DE102007011820B4

DE102007011820B4 - Method for rapid measurement of samples with low optical path difference by means of electromagnetic radiation in the terahertz range

Info

Publication number: DE102007011820B4
Application number: DE200710011820
Authority: DE
Inventors: Boris Pradarutti; Dr. Riehemann Stefan; Dr. Notni Gunther
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Priority date: 2007-03-12
Filing date: 2007-03-12
Publication date: 2013-04-18
Anticipated expiration: 2027-03-13
Also published as: DE102007011820A1

Abstract

Terahertz(THz)-Bildgebungsverfahren, wobei eine Probe an mehreren Ortspositionen (x, y) abgetastet wird, indem für jede der Ortspositionen • mindestens ein optischer Puls erzeugt und in einen optischen Anregungspuls und einen zugehörigen optischen Probepuls aufgeteilt wird, • mittels des optischen Anregungspulses ein THz-Puls erzeugt und an dieser Ortsposition durch die Probe gestrahlt wird, und • der durch die Probe gestrahlte THz-Puls mittels des zugehörigen optischen Probepulses vermessen wird, wobei an mindestens zwei der Ortspositionen der THz-Puls mit dem zugehörigen optischen Probepuls unter einer bis auf eine durch den unterschiedlichen optischen Weg durch die Probe an diesen mindestens zwei Ortspositionen verursachte Phasendifferenz konstanten relativen Phasenlage zwischen THz-Puls und optischem Probepuls vermessen wird, wobei die Probe und/oder mindestens zwei der mindestens zwei Ortspositionen so gewählt werden, dass für den durch die Dickenänderung, Brechungsindexänderung und/oder Dichteänderung der Probe zwischen zwei oder zwischen diesen beiden Ortspositionen verursachten optischen Wegunterschied ΔL gilt...Terahertz (THz) imaging method, wherein a sample is scanned at a plurality of spatial positions (x, y) by generating for each of the spatial positions • at least one optical pulse and divided into an optical excitation pulse and an associated optical probe pulse, • by means of the optical excitation pulse generates a THz pulse and is radiated through the sample at this spatial position, and • the THz pulse radiated through the sample is measured by means of the associated optical probe pulse, wherein at least two of the spatial positions of the THz pulse with the associated optical probe pulse is measured to a caused by the different optical path through the sample at these at least two spatial positions constant relative phase between THz pulse and optical probe pulse, wherein the sample and / or at least two of the at least two spatial positions are chosen so that for by the thickness change, refractive ind dexänderung and / or density change of the sample between two or between these two spatial positions caused optical path difference ΔL holds ...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Messverfahren zum schnellen Messen von Materialien (Proben) mit geringem optischen Wegunterschied mittels elektromagnetischer Strahlung in Form von ultrakurzen Pulsen im Terahertz (THz)-Bereich. Das Verfahren kann insbesondere dazu dienen, innerhalb einer Prozesskette Materialproben auf Dichte-, Dicke- und/oder Brechungsindexschwankungen zu untersuchen. Beispielsweise können Polystyrol- oder Polyethylenproben innerhalb der Prozesskette auf Dichteschwankungen und auf ihren Wassergehalt getestet und optimiert werden.The present invention relates to a measuring method for rapidly measuring materials (samples) with low optical path difference by means of electromagnetic radiation in the form of ultrashort pulses in the terahertz (THz) range. In particular, the method can serve to examine material samples for variations in density, thickness and / or refractive index within a process chain. For example, polystyrene or polyethylene samples within the process chain can be tested and optimized for density variation and water content.

Der Frequenzbereich der Terahertz (THz)-Strahlung umfasst Frequenzen von 0,1 bis 10 THz. In diesem Frequenzbereich existieren hochauflösende Verfahren zur kohärenten Erzeugung und Detektion des elektrischen. Feldes von ultrakurzen Pulsen. Die Detektion der elektrischen Feldstärke der ultrakurzen Pulse erfolgt dabei mit Hilfe von Femtosekundenlasern (Pulsdauer 10 bis 500 fs) kohärent und zeitlich aufgelöst.The frequency range of terahertz (THz) radiation includes frequencies of 0.1 to 10 THz. In this frequency range, there are high-resolution methods for the coherent generation and detection of the electrical. Field of ultrashort pulses. The detection of the electric field strength of the ultrashort pulses is carried out with the help of femtosecond lasers (pulse duration 10 to 500 fs) coherently and temporally resolved.

Aus dem Stand der Technik ( GB 2 359 716 A ) ist eine Terahertz-Bildgebungsvorrichtung, welche mit einer variablen optischen Verzögerungsstrecke arbeitet, bekannt. Hierbei wird eine phasenabhängige Größe gemessen. Die Auswertung kann beispielsweise mittels elektrooptischer Abtastung durchgeführt werden. Insbesondere sind auch verschiedene Techniken zur Erzeugung des Bildes in dieser Druckschrift beschrieben, darunter auch eine Technik, bei der eine festgelegte Verzögerung des optischen Probestrahls verwendet wird.From the prior art ( GB 2 359 716 A ), a terahertz imaging apparatus which operates with a variable optical delay path is known. Here a phase-dependent variable is measured. The evaluation can be carried out for example by means of electro-optical scanning. In particular, various techniques for forming the image are described in this document, including a technique in which a fixed delay of the optical probe beam is used.

Der Stand der Technik kennt darüber hinaus in US 2006/0255277 A1 eine ähnliche Vorrichtung, wobei bei dieser Vorrichtung neben so genannten ”continuous wave lasern” auch gepulste Laser eingesetzt werden können.The prior art also knows in US 2006/0255277 A1 a similar device, which in addition to so-called "continuous wave lasers" and pulsed laser can be used in this device.

Der Stand der Technik bei der THz-Ultrakurzpuls-Technik ist hierbei die Aufnahme eines kompletten Pulses. Dabei tastet ein optischer Probepuls (Wellenlänge zwischen 0,35 und 10 μm) den ultrakurzen THz Puls ab. Die relevante Phasenlage zwischen dem ultrakurzen THz-Puls und dem optischen Puls wird durch eine optische Verzögerungsstrecke variiert. Die nachfolgende Auswertung analysiert die Amplitude (vertikale Pfeile in 5) oder Phase (horizontale Pfeile in 5) im Zeitbereich oder die spektralen (integralen) Amplituden und Phasen. In 5 zeigt die gestrichelte Kurve einen ultrakurzen THz-Puls vor und die gepunktete Linie einen ultrakurzen THz-Puls nach Durchgang durch das Material. Zur Erfassung jeder Kurve wurden 600 zeitliche Messpunkte aufgenommen.The state of the art in THz ultrashort pulse technology is the recording of a complete pulse. An optical sample pulse (wavelength between 0.35 and 10 μm) scans the ultrashort THz pulse. The relevant phase angle between the ultrashort THz pulse and the optical pulse is varied by an optical delay path. The following analysis analyzes the amplitude (vertical arrows in 5 ) or phase (horizontal arrows in 5 ) in the time domain or the spectral (integral) amplitudes and phases. In 5 For example, the dashed curve indicates an ultrashort THz pulse and the dotted line an ultrashort THz pulse after passing through the material. For recording each curve, 600 temporal measuring points were recorded.

Der Nachteil dieser Methode ist die lange Messzeit. Es muss für jeden aufgenommenen Puls (punktweise Messung) bzw. für jede aufgenommene Pulsreihe (Array Messung) der Zeitbereich durch eine optische Verzögerungsstrecke abgetastet werden. Üblich sind hierbei zwischen 50 und 1000 zeitliche Messpunkte. Durch diese zeitliche Dimension der Messung erhöht sich die Abtastzeit um bis zu zwei Größenordnungen.The disadvantage of this method is the long measurement time. It must be scanned for each recorded pulse (pointwise measurement) or for each recorded pulse series (array measurement) of the time domain by an optical delay line. Usually between 50 and 1000 temporal measuring points are usual. This time dimension of the measurement increases the sampling time by up to two orders of magnitude.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, ein Messverfahren zur Vermessung von Proben mit ultrakurzen Terahertz-Pulsen zur Verfügung zu stellen, mit welchem auf einfache und schnelle Art und Weise eine Vermessung der Probe stattfinden kann.It is therefore an object of the present invention to provide a measuring method for measuring samples with ultrashort terahertz pulses, with which a measurement of the sample can take place in a simple and rapid manner.

Diese Aufgabe wird durch das Terahertz-Bildgebungsverfahren nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Bildgebungsverfahrens finden sich in den abhängigen Ansprüchen. Erfindungsgemäße Verwendungen werden in den Ansprüchen 21 bis 23 beschrieben.This object is achieved by the terahertz imaging method according to claim 1. Advantageous developments of the imaging method according to the invention can be found in the dependent claims. Uses according to the invention are described in claims 21 to 23.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung genauer beschrieben. Einzelne erfindungsgemäße Merkmale können hierbei nicht nur in einer Kombination wie in den beschriebenen, vorteilhaften Ausführungsbeispielen gezeigt auftreten, sondern können im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch in beliebigen anderen Kombinationen ausgebildet sein bzw. verwendet werden.Hereinafter, the present invention will be described in detail. In this case, individual features according to the invention can not only appear in a combination as shown in the advantageous embodiments described, but can also be formed or used in any other combinations within the scope of the present invention.

Die Grundidee der vorliegenden Erfindung basiert darauf, bei dem Messverfahren das Abtasten der zeitlichen Dimension überflüssig zu machen, d. h. die Probe mit einer einzigen festen Phasenbeziehung zwischen Terahertz-Puls und optischem Probepuls zu vermessen. Somit ist für jeden geometrischen Punkt auf der Oberfläche der Probe, nachfolgend auch als Ortsposition (x, y) in der Probenebene bezeichnet, nur noch genau eine Messung bzw. die Aufnahme genau eines Messwertes notwendig, statt der bisher aufgenommenen etwa 50 bis 1000 Messpunkte. Sofern gewünscht, z. B. zur Verbesserung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses, können jedoch statt genau einer Messung auch mehrere Messungen (z. B. 5 oder 10 Einzelmessungen je Ortsposition (x, y)) erfolgen.The basic idea of the present invention is based on making the sampling of the time dimension superfluous in the measuring method, d. H. to measure the sample with a single fixed phase relationship between terahertz pulse and optical probe pulse. Thus, for each geometric point on the surface of the sample, hereinafter also referred to as spatial position (x, y) in the sample plane, only one measurement or the recording of exactly one measured value is necessary, instead of the previously recorded about 50 to 1000 measuring points. If desired, z. For example, to improve the signal-to-noise ratio, but instead of exactly one measurement and multiple measurements (eg., 5 or 10 individual measurements per spatial position (x, y)) take place.

Bei dem vorliegenden erfindungsgemäßen Verfahren werden somit mehrere Ortspositionen der Probe zur Erstellung eines Abbildes der Probe so vermessen, dass der Terahertz-Puls mit dem zugehörigen optischen Probepuls unter einer bis auf eine durch den unterschiedlichen optischen Weg durch die Probe an diesen Ortspositionen verursachte Phasendifferenz konstanten relativen Phasenlage zwischen diesen Pulsen vermessen wird (es ergibt sich somit ein festgelegter, über die verschiedenen vermessenen Ortspositionen konstanter Zeitversatz zwischen dem jeweiligen optischen Probepuls und dem mit ihm vermessenen Terahertz-Puls). Der Zeitversatz ist somit konstant bis auf den Unterschied im optischen Weg durch die Probe, welcher durch die Differenz in den Probeeigenschaften (z. B. unterschiedliche Probendicke in Durchstrahlungsrichtung des THz-Pulses) an unterschiedlichen Ortspositionen verursacht wird.In the present method according to the invention, a plurality of spatial positions of the sample for generating an image of the sample are thus measured so that the terahertz pulse with the associated optical sample pulse remains constant relative to a phase difference caused by the different optical path through the sample at these spatial positions Phase position between these pulses is measured (it thus results in a fixed, on the various measured location positions constant time offset between the respective optical probe pulse and the terahertz pulse measured with it). The time offset is therefore constant except for the difference in the optical path through the sample, which is caused by the difference in the sample properties (eg different sample thickness in the direction of transmission of the THz pulse) at different spatial positions.

Die konstante relative Phasenlage zwischen den Terahertz-Pulsen und den jeweils zugehörigen optischen Probepulsen kann hierbei wie nachfolgend noch genauer beschrieben, festgelegt bzw. eingestellt werden. Die Einstellung geschieht hierbei unter Berücksichtigung der Tatsache, dass die Probe selbst einen Zeitversatz bzw. eine Phasenverschiebung zwischen THz-Puls und optischem Probepuls erzeugt.The constant relative phase position between the terahertz pulses and the respectively associated optical test pulses can be defined or adjusted as described in more detail below. The adjustment takes place taking into account the fact that the sample itself generates a time offset or a phase shift between the THz pulse and the optical probe pulse.

Vorteilhafterweise ist aus diesem Grund das erfindungsgemäße Verfahren bei Proben einzusetzen, welche einen geringen optischen Wegunterschied innerhalb der Probe aufweisen. Ein solcher geringer optischer Wegunterschied ergibt sich durch einen geringen Brechungsindexunterschied innerhalb der Probe, durch geringe Dichteschwankungen innerhalb der Probe und/oder durch geringe Dickeunterschiede innerhalb der Probe in Durchstrahlungsrichtung des Terahertz-Pulses. Gering heißt hierbei, dass die Pulsverschiebung durch die bzw. innerhalb der Probe aufgrund des optischen Wegunterschieds der Terahertz-Pulse in der Probe kleiner ist als die Pulsbreite des Terahertz-Pulses: Es gilt somit ΔL < τ_THz·c wobei ΔL der optische Wegunterschied (also ΔL = Δl·n mit Δl = geometrischer Weglänge und n = Brechungsindex der Probe bei einer homogenen Probe) des Terahertz-Pulses innerhalb der Probe an der entsprechend durchstrahlten Ortsposition (x, y), τ_THz die Pulsbreite des Terahertz-Pulses (Halbwertsbreite) und c die Lichtgeschwindigkeit ist.For this reason, the method according to the invention is advantageously used for samples which have a small optical path difference within the sample. Such a small optical path difference results from a small refractive index difference within the sample, from small density fluctuations within the sample and / or from small differences in thickness within the sample in the direction of transmission of the terahertz pulse. In this case, low means that the pulse shift through or within the sample is smaller than the pulse width of the terahertz pulse due to the optical path difference of the terahertz pulses in the sample ΔL <τ _THz · c where ΔL the optical path difference (ie ΔL = Δl · n with Δl = geometric path length and n = refractive index of the sample in a homogeneous sample) of the terahertz pulse within the sample at the corresponding irradiated spatial position (x, y), τ _THz the pulse width of the terahertz pulse (half width) and c is the speed of light.

Weiterhin ist das erfindungsgemäße Messverfahren (bzw. die Probe) vorteilhafterweise zusätzlich so auszugestalten, dass für das Zeitfenster der Pulsverschiebung bzw. dessen Breite Δt_F mit Δt_F = ΔL / c gilt Δt_F < τ_THz und dass die Lage des Zeitfensters so ist, dass ein jeder Messzeitpunkt (also die relative Phasenlage) an jedem Messort (Ortsposition) und für jede Messung in diesem Zeitfenster liegt. Das Zeitfenster der Pulsverschiebung ist hierbei wie folgt definiert: Wenn die Probe mittels Messungen an unterschiedlichen Ortspositionen (x, y) „durchfahren” wird, wird der THz-Puls aufgrund der Variation der Probeneigenschaften (von Ort zu Ort) zeitlich verschoben. Der Bereich zwischen dem (zeitlichen) Minimum und dem (zeitlichen) Maximum der Verschiebung ist das Zeitfenster. Hierbei unterliegt das Zeitfenster der folgenden Einschränkung: Die zeitliche Verschiebung lässt sich, vom THz-Puls aus gesehen, auch so sehen, dass sich der Messzeitpunkt (relativ gesehen) verschiebt. Diese Verschiebung muss dann innerhalb eines Zeitfensters liegen, in dem der THz-Puls eine von Null verschiedene elektrische Feldstärke aufweist.Furthermore, the measuring method according to the invention (or the sample) is advantageously additionally to be designed such that for the time window of the pulse shift or its width .DELTA.t _F with Δt _F = ΔL / c applies Δt _F <τ _THz and that the position of the time window is such that each measurement time (ie the relative phase angle) is at each measurement location (spatial position) and for each measurement in this time window. The time window of the pulse shift is defined as follows: If the sample is "traversed" by means of measurements at different spatial positions (x, y), the THz pulse is shifted in time due to the variation of the sample properties (from place to place). The range between the (temporal) minimum and the (temporal) maximum of the shift is the time window. In this case, the time window is subject to the following restriction: The time shift can, seen from the THz pulse, also be seen so that the measurement time (relatively speaking) shifts. This shift must then be within a time window in which the THz pulse has a non-zero electric field strength.

Die vorliegende Erfindung stellt somit ein kohärentes Messverfahren für die Terahertz-Bildgebung zur Verfügung, mit welchem eine Probe zeilenweise (z. B. entlang der x-Koordinate der Ortsposition unter Konstanthalten der y-Koordinate der Ortsposition, wobei x und y Koordinaten eines kartesischen Koordinatensystems sind mit der z-Koordinate in Durchstrahlungsrichtung des Terahertz-Pulses durch die Probe) oder flächig (Variation der x-Koordinate und der y-Koordinate der Ortsposition) mit ultrakurzen Pulsen und ohne Verwendung von Verzögerungsstrecken zur Erzeugung von Zeitversätzen zwischen den ultrakurzen Terahertz-Pulsen und den zugehörigen Probepulsen abgetastet werden kann. Es ist somit mit der vorliegenden Erfindung nicht notwendig, Verzögerungsstrecken im Pumpstrahlweg oder im Probestrahlweg einzusetzen. Kohärent heilt in diesem Fall, dass nicht die Intensität, sondern direkt das elektrische Feld des Pulses in Amplitude und/oder Phase zeitaufgelöst gemessen wird. Typische Pulsdauern des THz-Pulses sind hierbei 0.1 bis 10 ps. Hierbei wird der Zeitversatz zwischen ultrakurzen Terahertz-Pulsen und zugehörigen Probepulsen durch die zu vermessende Probe selbst erreicht (Durchstrahlung der Probe). Aus diesem Grund ist wie beschrieben vorteilhafterweise die Probe so aufgebaut bzw. wird an solchen Ortspositionen abgetastet, dass die zu untersuchende Pulsverschiebung aufgrund des optischen Wegunterschieds der Terahertz-Pulse durch die Probe kleiner als die Pulsbreite der Terahertz-Pulse ist.The present invention thus provides a coherent measuring method for terahertz imaging in which a sample is measured line by line (eg along the x-coordinate of the spatial position while keeping the y-coordinate of the spatial position constant, where x and y are coordinates of a Cartesian coordinate system are with the z-coordinate in the direction of transmission of the terahertz pulse through the sample) or areal (variation of the x-coordinate and the y-coordinate of the spatial position) with ultrashort pulses and without the use of delay lines to generate time offsets between the ultrashort terahertz pulses and the associated test pulses can be scanned. It is thus not necessary with the present invention to use delay lines in the pump beam path or in the test beam path. Coherent heals in this case that not the intensity, but directly the electric field of the pulse in amplitude and / or phase is measured time-resolved. Typical pulse durations of the THz pulse are 0.1 to 10 ps. In this case, the time offset between ultrashort terahertz pulses and associated test pulses is achieved by the sample to be measured itself (irradiation of the sample). For this reason, as described, the sample is advantageously constructed or scanned at such positional positions that the pulse shift to be examined due to the optical path difference of the terahertz pulses through the sample is smaller than the pulse width of the terahertz pulses.

Anders als im Stand der Technik wird bei der vorliegenden Erfindung nun nicht mehr der komplette ultrakurze Terahertz-Puls mittels eines optischen Probepulses an einer Vielzahl von Messpositionen abgetastet, sondern es wird wie nachfolgend noch näher beschrieben, lediglich genau ein Messpunkt der elektrischen Feldstärke pro Terahertz-Puls kohärent aufgenommen. Beispielsweise um ein verbessertes Signal-zu-Rauschverhältnis zu erzielen, kann jedoch auch statt genau eines Messpunktes die Aufnahme von einigen wenigen Messpunkten der elektrischen Feldstärke pro Terahertz-Puls erfolgen (beispielsweise 5 oder 10 Messpunkte pro Puls).Unlike in the prior art, the present invention no longer scans the complete ultra-short terahertz pulse at a plurality of measurement positions by means of an optical probe pulse, but rather describes just one measurement point of the electric field strength per terahertz, as described below. Heart rate recorded coherently. However, for example, in order to achieve an improved signal-to-noise ratio, it is also possible to record a few measuring points of the electric field strength per terahertz pulse instead of just one measuring point (for example 5 or 10 measuring points per pulse).

Vorteilhafterweise werden hierbei Probepulse mit einer Mittenwellenlänge im Bereich von 0,35 bis 10 μm verwendet (z. B. 800 nm oder 1060 nm). Zur Mittenwellenlänge: Ultrakurze Laserpulse bestehen nicht nur aus einer einzigen Wellenlänge, sondern aus einer Überlagerung von verschiedenen Wellenlängen. Eine solche Überlagerung (Verteilung) ist in der Regel umso breiter, je kürzer die Pulse sind. Solche Pulse werden daher durch das Maximum der Verteilung (Mittenwellenlänge) und die Breite der Verteilung (Full width half maximum FWHM bzw. volle Halbwertsbreite) charakterisisiert. Da die Breite des Spektrums anti-proportional zur Pulslänge ist, reicht eine von beiden Angaben.Advantageously, sample pulses with a center wavelength in the range of 0, 35 to 10 μm (eg 800 nm or 1060 nm). To the center wavelength: Ultra-short laser pulses consist not only of a single wavelength, but of a superposition of different wavelengths. Such a superposition (distribution) is generally wider, the shorter the pulses are. Such pulses are therefore characterized by the maximum of the distribution (center wavelength) and the width of the distribution (full width half maximum FWHM or full width at half maximum). Since the width of the spectrum is anti-proportional to the pulse length, one of both specifications is sufficient.

Der ultrakurze Terahertz-Puls enthält hierbei vorteilhafterweise einen oder mehrere Frequenzbereiche aus dem Bereich zwischen 0,01 bis 100 THz (im nachfolgenden Ausführungsbeispiel wurden 0,01 bis 2,5 THz eingesetzt). Der durch die Probe selbst erzeugte Zeitversatz zwischen Terahertz-Puls und Probepuls wird entweder durch einen ortsabhängigen Brechungsindexunterschied, einen ortsabhängigen Dichteunterschied oder einen ortsabhängigen Dickeunterschied innerhalb der Probe oder durch eine Kombination dieser Faktoren erzeugt.The ultrashort terahertz pulse advantageously contains one or more frequency ranges from 0.01 to 100 THz (0.01 to 2.5 THz were used in the following embodiment). The time offset between terahertz pulse and sample pulse generated by the sample itself is generated either by a location dependent refractive index difference, a location dependent density difference, or a location dependent thickness difference within the sample or by a combination of these factors.

Gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Messverfahren weist das erfindungsgemäße Verfahren die folgenden Vorteile auf:

• Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist eine schnelle Messung von Probematerialien mit Hilfe von ultrakurzen Terahertz-Pulsen von elektromagnetischer Strahlung möglich. Für die Anwendung in der Sicherheitstechnik und im Qualitätsmanagement ist die Dauer einer Messung ein ganz entscheidender Faktor. Durch die Beschleunigung einer Messung durch die vorliegende Erfindung um bis zu zwei Größenordnungen werden neue Anwendungen und Geschäftsfelder praktikabel und können kommerziell erschlossen werden.
• Durch die wegfallende Abtastung der Zeitdimension kann somit die Messung um bis zu zwei Größenordnungen beschleunigt werden.
• Da wie nachfolgend noch näher beschrieben eine kleine Änderung des optischen Weges (beispielsweise durch eine lokal geringfügig variierende Probendicke) auf eine große Amplitudenänderung abgebildet wird, können auch sehr kleine Änderungen im optischen Weg des Terahertz-Pulses durch die Probe mit einem hohen Signal zu Rauschverhältnis aufgelöst werden. Somit wird nicht nur eine schnelle Messung, sondern gleichzeitig auch eine sehr hohe Qualität der Messung ermöglicht.
• Zudem lassen sich gegenüber den bekannten Verfahren Komponenten einsparen (eine Verzögerungsstrecke ist nicht mehr notwendig).

Compared with the measuring methods known from the prior art, the method according to the invention has the following advantages:

With the method according to the invention, a rapid measurement of sample materials by means of ultrashort terahertz pulses of electromagnetic radiation is possible. For the application in the safety technology and in the quality management the duration of a measurement is a very decisive factor. By accelerating a measurement by up to two orders of magnitude by the present invention, new applications and business fields become practicable and can be commercially developed.
• Due to the omitted sampling of the time dimension, the measurement can thus be accelerated by up to two orders of magnitude.
Since, as described in more detail below, a small change in the optical path (for example due to a locally slightly varying sample thickness) is mapped to a large amplitude change, even very small changes in the optical path of the terahertz pulse through the sample can lead to a high signal-to-noise ratio be dissolved. Thus not only a fast measurement, but at the same time a very high quality of the measurement is made possible.
• In addition, components can be saved compared with the known methods (a delay line is no longer necessary).

Nachfolgend wird die nachfolgende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigenThe following invention will be described in more detail by means of embodiments. Show it

1 eine erste beispielhafte Messvorrichtung, die gemäß dem erfindungsgemäßen Messverfahren ausgebildet ist. 1 a first exemplary measuring device, which is designed according to the measuring method according to the invention.

2 eine zweite beispielhafte Messvorrichtung, welche gemäß dem erfindungsgemäßen Messverfahren ausgebildet ist. 2 a second exemplary measuring device, which is designed according to the measuring method according to the invention.

3 eine Messung an Beispielpulsen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. 3 a measurement of example pulses according to the inventive method.

4 ein Amplitudenbild, welches sich durch Abtastung eines Polystyrolkörpers an einer Vielzahl von Ortspositionen x, y mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ergibt. 4 an amplitude image which results from scanning a polystyrene body at a plurality of positional positions x, y with the method according to the invention.

5 die Erfassung eines Terahertz-Pulses gemäß dem Stand der Technik. 5 the detection of a terahertz pulse according to the prior art.

1 zeigt einen erfindungsgemäßen Messaufbau im Detail. Mit Hilfe eines Ultrakurzpulslasers 1 wird ein optischer Puls erzeugt. Dieser wird durch den Strahlteiler 2 in einen optischen Probepuls OP und in einen optischen Anregungspuls OA aufgeteilt. Der Strahlweg für den optischen Probepuls OP wird nachfolgend auch als Probestrahlweg, der Strahlweg für den optischen Anregungspuls OA und den daraus generierten (siehe nachfolgend) Terahertz-Puls wird auch als Pumpstrahlweg bezeichnet. Der optische Anregungspuls wird durch Spiegel 3b, 3c und 3d auf einen Terahertz-Emitter bzw. Terahertz-Generator 4 gelenkt. Ein solcher Terahertz-Emitter ist aus dem Stand der Technik bereits bekannt und wird daher hier nicht mehr beschrieben. Durch den optischen Anregungspuls wird im Emitter 4 ein Terahertz-Puls erzeugt, welcher durch einen ersten Parabolspiegel 5a und eine Fokussieroptik 6a auf eine Materialprobe P gelenkt wird. Der Terahertz-Puls wird durch die Materialprobe P transmittiert und erfährt hierbei, je nach Ortsposition (x, y), an welcher die Probe P gerade durchstrahlt wird, einen entsprechenden optischen Wegunterschied, welcher durch den lokalen Brechungsindex, die lokale Dichte und die lokale Dicke der Probe an der Ortsposition (x, y) bestimmt wird. Der mit dem optischen Wegunterschied beaufschlagte Terahertz-Puls wird nach der Probe P dann durch die Sammeloptik 6b und einen zweiten Parabolspiegel 5b auf eine Einkoppelvorrichtung 7, welche aus einem Spiegel und einem halbdurchlässigen Spiegel besteht, gelenkt. Die Einkoppelvorrichtung 7 bewirkt, insbesondere mit dem halbdurchlässigen Spiegel, die Einkopplung des Terahertz-Pulses in den Probestrahlweg, in welchem mittels eines Spiegels 3a der vom Strahlteiler 2 transmittierte optische Probenpuls auf die ITO-beschichtete Glasplatte (welche transparent für optische Wellenlängen und reflektiv für THz-Strahlung ist) der Einkoppelvorrichtung 7 gelenkt wird. Die Überlagerung aus Terahertz-Puls und zugehörigem optischen Probepuls wird dann der Detektionsvorrichtung 8 zugeführt. Diese weist hier einen eo-Kristall 8a, im Strahlengang diesem nachfolgend eine λ/4-Platte 8b sowie nachfolgend ein Wollaston-Prisma 8c auf. Bei dem Detektor 8 handelt es sich, wie die Skizze zeigt, um einen balancierten Detektor, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist und dessen Funktionsweise hier daher nur kurz beschrieben wird: Bei diesem Aufbau (electro-optical sampling-Aufbau EOS) werden beide Pulse (Terahertz-Puls wie optischer Probepuls) gleichzeitig und colinear durch einen elektrooptischen Kristall eo-Kristall geschickt. Der elektrooptische Effekt erster Ordnung dreht die Polarisation des Probepulses proportional zur elektrischen Feldstärke des Terahertz-Pulses. Eine λ/4-Platte, ein Wollaston-Prisma und ein balancierter Detektor messen diese Polarisationsdrehung. Auf diese Art und Weise tastet ein Femtosekunden-Laserpuls (optischer Probepuls) mit einer Länge von etwa 5 bis 200 Femtosekunden einen Terahertz-Puls mit einer Länge von etwa 0,2 bis 2 Picosekunden ab. Das gemessene Signal gibt hierbei nur den Moment wieder, an dem der Femtosekundenpuls auftrifft, also einen kurzen zeitlichen Ausschnitt des Terahertz-Pulses (dies gilt hier ebenso wie bei dem nachstehend noch näher beschriebenen Ausführungsbeispiel zu 2). Im Gegensatz zum Stand der Technik, wo um den kompletten Terahertz-Puls zu messen eine Verzögerungseinheit eingesetzt werden muss und die relative Phase zwischen den beiden Pulsen mit dieser verändert wird (Sampling des Pulses) wird hier nun wie bereits vorbeschrieben lediglich ein einziger Messwert je Ortsposition bestimmt. Der Detektor 8 ist mit einer Rechnervorrichtung 9 (PC) verbunden, mit welcher die für die einzelnen Ortspositionen aufgenommenen Messwerte (Amplitudenwerte, siehe nachfolgend) verarbeitet und als Bild des Objekts dargestellt werden können. 1 shows a measuring assembly according to the invention in detail. With the help of an ultrashort pulse laser 1 an optical pulse is generated. This one is through the beam splitter 2 divided into an optical probe pulse OP and an optical excitation pulse OA. The beam path for the optical probe pulse OP is also referred to below as the probe beam path, the beam path for the optical excitation pulse OA and the terahertz pulse generated therefrom (see below) is also referred to as the pump beam path. The optical excitation pulse is reflected by mirrors 3b . 3c and 3d to a terahertz emitter or terahertz generator 4 directed. Such a terahertz emitter is already known from the prior art and will therefore not be described here. By the optical excitation pulse is in the emitter 4 generates a terahertz pulse, which by a first parabolic mirror 5a and a focusing optics 6a is directed to a material sample P. The terahertz pulse is transmitted through the material sample P and, depending on the spatial position (x, y) at which the sample P is currently being transmitted, experiences a corresponding optical path difference which is determined by the local refractive index, the local density and the local thickness the sample is determined at the spatial position (x, y). The applied to the optical path difference terahertz pulse is then after the sample P by the collection optics 6b and a second parabolic mirror 5b on a coupling device 7 , which consists of a mirror and a semi-transparent mirror, steered. The coupling device 7 causes, in particular with the semipermeable mirror, the coupling of the terahertz pulse in the sample beam, in which by means of a mirror 3a that of the beam splitter 2 transmitted optical probe pulse on the ITO-coated glass plate (which transparent for optical Wavelengths and reflective to THz radiation) of the coupling device 7 is steered. The superimposition of terahertz pulse and associated optical probe pulse then becomes the detection device 8th fed. This one has an eo-crystal here 8a , in the beam path this below a λ / 4-plate 8b and subsequently a Wollaston prism 8c on. At the detector 8th is, as the sketch shows, to a balanced detector, as it is known from the prior art and its operation is therefore described here only briefly: In this construction (electro-optical sampling structure EOS) both pulses (terahertz Pulse as optical probe pulse) simultaneously and colinearly sent through an electro-optic crystal eo-crystal. The first-order electro-optical effect rotates the polarization of the sample pulse in proportion to the electric field strength of the terahertz pulse. A λ / 4 plate, a Wollaston prism and a balanced detector measure this polarization rotation. In this way, a femtosecond laser pulse (optical probe pulse) of about 5 to 200 femtoseconds in length scans a terahertz pulse of about 0.2 to 2 picoseconds in length. In this case, the measured signal reproduces only the moment at which the femtosecond pulse impinges, that is to say a short time segment of the terahertz pulse (this applies here as well as in the exemplary embodiment described in more detail below) 2 ). In contrast to the prior art, where a delay unit has to be used to measure the complete terahertz pulse and the relative phase between the two pulses is changed with this (sampling of the pulse), as already described above, only a single measured value per spatial position is used here certainly. The detector 8th is with a computing device 9 (PC), with which the measured values recorded for the individual position positions (amplitude values, see below) can be processed and displayed as an image of the object.

Erfindungsgemäß wird nun die relative Phasenlage (Offset) zwischen dem Terahertz-Puls und dem zugehörigen optischen Probenpuls auf eine feste Phasenbeziehung (bis auf eine durch den unterschiedlichen optischen Weg durch die Probe an unterschiedlichen Ortspositionen verursachte Phasendifferenz) eingestellt. Bei der vorliegenden Erfindung ist es somit nicht wie beim Stand der Technik notwendig, dass die einzelnen Terahertz-Pulse von den optischen Probenpulsen bei unterschiedlichen Phasenlagen (durch Verwendung einer Verzögerungsstrecke) abgetastet werden zur Ermittlung der Pulsform des Terahertz-Pulses: Bei der vorliegenden Erfindung reicht es, den Terahertz-Puls mittels des optischen Probepulses bei genau einer zeitlichen Messposition zu vermessen (Bestimmung der Amplitude des Terahertz-Pulses an dieser zeitlichen Messposition). Mit Hilfe der bis auf die besagte Phasendifferenz fest eingestellten relativen Phasenlage zwischen Terahertz-Puls und optischem Probepuls wird die Probe P flächig abgetastet, d. h. es werden für verschiedene Ortspositionen (x, y) jeweils einzelne Amplitudenwerte des Terahertz-Pulses an der festgelegten zeitlichen Abtastposition bestimmt.According to the invention, the relative phase position (offset) between the terahertz pulse and the associated optical probe pulse is set to a fixed phase relationship (except for a phase difference caused by the different optical path through the sample at different spatial positions). Thus, in the present invention, it is not necessary, as in the prior art, to sample the individual terahertz pulses from the optical sample pulses at different phase angles (using a delay line) to determine the pulse shape of the terahertz pulse it to measure the terahertz pulse by means of the optical probe pulse at exactly one temporal measuring position (determination of the amplitude of the terahertz pulse at this temporal measuring position). With the aid of the relative phase position between the terahertz pulse and the optical probe pulse, which has been fixed up to said phase difference, the sample P is scanned in a planar manner, i. H. In each case, individual amplitude values of the terahertz pulse at the specified temporal scanning position are determined for different positional positions (x, y).

Bei der vorliegenden Erfindung kann die Festlegung bzw. Einstellung der relativen Phasenlage zwischen Terahertz-Puls und optischem Probepuls wie folgt geschehen:
Die Probe wird wie vorbeschrieben so gewählt, dass die Pulsverschiebung (aufgrund des optischen Wegunterschieds der THz-Pulse in der Probe) durch sie kleiner ist als die THz-Pulsbreite: ΔL < τ_THz·c. Zudem wird das Zeitfenster der Pulsverschiebung wie vorbeschrieben so eingestellt, dass für seine Breite Δt_F gilt: ΔL / c = Δt_F < τ_THz. Die Lage des Zeitfensters (bestimmt durch den konstanten Zeitversatz zwischen den THz-Pulsen und den jeweils zugehörigen optischen Probepulsen) wird so eingestellt, dass die Messzeitpunkte (relative Phasenlage) für jede vermessene Ortsposition innerhalb des Zeitfensters liegen.In the present invention, the setting of the relative phase position between terahertz pulse and optical probe pulse can be done as follows:
The sample is selected as described above such that the pulse shift (due to the optical path difference of the THz pulses in the sample) through it is smaller than the THz pulse width: ΔL <τ _THz · c. In addition, the time window of the pulse shift is set as described above such that the following applies to its width Δt _F : ΔL / c = Δt _F <τ _THz . The position of the time window (determined by the constant time offset between the THz pulses and the respectively associated optical test pulses) is adjusted so that the measurement times (relative phase angle) for each measured spatial position lie within the time window.

Bei angenommener einfacher Pulsform der THz-Pulse wie sie in 3 gezeigt ist, kann die vorbeschriebene Einstellung beispielsweise wie folgt erfolgen:
Es kann eine Ortsposition (x_m, y_m) mittlerer Phasenverschiebung auf der Probe P ausgewählt werden. Eine solche mittlere Phasenverschiebung kann sich beispielsweise dort auf einer Probe konstanter Dichte und konstanten Brechungsindexes ergeben, wo die Probendicke der Probe einen mittleren Wert (arithmetisches Mittel) zwischen der minimalen und der maximalen Probendicke annimmt. An dieser Stelle wird nun die relative Pulsphasenverzögerung bzw. der durch die Probe verursachte optische Wegunterschied bestimmt und als konstanter Zeitversatz gesetzt (Erstjustage mit einer Verzögerungsstrecke). Alternativ dazu kann jedoch eine Einstellung ohne Verzögerungsstrecke erfolgen, indem bei bekannter Probe der Aufbau so gestaltet wird, dass die beiden Pulse (optischer Probepuls und THz-Puls) passend liegen.Assuming simple pulse shape of the THz pulses as in 3 is shown, the above-described setting, for example, as follows:
A spatial position (x _m , y _m ) of average phase shift on the sample P can be selected. Such a mean phase shift may arise, for example, there on a sample of constant density and constant refractive index, where the sample thickness of the sample assumes an average value (arithmetic mean) between the minimum and the maximum sample thickness. At this point, the relative pulse phase delay or the optical path difference caused by the sample is determined and set as a constant time offset (first adjustment with a delay line). Alternatively, however, a setting can be made without a delay path by designing the structure in a known sample such that the two pulses (optical sample pulse and THz pulse) are suitable.

Passend liegen bedeutet, dass für beide Pulse die optische Weglänge (vom Strahlteiler bis zum Detektor) genau gleich ist (zusätzlich ist der Aufbau so gestaltet, dass hier die vorbeschriebenen Bedingungen ΔL < τ_THz·c und Δt_F < τ_THz erfüllt sind). Da die beiden Pulse exakt gleichzeitig bzw. gemeinsam auftreffen müssen, muss der optische Weg in beiden Zweigen des Systems exakt gleich sein. Die in den Strahl gestellte Probe P verändert jedoch den optischen Weg in einem Zweig, so dass der optische Weg in einem Zweig verkürzt oder in dem anderen Zweig verlängert werden muss. Wie beschrieben kann dies entweder über eine Justagemöglichkeit für die optische Weglänge in einem der Zweige geschehen, eine solche Justagemöglichkeit kann beispielsweise eine Verzögerungsstrecke sein (manuell oder elektronisch) oder auch ein verschiebbarer Spiegel. Wann immer jedoch dieselben oder ähnlich aufgebaute Proben untersucht werden sollen (beispielsweise im Bereich des Qualitätsmanagements), kann das System vereinfacht jedoch auch so aufgebaut werden, dass die Probe selbst bei der Berechnung des optischen Weges berücksichtigt wird (bekannte Probeneigenschaften).Suitably lying means that the optical path length (from the beam splitter to the detector) is exactly the same for both pulses (in addition, the structure is designed such that the above-described conditions ΔL <τ _THz · c and Δt _F <τ _{THz are} fulfilled). Since the two pulses must strike exactly simultaneously or together, the optical path in both branches of the system must be exactly the same. However, the sample P placed in the beam changes the optical path in a branch, so that the optical path in one branch must be shortened or extended in the other branch. As described, this can be done either via an adjustment option for the optical path length in one of the branches, such a Justagemöglichkeit can For example, be a delay line (manually or electronically) or a sliding mirror. However, whenever the same or similarly constructed samples are to be tested (for example in the area of quality management), the system can be simplified in such a way that the sample itself is taken into account in the calculation of the optical path (known sample properties).

Alternativ hierzu ist es auch ebenso möglich, eine Ortsposition (x_min, y_min) auf der Probe auszuwählen, bei welcher die Phasenverschiebung durch die Probe minimal ist (beispielsweise dünnste Probestelle bei einer Probe konstanter Dichte und konstanten Brechungsindexes). Ebenso ist es möglich, eine Stelle mit maximaler Phasenverschiebung (bzw. dickste Probestelle (x_max, y_max)) bei konstanter Dichte und konstantem Brechungsindex auszuwählen.Alternatively, it is also possible to select a spatial position (x _min , y _min ) on the sample at which the phase shift through the sample is minimal (for example, thinnest sample point for a sample of constant density and constant refractive index). It is also possible to select a position with maximum phase shift (or thickest sample point (x _max , y _max )) at a constant density and a constant refractive index.

Die konstante relative Phasenlage zwischen Terahertz-Puls und optischem Probepuls bzw. der festgelegte, konstante Zeitversatz zwischen diesen Pulsen wird dann (bei Annahme einer einfachen Pulsform wie in 3) bei Auswahl einer Stelle mittlerer Phasenverschiebung bzw. mittlerer Probendicke so eingestellt, dass die zeitliche Abtastposition mit der maximalen Steigung zwischen dem Hauptmaximum THz-Pulses und dem ersten Minimum nach diesem Hauptmaximum übereinstimmt (siehe 3, gepunktete Linie des Beispielpulses P1). Wird alternativ hierzu eine Einstellung gemäß der dicksten Probenstelle gewählt, so wird die zeitliche Abtastposition so festgelegt, dass sie dem Minimum nach dem Hauptmaximum des Terahertz-Pulses entspricht (durchgezogene Linie des Beispielpulses P3 in 3). Bei einer entsprechenden Wahl gemäß der dünnsten Probestelle wird die zeitliche Abtastposition bzw. der konstante Zeitversatz so gewählt, dass sie bzw. er der Lage des Hauptmaximums des Terahertz-Pulses entspricht (gestrichelte Linie des Beispielpulses P2 in 3).The constant relative phase between the terahertz pulse and the optical sample pulse or the fixed, constant time offset between these pulses is then (assuming a simple pulse shape as in 3 ) is set at a location of average phase shift or average sample thickness such that the sampling timing coincides with the maximum slope between the main maximum THz pulse and the first minimum after that main maximum (see 3 , dotted line of the example pulse P1). Alternatively, if a setting according to the thickest sample location is selected, then the temporal sampling position is determined so that it corresponds to the minimum of the main maximum of the terahertz pulse (solid line of the example pulse P3 in 3 ). In a corresponding choice according to the thinnest sample point, the temporal sampling position or the constant time offset is selected such that it corresponds to the position of the main maximum of the terahertz pulse (dashed line of the example pulse P2 in FIG 3 ).

Die Probe P wird somit, wie bereits vorbeschrieben, bei konstanter optischer Verzögerung vermessen, indem an jeder Ortsposition (x, y) genau ein Messwert aufgenommen wird. Dieser Messwert wird so aufgenommen, dass bei der der Verzögerung entsprechenden zeitlichen Abtastposition die Amplitude des dem optischen Wegunterschied am Ort (x, y) unterworfenen Terahertz-Pulses bestimmt wird. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird bei dieser Anordnung somit keinerlei optische Verzögerungsstrecke für die eigentliche Messung benötigt, da die Probe P selbst als solche Verzögerungsstrecke zur Erzeugung eines optischen Wegunterschieds verwendet wird. Die Abtastung der einzelnen Messwerte bzw. die Bestimmung der Amplitudenwerte geschieht hierbei wie beim Stand der Technik und wird daher nicht näher beschrieben.The sample P is thus, as already described above, measured at a constant optical delay by taking exactly one measured value at each spatial position (x, y). This measured value is recorded in such a way that the amplitude of the terahertz pulse subjected to the optical path difference at the location (x, y) is determined at the sampling position corresponding to the delay. In contrast to the prior art, in this arrangement, therefore, no optical delay path is required for the actual measurement, since the sample P itself is used as such a delay path to produce an optical path difference. The sampling of the individual measured values or the determination of the amplitude values takes place here as in the prior art and is therefore not described in detail.

Wird nun die feste Phasenbeziehung (bzw. die konstante relative Phasenlage zwischen Terahertz-Puls und optischem Probepuls) wie vorbeschrieben eingestellt, so bewirkt eine Phasenverschiebung auf einem anderen Weg durch die Probe eine Änderung der Amplitude, wobei eine kleine Phasenänderung auf eine große Amplitudenänderung abgebildet und gemessen wird: Kommt beispielsweise an einer ersten Ortsposition (x₁, y₁) die zeitliche Abtastposition (aufgrund einer mittleren Probendicke) genau auf der steilsten Stelle der Flanke des Pulses (im Wendepunkt zwischen Hauptmaximum und nachfolgendem Minimum) zum Liegen, und ergibt sich in einer benachbarten Ortsposition (x₂, y₂) eine hiervon leicht abweichende Probendicke, so wird die entsprechende geringfügige Abweichung im optischen Wegunterschied aufgrund der großen Steigung an der Flanke in einen deutlich vom Amplitudenwert an der Ortsposition (x₁, y₁) abweichenden Amplitudenwert umgesetzt. Auf diese Art und Weise können kleine Unterschiede im optischen Weg mit großem Signal-zu-Rausch-Verhältnis gemessen werden.Now, if the fixed phase relationship (or the constant relative phase between terahertz pulse and optical probe pulse) set as described above, causes a phase shift on another way through the sample, a change in amplitude, wherein a small phase change is mapped to a large amplitude change and is measured: If, for example, at a first spatial position (x ₁ , y ₁ ) the temporal scanning position (due to a mean sample thickness) exactly at the steepest point of the edge of the pulse (at the inflection point between the main maximum and the following minimum) to lie, resulting in an adjacent spatial position (x ₂ , y ₂ ) a slightly different sample thickness, the corresponding slight deviation in the optical path difference due to the large slope on the flank is converted into a significantly different from the amplitude value at the spatial position (x ₁ , y ₁ ) amplitude value , In this way small differences in the optical path can be measured with a high signal-to-noise ratio.

3 zeigt hierzu eine typische Pulsauswertung bei der Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens: Die Figur zeigt verschiedene Pulse nach dem Durchgang auf verschiedenen optischen Wegen durch die Probe (verschiedene Ortspositionen (x, y) der Probe), wobei der optische Wegunterschied wie vorbeschrieben kleiner als die Pulsbreite (Halbwertsbreite) der Terahertz-Pulse ist. Es wird nicht mehr der komplette Puls aufgenommen, sondern es wird erfindungsgemäß pro Ortsposition (x, y) ein Messpunkt zu einer festen Zeitverzögerung des optischen Probepulses (vertikale Linie) aufgenommen. 5 zeigt hierzu noch einmal den Stand der Technik: Der optische Wegunterschied ist in 5 größer als die Pulsbreite (Halbwertsbreite des Terahertz-Pulses). Es wird der komplette Puls aufgenommen (einige hundert Messwerte) und im Zeitbereich werden die Amplitude und die Phase ausgewertet. 3 The figure shows different pulses after passing through different paths through the sample (different spatial positions (x, y) of the sample), the optical path difference being smaller than the pulse width (as described above). Half width) of the terahertz pulses. It is no longer the complete pulse recorded, but it is according to the invention per spatial position (x, y) recorded a measuring point to a fixed time delay of the optical probe pulse (vertical line). 5 again shows the state of the art: The optical path difference is in 5 greater than the pulse width (half-width of the terahertz pulse). The complete pulse is recorded (several hundred measured values) and in the time domain the amplitude and the phase are evaluated.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren (3) wird im Gegensatz dazu die relative Phasenlage und somit die zeitliche Abtastposition (Messpunkt) auf einen festen Wert eingestellt (vertikale Linie in 3), so dass an der dicksten Stelle der Probe (bzw. derjenigen Stelle, welche die maximale Phasenverschiebung verursacht) der Messpunkt sich am Minimum befindet (volle Linie bzw. P3-Beispielpuls in 3). An der dünnsten Stelle der Probe P befindet sich der Messpunkt am Maximum (gestrichelte Linie, Beispielpuls P2 in 3). Die durch Stellen der Probe, welche in ihrer Dicke dazwischenliegen, verursachte relative Pulsphasenverzögerung bewirkt eine Amplitudenänderung am Messpunkt (wie es beispielsweise an einer der mittleren Probendicke entsprechenden gepunkteten Linie, Beispielpuls P1, oder an der gepunktetgestrichelten Linie einer etwas dickeren Probenstelle gezeigt ist). So wird erfindungsgemäß eine kleine Phasenänderung auf eine große Amplitudenänderung abgebildet und gemessen. Das Hauptmaximum ist hierbei als der maximale Amplitudenausschlag des Terahertz-Pulses definiert. Die relative Phasenlage zwischen Terahertz-Puls und optischem Probepuls wird somit so gewählt, dass für mittlere Phasenverschiebungen der Messzeitpunkt auf einer steilen Flanke (Wendepunkt) des Pulses liegt, damit eine kleine Verschiebung des Terahertz-Pulses, aufgrund eines kleinen Unterschieds im optischen Weg durch die Probe eine große Amplitudenänderung auf dem zeitfesten Messpunkt bewirkt. Eine solche Einstellung ist während der gesamten Messung beizubehalten. Dies führt zu zwei Randbedingungen:

1) Die Pulsverschiebung aufgrund der Probe sollte in jedem Probenmesspunkt kleiner sein als die Pulsbreite (Halbwertsbreite).
2) Das Zeitfenster, in dem (aufgrund der lokal variierenden Probeeigenschaften) die relative Phasenlage bzw. der Messzeitpunkt variiert, sollte mit dem Puls (bzw. der Pulsbreite) übereinstimmen bzw. eine Untermenge davon sein (ansonsten wird kein Signal und somit keine Aussage gewonnen).

In the method according to the invention ( 3 ), in contrast, the relative phase position and thus the temporal scanning position (measuring point) is set to a fixed value (vertical line in 3 ), so that at the thickest point of the sample (or the point which causes the maximum phase shift) the measuring point is at the minimum (full line or P3 example pulse in 3 ). At the thinnest point of the sample P, the measuring point is at the maximum (dashed line, example pulse P2 in FIG 3 ). The relative pulse phase delay caused by placement of the sample, which is intermediate in thickness, causes an amplitude change at the measurement point (as shown, for example, at a dotted line corresponding to average sample thickness, example pulse P1, or at the dotted line of a slightly thicker sample site). Thus, according to the invention, a small phase change is mapped to a large amplitude change and measured. The main maximum is defined here as the maximum amplitude excursion of the terahertz pulse. The relative phase position between terahertz pulse and optical probe pulse is thus chosen so that for average phase shifts the measurement time is on a steep flank (inflection point) of the pulse, thus a small shift of the terahertz pulse, due to a small difference in the optical path through the Probe causes a large amplitude change on the time fixed measuring point. Such a setting should be maintained throughout the measurement. This leads to two boundary conditions:

1) The pulse shift due to the sample should be smaller than the pulse width (half width) at each sample point.
2) The time window in which (due to the locally varying sample properties) the relative phase position or the measuring time varies should coincide with the pulse (or the pulse width) or be a subset thereof (otherwise no signal and thus no statement is obtained ).

4 zeigt ein Beispiel, bei dem ein Polystyrol-Körper mit dem erfindungsgemäßen Terahertz-Bildgebungsverfahren in der Ortspositionsebene (x, y) vermessen wurde. 4 shows an example in which a polystyrene body was measured with the terahertz imaging method according to the invention in the spatial position plane (x, y).

2 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Messvorrichtung. Identische bzw. sich entsprechende Elemente dieser Vorrichtung sind mit denselben Bezugszeichen wie in der 1 beschrieben und werden hier nicht mehr näher erläutert. Im Gegensatz zum in 1 gezeigten Fall handelt es sich hierbei um die aus dem Stand der Technik bekannte sog. Methode der photoleitenden Schalter (auch Terahertz-Antenne genannt). Hierbei wird eine Elektrodenstruktur (zwei parallele Linien) auf einen speziellen Halbleiter (Element 8) aufgebracht. Wenn nun ein Terahertz-Puls von hinten (Strahlgang OA) auf den Halbleiter 8 fokussiert wird, liegt eine Spannung zwischen den Elektroden an. Aufgrund des Halbleitermaterials kann kein Strom fließen. Wird nun gleichzeitig ein Femtosekunden-Puls als optischer Probepuls von der anderen Seite (Strahlengang OP) zwischen die Elektroden fokussiert, werden Ladungsträger in das Leitungsband angeregt. Wenn nun gleichzeitig ein Terahertz-Puls eine Spannung an den Elektroden induziert, so fließt ein kleiner Strom (proportional zur elektrischen Feldstärke). Dies wird hier zur Messung ausgenutzt. 2 shows a further measuring device according to the invention. Identical or corresponding elements of this device are denoted by the same reference numerals as in FIG 1 described and will not be explained here. Unlike in 1 In the case shown here, this is known from the prior art so-called. Method of photoconductive switch (also called terahertz antenna). Here, an electrode structure (two parallel lines) on a special semiconductor (element 8th ) applied. If now a terahertz pulse from behind (beam OA) on the semiconductor 8th is focused, a voltage is applied between the electrodes. Due to the semiconductor material no current can flow. If, at the same time, a femtosecond pulse is focused as an optical probe pulse from the other side (beam path OP) between the electrodes, charge carriers are excited into the conduction band. If a terahertz pulse simultaneously induces a voltage at the electrodes, then a small current flows (proportional to the electric field strength). This is used here for the measurement.

Claims

Terahertz (THz) imaging method, wherein a sample is scanned at a plurality of spatial positions (x, y) by generating for each of the spatial positions • at least one optical pulse and divided into an optical excitation pulse and an associated optical probe pulse, • by means of the optical excitation pulse generates a THz pulse and is radiated through the sample at this spatial position, and • the THz pulse radiated through the sample is measured by means of the associated optical probe pulse, wherein at least two of the spatial positions of the THz pulse with the associated optical probe pulse is measured to a caused by the different optical path through the sample at these at least two spatial positions constant relative phase between THz pulse and optical probe pulse, wherein the sample and / or at least two of the at least two spatial positions are chosen so that for by the thickness change, refractive ind dexänderung and / or density change of the sample between two or between these two spatial positions caused optical path difference .DELTA.L applies

ΔL <τ _Thz · c

with c as the speed of light and with τ _Thz as the pulse width or the half width of the THz pulse and / or wherein the sample and / or at least two of the at least two location positions are chosen so that for the width .DELTA.t _{F of} the time window of the pulse shift by the Sample or through these two location positions

ΔL / c = Δt _F <τ _THz

and wherein no delay path for generating a time offset between the sample pulse and the THz pulse is used both in the beam path of the optical probe pulse and in the beam path of the optical excitation pulse and the THz pulse.

Imaging method according to the preceding claim, characterized in that the constant relative phase position is set by determining the relative pulse phase delay caused by the transmission of a THz pulse at a predefined spatial position through the sample at this THz pulse and being selected as a fixed time offset or by deriving a predetermined value based on properties of the sample and adjusting the constant relative phase angle to that value.

Imaging method according to the preceding claim, characterized in that the properties of the sample are the refractive index distribution, the density distribution and / or the thickness distribution within the sample.

Imaging method according to one of the preceding claims, characterized in that At least two of the at least two location positions in each case exactly one measured value per THz pulse is recorded or in each case n measured values per THz pulse are recorded at at least two of the at least two local positions, where n ≦ 20.

Imaging method according to the preceding claim, characterized in that n ≤ 10.

Imaging method according to the preceding claim, characterized in that n ≤ 5.

Imaging method according to the preceding claim, characterized in that n ≤ 3.

Imaging method according to one of the preceding claims when referring back to claim 2, characterized in that the constant time offset is set so That it corresponds to the phase shift of the main maximum of a THz pulse radiated by the sample in the region of the position causing the lowest phase shift, That it corresponds to the phase shift of the minimum after the principal maximum of a THz pulse radiated by the sample in the region of the position causing the highest phase shift, or It corresponds to the phase shift of the inflection point between the main maximum and the minimum of a THz pulse radiated by the sample in the region of the spatial position causing the highest and lowest phase shift arithmetic mean.

Imaging method according to one of the preceding claims, when referring back to claim 2, characterized in that at at least two of the at least two position positions the amplitude value of the THz pulse is set at the phase difference caused by the different optical path through the sample at these two position positions, constant time offset is determined.

An imaging method according to the preceding claim, characterized in that a change in thickness, a refractive index change and / or a density change of the sample between the two different spatial positions is determined from two different amplitude values determined at different spatial positions.

Imaging method according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the sample pulses has a center wavelength in the range of 0.05 .mu.m to 100 .mu.m.

Imaging method according to the preceding claim, characterized in that the central wavelength is in the range of 0.35 μm to 10 μm.

Imaging method according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the THz pulses has frequencies in the range between 0.002 to 1000 THz.

An imaging method according to the preceding claim, characterized in that at least one of the THz pulses has frequencies in the range between 0.005 to 100 THz.

Imaging method according to the preceding claim, characterized in that at least one of the THz pulses has frequencies in the range between 0.01 to 2.5 THz.

An imaging method according to any one of the preceding claims, characterized in that at least one of the THz pulses is an ultra-short THz pulse having a pulse width (half width) in the range of 0.01 ps to 100 ps.

Imaging method according to the preceding claim, characterized in that the pulse width is in the range of 0.1 ps to 10 ps.

Imaging method according to one of the preceding claims, characterized in that at all spatial positions of the THz pulse with the associated optical probe pulse under constant relative phase position between THz pulse and optical probe pulse is measured.

Imaging method according to one of the preceding claims, characterized in that the plurality of positional positions are scanned by moving the sample in the spatial position plane (x, y).

Imaging method according to one of the preceding claims, marked by a line-by-line scanning of the sample by varying the x-coordinate of the spatial position while keeping the y-coordinate constant or by a planar scanning of the sample by varying the x-coordinate and the y-coordinate of the spatial position.

Use of a terahertz (THz) imaging method according to any one of the preceding claims for material characterization of a sample.

Use according to the preceding claim for characterizing the location dependence of the refractive index profile, the density profile, the thickness profile and / or the water content in the sample.

Use according to claim 21 or claim 22 in the field of security technology, in the person or luggage control or in the field of quality management.