DE102007052787B4

DE102007052787B4 - Piezooptischer Photonendetektor

Info

Publication number: DE102007052787B4
Application number: DE102007052787.1A
Authority: DE
Inventors: Thomas Wegner
Original assignee: Miopas GmbH
Current assignee: Miopas De GmbH
Priority date: 2007-11-02
Filing date: 2007-11-02
Publication date: 2018-01-11
Anticipated expiration: 2027-11-03
Also published as: DE102007052787A1

Abstract

Piezooptischer Photonendetektor zum Nachweis elektromagnetischer Strahlung im Bereich der THz-Strahlung, gekennzeichnet durch: – wenigstens ein Bauteil aus Piezomaterial, wobei an wenigstens einem verlagerbaren Abschnitt durch optische Lichtleiter die Strahlung zur Messung angelegt ist, – eine den sich bei Verbiegung des Piezobauteils durch den Druck der Photonen ergebenden Piezostrom zum quantitativen Nachweis der Verbiegung auffangende Einheit.

Description

Die Erfindung betrifft einen piezooptischen Photonendetektor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Hauptanspruchs.
Das Spektrum elektromagnetischer Strahlung erstreckt sich von extrem kurzwelliger Strahlung (z. B. Röntgenstrahlung) bis hin zu Millimeter- und Radiostrahlung. Am langwelligen Rand des optischen Spektrums liegt der Terahertz (THz) Bereich mit typischen Wellenlängen um 300 μm.
THz-Strahlung hat ein großes Potential in der industriellen Prozesskontrolle und der Sicherheitstechnik, da sie sich durch ein besonderes Transmissionsverhalten auszeichnet. Viele Materialien (z. B. Kunststoffe, Kartonagen und Textilien), die für Strahlung aus anderen Spektralbereichen absorbierend sind, werden von THz-Strahlung durchdrungen. Dies eröffnet den entscheidenden Vorteil, dass Objekte oder Produktionsgüter praktisch „durchleuchtet” werden können, ohne sie aus ihrer Verpackung oder dem Produktionsprozess entfernen zu müssen.
Aufgrund der großen Wellenlänge ist die Photonenenergie jedoch sehr gering, so dass beispielsweise im Vergleich zu kurzwelliger Röntgenstrahlung, die extrem energiereich ist, praktisch keine Schädigung/Gefahr für Organismen ausgeht.
THz-Spektroskopie, d. h. die Aufnahme von Absorptions-, Transmissions- oder Reflexionsspektren im THz-Bereich eröffnet daher völlig neue Anwendungsgebiete. Allerdings steht der weitreichenden und anwendungsorientierten Verwendung von THz-Strahlung nach Stand der Technik die mangelnde Verfügbarkeit von kleinen, preisgünstigen und einfach zu bedienenden THz-Quellen und THz-Detektoren entgegen.
Bei den THz-Quellen wurden in den letzten Jahren einige Fortschritte verzeichnet: sowohl über Quantenkaskadenlaser als auch über nichtlineare Effekte und Photomischung kann inzwischen THz-Strahlung effektiv erzeugt werden. Allerdings spiegelt sich diese Entwicklung nicht auf Seiten der Detektoren wieder.
Der entscheidende Nachteil derzeit verfügbarer THz Detektoren ist, dass zum Erreichen der benötigten Empfindlichkeiten ein Betreiben bei tiefen Temperaturen (flüssiges Helium oder flüssiger Stickstoff) erforderlich ist. Diese Randbedingung schränkt die technische Anwendbarkeit der THz Spektroskopie bei Prozess- und Sicherheitstechnik gravierend ein. Hinzu kommen die hohen Kosten der Detektoren.
Aus der WO 2006/123 162 A1 ist ein Detektor für magnetische Strahlung im Bereich zwischen 80 GHz bis 4 THz bekannt, der einen Laser, einen optischen Modulator und ein Filter aufweist. Das Licht des Lasers wird einem Elektroabsorptions-Modulator zugeführt, der mit einer Antenne für die THz-Strahlung verbunden ist. Die THz-Strahlung moduliert die Frequenz des Lasers mit der Frequenz der THz-Strahlung, sodass sich hochfrequente Seitenbänder bilden. Das entstehende Licht wird in einem Spektral-Analysator analysiert.
Die WO 2005/017 494 A2 beschreibt einen frequenzselektiven THz-Detektor, der eine Schichtstruktur aus Halbleitern aufweist, deren Schichtdicke so gewählt ist, dass sich stehende Wellen ergeben, wenn eine THz-Welle einer vorgegebenen Wellenlänge einfällt. In diesem Fall kann eine Gleichspannung über den Spatenstapel abgegriffen werden.
Mit der hier vorliegenden Erfindung wird aufgabengemäß ein THz-Detektor bereitgestellt, der diese Problematik löst und wesentlich zum verbreiteten Einsatz dieser vielversprechenden Technologie z. B. in Prozesskontrolle und Sicherheitstechnik beitragen wird. Der neuartige Detektor ist darüber hinaus nicht nur auf den Einsatz im THz-Bereich beschränkt, sondern für den gesamten elektro-magnetischen Spektralbereich (ultravioletter-, sichtbarer, infraroter-, mittlerer infrarot- bis hin zum THz-Bereich) einsetzbar.
Das physikalische Prinzip dieses neuen Photonendetektors beruht auf der Anregung eines Oszillators zu Schwingungen, wobei diese Schwingungen geeignet gemessen werden, speziell kann dies über den piezoelektrischen Effekt erfolgen. Die treibende Kraft wird über den Impuls von auf den Resonator treffenden Photonen übertragen. Der durch ein einzelnes Photon übertragene Impuls ist: dp = η·h/λ = η·E/c. (1)
Der Faktor η unterscheidet sich für Absorption (η = 1) und Reflexion (η = 2) der auftreffenden Photonen. Die Kraft, die durch n Photonen auf die Oberfläche übertragen wird, ist gegeben durch: F = n·dp/dt = η·n/c·dE/dt = η/c·P. (2)
Da die Amplitude eines getriebenen harmonischen Oszillators proportional zur Amplitude der treibenden Kraft ist und die Auslenkung des piezoelektrischen Materials proportional zum Piezostrom ist, ergibt sich eine direkte Proportionalität zwischen dem gemessenen Piezostrom und der Amplitude der modulierten elektromagnetischen Strahlung.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Detektor mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben die vorteilhaften Ausführungsformen wieder.
In der Nachfolgenden Beschreibung werden bevorzugte Ausführungsformen dargestellt. Dabei zeigt:
1: eine mögliche Ausführungsform eines piezoelektrischen Photonendetektors,
2: den linearen Zusammenhang zwischen gemessener Piezospannung und Intensität auftreffender Photonen auf den piezoelektrischen Photonendetektor, exemplarisch gezeigt für das Aufbringen von 2.8 THz Photonen auf eine mögliche Ausführungsform gemäß 1.
3: die Zuführung der elektromagnetischen Strahlung über geeignete, beispielsweise dargestellte Wellenleiter, und
4: eine Darstellung wie 3 mit zur Steigerung der Empfindlichkeit vorgesehner beidseitiger Anregung.
Der in 2 dargestellte lineare Zusammenhang zwischen gemessener Piezospannung und Intensität auftreffender Photonen auf den piezoelektrischen Photonendetektor, ist exemplarisch gezeigt für das Aufbringen von 2.8 THz Photonen auf eine mögliche Ausführungsform gemäß 1. Die nachzuweisende elektromagnetische Strahlung wird dabei mit der Resonanzfrequenz des Piezodetektors z. B. intensitätsmoduliert auf eine Zinke der Stimmgabel fokussiert Als Referenz dient ein kommerzielles mit flüssigem Helium gekühltes Bolometer.
Dieser Sachverhalt ist in der 2 exemplarisch für die Bestimmung von THz-Strahlung bei 2.8 THz mit dem neuartigen Piezo-Photonendetektor gezeigt. Bei resonanter Anregung des Oszillators ergibt sich eine Signalüberhöhung; dies kann zur Steigerung der Empfindlichkeit genutzt werden. Zur resonanten Anregung wird der Photonenfluss mit der Resonanzfrequenz oder einem ganzzahligen Bruchteil der Resonanzfrequenz des Oszillators moduliert.
Als eine mögliche technische Ausführungsform kann der Photonendetektor in Form einer Mikrostimmgabel vorliegen, wobei die modulierte Strahlung auf eine der Zinken der Stimmgabel fokussiert wird, wie in 1 gezeigt.
Das Material der Mikrostimmgabel kann Quarz sein, es sind aber auch andere Piezomaterialien denkbar, beispielsweise Langasit oder GaPO₄. Als eine spezielle und besonders einfache Ausführungsform eignet sich eine kommerzielle Quarz-Mikrostimmgabel (Uhrenquarz mit f = 32768 Hz).
Zum Aufbau eines stabilen, einfach zu handhabenden Detektors kann die Anregung zweckmäßigerweise über optische Wellenleiter erfolgen, wie in 3 dargestellt. Speziell kann es sich hierbei um Lichtleitfasern, Hohlleiter oder photonische Fasern handeln, wesentliches Kriterium für die Auswahl ist eine ausreichende Transmission des verwendeten Materials zur Übertragung der jeweiligen Lichtwellenlänge. Die Fokussierung auf den Photonendetektor (z. B. Quarz-Stimmgabel) wird über eine geeignete Optik gewährleistet, beispielsweise eine GRIN Linse.
Zur Steigerung der Empfindlichkeit des Photonendetektors kann die Anregung simultan über beide Zinken der Stimmgabel erfolgen, eine mögliche Ausführungsform ist in 4 dargestellt.
Die Intensitätsmodulation der auftreffenden Strahlung/Photonen mit der Resonanzfrequenz des Oszillators ist von grundsätzlicher Bedeutung für die Anwendbarkeit des beschriebenen Photonen-Detektionsprinzips. Sie kann beispielsweise bei gepulsten Photonenquellen (Laser oder LEDs) direkt über die Vorgabe eines geeigneten Rechtecksignals am Triggereingang des Lichtquellentreibers realisiert werden. Bei manchen Lasertypen ist eine vollständige Intensitätsmodulation mit einem Rechtecksignal u. U. nicht möglich. Hier kann auf eine sinusförmige Modulation (z. B. Diodenstrom bei Laserdioden) zurückgegriffen werden. Dies ermöglicht zudem die Detektion bei höheren Harmonischen (z. B. 2-f Spektroskopie).
Bei vielen Lasersystemen ist eine externe Triggerung nicht möglich. Je nach der Resonanzfrequenz (für die Quarzstimmgabeln beispielsweise 32 kHz) kann die Modulation nicht durch einen üblichen mechanischen Unterbrecher oder andere übliche Modulationsmethoden (z. B. AOM, Pockelszelle) geleistet werden. In diesen Fällen wird beispielsweise ein Piezoelement (z. B. ein Piezostapel), das mit angepasster Resonanzfrequenz des piezooptischen Photonendetektors in den Strahlengang hinein und heraus gefahren wird, und somit den zu detektierenden Lichtstrahl periodisch unterbricht, als Modulator verwendet. Auf diese Weise lassen sich auch hochrepetierende Kurzpulslaser (z. B. Femtosekunden-Laserstrahlquellen) mit einigen zehn Kilohertz präzise auf die benötigte Resonanzfrequenz einstellen. Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung ist die 100%ige Intensitätsmodulation des Lichtstrahls.
Ganz allgemein können alle Scher- oder Volumenschwinger sowie allgemein piezoakustische Resonatoren gewählt werden. Sie sind ebenfalls geeignete Ausführungsformen. Das heißt, auch Quarz eignet sich, eine mögliche Ausführungsform ist also eine Quarz-Mikrostimmgabel.
Dabei kann weiter die Mikrostimmgabel in einem Gehäuse untergebracht werden, welches evakuiert oder mit einem Gas gefüllt sein kann.
Alternativ kann der Piezo-Photonendetektor auch direkt unter Atmosphärenbedingungen betrieben werden. Das Detektormaterial kann Quarz sein, alternativ eignet sich jedes Piezomaterial, z. B. Langasit oder GaPO₄.
Die Zuführung der nachzuweisenden elektromagnetischen Strahlung kann über eine freie optische Wegstrecke oder alternativ über geeignete Wellenleiter (Lichtleiter) erfolgen und eine Fokussierung der elektromagnetischen Strahlung erfolgt über eine geeignete Optik. Bei Verwendung einer Stimmgabel gemäß 2 kann die Fokussierung der nachzuweisenden elektromagnetischen Strahlung auf beide Zinken der Stimmgabel erfolgen.
Vorteilhaft ist, dass der nachzuweisende Photonenfluss mit der Resonanzfrequenz der Detektoranordnung moduliert ist, dann kann die Modulation des Photonenflusses durch Einbringen eines geeignet geformten Piezoelements in den Strahlengang erfolgen, der mit der Resonanzfrequenz des Piezo-Photonendetektors angesteuert ist.
Der erfindungsgemäße piezooptischer Photonendetektor zum Nachweis elektromagnetischer Strahlung im Bereich der THz-Strahlung besitzt also wenigstens ein Bauteil aus Piezomaterial, wobei an wenigstens einen mit Scher- oder Volumenbewegung schwingenden Abschnitt durch optische Lichtleiter die Strahlung zur Messung angelegt ist, und eine den sich bei Verbiegung des Piezobauteil durch den Druck der Photonen ergebenden Piezostrom zum quantitativen Nachweis der Verbiegung auffangende Einheit. Vor dem Detektor kann eine Blende angeordnet sein, um diskret den schwingenden Abschnitt, ggf. auch im zeitlichen Takt mit dem zu messenden Photonenstrom zu versorgen.
Das schwingende Bauteil kann insgesamt aus einem U-förmigen Block aus Piezomaterial gebildet sei und/oder als ein Piezo-Mikrosensorelement in Form eins Halbleiterchip Detektor und einen Resonator vereinen.
Das Bauteil kann als Block einstückig aus Piezomaterial bestehen und ein Piezo-Mikrosensorelement als Detektor und einen Stimmgabelabschnitt vereinen.
Mit dem Begriff „Stimmgabel” ist dabei ein Piezo-Mikrosensorelement gemeint, das eine vertikale Ausnehmung aufweist, zur Belassung zweier vertikaler Flanken nach Art einer Stimmgabel.
Von dem Photonendetektor kann auch eine Detektorzeile mit einer Anzahl nebeneinandergeordneter Piezobauteile gebaut werden, oder ein Detektorarray mit einer Anzahl nebeneinandergeordneter Piezobauteilzeilen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Nachweis elektromagnetischer Strahlung im Bereich der THz-Strahlung, besteht dabei wenigstens aus dem Beaufschlagen eines Piezoschwingers mit elektromagnetischer THz-Strahlung, und dem Erfassen der elektrischen Signale des Resonators und/oder Erfassen der erzwungenen Schwingung des piezoelektrischen Materialien am Resonator durch Messung des entstehenden Piezostroms.
Es kann aber weiter auch periodisches durch eine Blende im Strahlengang ein zeitlich willkürlich gewähltes, oder bildgebendes Beaufschlagen eines Resonators mit wenigstens einer Komponente aus Piezomaterial mit elektromagnetische THz-Strahlung erfolgen mit nachfolgender Erfassung der Signale des Piezobauteils anhand der Amplitude der erzwungenen Schwingung des piezoelektrischen Materialien am Resonator durch Messung des entstehenden Piezostroms.

Claims

Piezooptischer Photonendetektor zum Nachweis elektromagnetischer Strahlung im Bereich der THz-Strahlung, gekennzeichnet durch: – wenigstens ein Bauteil aus Piezomaterial, wobei an wenigstens einem verlagerbaren Abschnitt durch optische Lichtleiter die Strahlung zur Messung angelegt ist, – eine den sich bei Verbiegung des Piezobauteils durch den Druck der Photonen ergebenden Piezostrom zum quantitativen Nachweis der Verbiegung auffangende Einheit.
Photonendetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil aus einem U-förmigen Block aus Piezomaterial gebildet ist und ein Piezo-Mikrosensorelement in Form eines Halbleiterchips als Detektor und einen Stimmgabelabschnitt vereint.
Photonendetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Block einstückig aus Piezomaterial besteht und ein Piezo-Mikrosensorelement als Detektor und einen Stimmgabelabschnitt vereint.
Photonendetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezo-Mikrosensorelement eine vertikale Ausnehmung aufweist, zur Belassung zweier vertikaler Flanken nach Art einer Stimmgabel.
Photonendetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezo-Mikrosensorelement aus temperaturbeständigem GaPO₄ besteht.
Photonendetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezo-Mikrosensorelement aus Langasit besteht.
Photonendetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Detektorzeile mit einer Anzahl nebeneinandergeordneter Piezobauteile.
Photonendetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Detektorarray mit einer Anzahl nebeneinandergeordneter Piezobauteilzeilen.
Verfahren zum Nachweis elektromagnetischer Strahlung im Bereich der THz-Strahlung, gekennzeichnet durch – Beaufschlagen eines Piezoschwingers mit elektromagnetischer THz-Strahlung, – Erfassen der elektrischen Signale des Resonators und/oder Erfassen der erzwungenen Schwingung des piezoelektrischen Materialien am Resonator durch Messung des entstehenden Piezostroms.
Verfahren zum Nachweis elektromagnetischer Strahlung im Bereich der THz-Strahlung, gekennzeichnet durch – periodisches durch eine Blende im Strahlengang erzeugtes Beaufschlagen eines Resonators mit wenigstens einer Komponente aus Piezomaterial mit elektromagnetischer THz-Strahlung, und – Erfassen der Signale des Piezobauteils anhand der Amplitude der erzwungenen Schwingung des piezoelektrischen Materials am Resonator durch Messung des entstehenden Piezostroms.