiedliche
Antriebskräfte
bewegt werden, beispielsweise piezoelektrisch oder magneto- oder
elektrostatisch. Eine mögliche
Ausführungsform
kann bimorphe Aktoren umfassen, für die eine Verbindung zwischen
einer Piezokeramik (zum Beispiel Blei-Zirkonat-Titanat, PZT) und
einem Substrat (z. B. amorphes SiO2) mittels
einer Kleberschicht hergestellt wird. Alternativ kann die Piezokeramik
als Sol-Gel-Schlicker mittels eines Siebdruckprozesses flüssig aufgebracht
werden, wobei ein Sinterschritt und die Polarisierung der Schicht
nachfolgen. Ferner kann zwischen der piezokeramischen Schicht und dem
Substrat eine Barriereschicht, etwa eine Gold umfassende Schicht,
vorgesehen sein.
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Die
Phasenkonjugationseinrichtung 6 mit dem die Aktoren 30.1,
..., 30.n umfassenden adaptiven Spiegel kann im Einzelnen
vom Fachmann modifiziert werden, wobei für derartige adaptive Optiken beispielhaft
auf die Monographie „Principles
of Adaptive Optics",
Robert K. Tyson, Academic Press. Inc., 1991, ISBN 0-12-705900-8
verwiesen wird, deren Offenbarungsgehalt voll umfänglich in
die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird.
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Der
verstärkte
und in seiner Strahlqualität wiederhergestellte
Objektstrahl wird nun im Objektstrahlengang 3 beispielsweise über einen
teildurchlässigen
Spiegel 3.2 einer Messeinrichtung 7 zugeleitet,
in der sich ein Terahertz-Detektor 8 befindet. Ein weiteres
sensorisches Element in der Messeinrichtung 7 bildet einen
Wellenfrontsensor 9, wobei mittels eines Schaltelements 10 eine
wahlweise Strahlungszuführung
entweder zum Terahertz-Detektor 8 oder zum Wellenfrontsensor 9 erfolgt.
Das Schaltelement 10 kann als bewegliches reflektives Element,
und damit mechanisch, ausgeführt
sein. Denkbar ist jedoch auch die Verwendung eines elektrisch schaltbaren Spiegels.
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Durch
dieses Schaltelement 10 erfolgt die Umschaltung vom Messmodus
in den Justagemodus. Zusätzlich
wird für
den Justagemodus der Zutritt von Objektstrahlung O zum Objektstrahlengang 3 verschlossen,
indem das Verschlusselement 4 entsprechend betätigt wird.
Verstärkt
und gemessen wird stattdessen eine Referenzstrahlung R, die vom Beleuchtungsstrahlengang 2 in
den Objektstrahlengang 3 eingekoppelt wird. Hierzu kann
beispielsweise im Beleuchtungsstrahlengang 2 ein mechanisch bewegtes,
reflektives Element oder ein elektrisch schaltbares reflektives
Element verwendet werden. Ein entsprechendes Element liegt dann
im Objektstrahlengang 3 vor. Gemäß einer Weitergestaltung wird
jedoch die Referenzstrahlung zur Erzeugung eines holographischen
Abbilds des Objekts 100 während des Messmoduses dauerhaft
in den Objektstrahlengang 3 eingekoppelt, sodass für den Justagemodus
ständige
Aus- und Einkopplungselemente verwendet werden können. Dies ist in 2 anhand der
teildurchlässigen
Spiegel 2.2 und 3.1 dargestellt, die jeweils dem
Beleuchtungsstrahlengang 2 und dem Objektstrahlengang 3 zugeordnet
sind.
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Während des
Justagemodus erfolgt der Durchtritt der Referenzstrahlung R durch
den optischen Verstärker 5 und
ein Zurückfalten über die Phasenkonjugationseinrichtung 6.
Entsprechend zum Messmodus wird die verstärkte und phasenkorrigierte
Referenzstrahlung der Messeinrichtung 7 zugeführt und
aufgrund der Justagestellung des Schaltelements 10 dem
Wellenfrontsensor 9 zugeleitet. Im einfachsten Fall wird
der Wellenfrontsensor 9 eine Vermessung des Strahlprofils
ausführen,
beispielsweise soll für
den Fall, dass die Terahertz-Strahlungsquelle 1 ein TEM00-Strahlprofil
abstrahlt, dies auch vom Wellenfrontsensor 9 gemessen werden. Zur
eigentlichen Bestimmung der Wellenfront selbst kann der Wellenfrontsensor 9 alternativ
eine regelmäßige Matrix
von Mikrolinsen übereinstimmender Brechweite
umfassen, denen jeweils ein sensorisches Element zugeordnet ist.
Nach dem Shack-Hartmann-Prinzip kann dann die laterale Abweichung
des Beleuchtungsschwerpunkts für
jede der Mikrolinsen bestimmt werden und aufgrund der Abweichung
von der erwarteten Solllage die mittlere Neigung der Wellenfront
und damit deren Gradient über
der Mikrolinse gemessen werden. Aus dieser Messung der Subapertur
kann auf die Wellenfront selbst zurückgerechnet werden. Als Alternative
wird die Wellenfront mittels interferometrischer Messung bestimmt.
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Ausgehend
von den Wellenfrontdaten kann über
eine Regelungseinrichtung 11 eine solche Anpassung der
adaptiven Phasenkonjugationseinrichtung 6 erfolgen, dass
am Wellenfrontsensor 9 im vorliegenden Justagemodus die
Deformation der Wellenfronten minimiert wird. Hierzu werden die
Aktuatoren 30.1, ..., 30.n des adaptiven Spiegels
entsprechend angesteuert. Diese während des Justagemoduses erzielte
Einstellung wird dann für
den nachfolgenden Messmodus beibehalten, bei dem die Objektstrahlung
O und die Referenzstrahlung R durch den optischen Verstärker 5 mit
der adaptiven Phasenkonjugationseinrichtung 6 geführt werden.
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Gemäß einer
besonders vorteilhaften Ausgestaltung werden das Verschlusselement 4 und
das Schaltelement 10 zu einer Baueinheit in Form eines Chopperrad 20s vereinigt,
was in den 3 und 4 dargestellt
ist. Das Chopperrad 20 umfasst wenigstens zwei Segmente,
ein erstes hochreflektives Segment 20.1 (mit vorzugsweise
R > 95%) und wenigstens
ein zweites teildurchlässiges
Segment 20.2, wobei mehrere dieser Segmente in einer alternierenden
Abfolge von hochreflektiven, ersten Segmenten 20.1 und
teildurchlässigen
zweiten Segmenten 20.2 am Chopperrad 20 angeordnet
sein können.
Das Bauelement ist so dimensioniert und so positioniert, dass es
sowohl in den Objektstrahlengang 2 eingreift, als auch
in den Bereich der Messeinrichtung 7 eindringen kann, sodass
je nach Stellung des Chopperrad 20s Strahlung entweder
dem Terahertz-Detektor 8 oder dem Wellenfrontsensor 9 zugeleitet
wird und somit die Funktion des Schaltelements 10 realisiert
werden kann. Folglich kann für
eine in 3 dargestellte erste Stellung
des Chopperrad 20s das hochreflektive erste Segment 20.1 die
Objektstrahlung O abblocken, sodass diese nicht in den Objektstrahlengang 3 eintritt.
Stattdessen wird die Einkopplung der Referenzstrahlung R ermöglichen.
Für diese
Stellung des Chopperrad 20s trifft die vom optischen Verstärker 5 verstärkte und
vom Strahlteiler 3.2 umgelenkte Referenzstrahlung R auf
das teildurchlässige
zweite Segment 20.2 und wird somit wenigstens teilweise
durch das Chopperrad 20 hindurchgeleitet und trifft zur
Vermessung auf den Wellenfrontsensor 9. Folglich wird diese
erste Stellung des Bauteils für
den Justagemodus eingesetzt.
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In
einer zweiten Stellung für
den Messmodus wird das hochreflektive erste Segment 20.1 in
den Bereich der Messeinrichtung 7 gebracht, sodass eine Reflexion
der einfallenden Strahlung ausschließlich auf dem Terahertz-Strahlungsdetektor 8 erfolgt. Gleichzeitig
befindet sich das teildurchlässige
zweite Segment 20.2 im Bereich des Objektstrahlengangs 3 und
ermöglicht
den Durchtritt der Objektstrahlung O. Zusätzlich wird für die vorteilhafte
Ausgestaltung eines holographischen Messsystems weiterhin die Referenzstrahlung
R dem Beleuchtungsstrahlengang 2 zugeführt, wobei die Einkopplung
durch eine Teilreflexion am teildurchlässigen zweiten Segment 20.2 bewirkt
wird.
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Das
Bauteil kann mittels einer im Einzelnen nicht dargestellten motorischen
Vorrichtung gedreht werden, sodass ein ständiger Wechsel und bevorzugter
periodischer Wechsel zwischen dem Justagemodus und dem Messmodus
erfolgen kann.
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- 1
- Terahertz-Strahlungsquelle
- 2
- Beleuchtungsstrahlengang
- 2.1
- Linse
- 2.2
- Strahlteiler
- 3.1
- teildurchlässiger Spiegel
- 3
- Objektstrahlengang
- 4
- Verschlusselement
- 5
- optischer
Verstärker
- 6
- adaptive
Phasenkonjugationseinrichtung
- 7
- Messeinrichtung
- 8
- Terahertz-Detektor
- 9
- Wellenfrontsensor
- 10
- Schaltelement
- 11
- Regelungseinrichtung
- 20
- Chopperrad
- 20.1
- hochreflektives
erstes Segment
- 20.2
- teildurchlässiges zweites
Segment
- 30.1–30.n
- Aktuatoren
- 40.1–40.n
- Spiegelkomponenten
des adaptiven Spiegels
- 100
- Objekt
- R
- Referenzstrahlung
- O
- Objektstrahlung