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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen oder
Empfangen von elektromagnetischer Strahlung im Terahertzbereich,
d. h. in einem Frequenzbereich von 10 GHz bis 100 THz.
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Im
elektromagnetischen Spektrum befindet sich die Terahertz-Strahlung
zwischen den Mikrowellen und der infraroten beziehungsweise sichtbaren optischen
Strahlung. Obwohl bereits in dem Artikel
"Far-Infrared
Time-domain Spectroscopy with Terahertz beams of dielectrics and
semi conductors" von D. Grischkowsky in J. opt. Soc. Am.
B/Vol. 7, Nr. 10/Oktober 1990, die Anwendung von Terahertz-Strahlung
für die Zeitbereichs-Spektroskopie (time-domain spectroscopy,
TDS) beschrieben wurde, kamen Terahertzwellen kaum zum Einsatz,
da das Erzeugen der Terahertz-Strahlung technologisch bis vor kurzem
sehr aufwändig war. Zum Durchbruch verhalf der Terahertz-Technologie
erst die Erkenntnis, dass Terahertz-Strahlung erzeugt werden konnte,
indem ultrakurze Laserpulse (d. h. Laserpulse mit einer Dauer von
weniger als zehn Pikosekunden) auf ein geeignetes nichtlineares
Material oder in ein fotoleitendes Halbleiter-Element eingestrahlt
werden, d. h. zwischen die beiden auf einem Halbleitermaterial vorgesehenen
Elektroden einer Dipolantenne. Letzteres ist beispielsweise in der
US 5,729,017 A beschrieben.
Grundlagen zum Erzeugen und Anwenden von Terahertz-Strahlung sind
beschrieben in dem Lehrbuch
"Terahertz Sensing
Technology, Volume 1: Electronic Devices and Advanced Systems Technology",
D.L. Woolard et al, World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd. 2003.
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Die
beiden wichtigsten Anwendungsgebiete für Terahertz-Strahlung
sind mittlerweile bildgebende Verfahren – wie in der
US 5,710,430 A beschrieben – und
Spektroskopie-Verfahren, die beispielsweise in der
US 5,789,750 beschrieben sind. Der
Vorteil der Terahertz-Strahlung im Vergleich zu anderer elektromagnetischer
Strahlung, beispielsweise Röntgenstrahlung, besteht darin,
dass die Absorptionsspektren vieler Stoffe im Terahertz-Bereich
stark moduliert sind und somit einen charakteristischen Verlauf
haben. Zudem dringen Terahertzwellen durch die meisten nichtmetallischen
Objekte wie Papier, Karton, Plastik sowie einige Halbleiter-Materialien
nahezu ungehindert hindurch. Aus diesen Gründen eignet sich
Terahertz-Strahlung besonders gut für zerströungsfreie
Prüfverfahren oder die Detektion von bestimmten Gasen oder
Feuchtigkeit.
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Je
breiter das Feld von potentiellen Anwendungen wird, desto interessanter
wird es, die Terahertz-Strahlung möglichst wartungsarm,
günstig und in möglichst kleinen Baueinheiten
erzeugen zu können. Eine unter diesen Gesichtspunkten gestaltete, gattungsgemäße
Vorrichtung zum Erzeugen oder Empfangen von elektromagnetischer
Strahlung im Terahertzbereich wird in der
EP 1 230 578 B1 beschrieben.
Dabei ist ein Kopplungsende einer Lichtleitfaser in ein Gehäuse
hineingeführt. Eine vergleichsweise voluminöse
Relais-Optik fokussiert die aus der Lichtleitfaser austretenden,
ultrakurzen Lichtpulse auf eine Terahertz-Konverter. Bei diesem
Terahertz-Konverter kann es sich – wie auch bei der vorliegenden
Erfindung – bspw. um ein fotoleitendes Element gemäß
US 5,729,017 ,
US 5,420,595 ,
US 5,663,669 , Appl. Phys. Lett. 45,
S. 284, 1984, bzw. Appl. Phys. Lett. 55, S. 337, 1989, oder um eine
elektrooptische oder magnetooptische Vorrichtung gemäß
US 5,952,818 oder
US 6,111,416 handeln.
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Handelt
es sich beispielsweise um ein fotoleitendes Element, liegt in oder
auf einem Halbleitermaterial eine elektrisch leitfähige
Dipolantenne vor, deren beide Pole nur wenige Mikrometer voneinander
beabstandet sind. Durch die Relais-Optik werden die ultrakurzen
Laserpulse zwischen die beiden Elektroden fokussiert, um dort schlagartig
freie Elektronen freizusetzen. Liegt an den beiden Elektroden der Dipolantenne
eine Spannung an, führt dies gemäß den
Maxwell-Gleichungen zu einem schlagartigen Stromfluss und dadurch
zum Aussenden von Terahertz-Strahlen. Die Dipolantenne dient in
diesem Fall als Emitter. Liegt keine Spannung an, können
die an der Dipolantenne erzeugten, freien Elektronen zum Detektieren
von eintreffender Terahertz-Strahlung verwendet werden – die
Antenne dient in diesem Fall als Empfänger für
die Terahertz-Strahlung. Die
EP
1 230 578 61 regt an, durch die gemeinsame Unterbringung
der Terahertz-Konverter mit der Relais-Optik und dem Koppelende
der Lichtleitfaser in einem Gehäuse ein vergleichsweise
kompaktes Modul zur Verfügung zu stellen.
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Auch
wenn die
EP 1 230 578
B1 erste Schritte unternimmt hin zu einer auch industriell
einsetzbaren Terahertz-Quelle, bleibt in dieser Hinsicht dennoch
ein Verbesserungspotential. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist
es daher, mit konstruktiv möglichst einfachen Mitteln eine
Vorrichtung zum Erzeugen oder Empfangen von Terahertz-Strahlung zur Verfügung
zu stellen, die hinsichtlich eines kompakten Aufbaus und eines wartungsarmen,
zuverlässigen Betriebs sowie hinsichtlich ihrer optischen
Effizienz weiter optimiert ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein
Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 27. Vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die
vorliegende Erfindung besteht folglich in einer Vorrichtung zum
Erzeugen oder Empfangen von elektromagnetischer Strahlung in einem
Frequenzbereich von 10 GHz bis 100 THz. Diese Vorrichtung kann beispielsweise
in bildgebenden oder Spektroskopie-Verfahren je nach Konfiguration
des von ihr umfassten Terahertz-Konverters als Quelle oder als Empfänger
für Terahertz-Strahlung dienen. Der Terahertz-Konverter
befindet sich in einem Gehäuse, in das mittels einer Lichtleitfaser
gepulstes Licht mit einer ersten Wellenlänge λ1
geführt wird. Bei dieser Wellenlänge λ1
kann es sich um die Zentralwellenlänge der eingestrahlten,
ultrakurzen Laserpulse handeln.
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Erfindungsgemäß ist
vorgesehen, im Gehäuse zwischen dem Ende der Lichtleitfaser
und dem Terahertz-Konverter einen Frequenzwandler anzuordnen, der
die Frequenz des eingestrahlten Laserlichts hin zu einer zweiten
Wellenlänge λ2 wandelt. Diese optischen Elemente
sind innerhalb des Gehäuses außerdem so angeordnet,
dass die Terahertz-Konverter von dem frequenzgewandelten Licht mit
der Wellenlänge λ2 beaufschlagt wird. Frequenz f
und Wellenlänge λ des Lichts sind selbstverständlich über
die Lichtgeschwindigkeit c gemäß f = c/λ umrechenbar.
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Für
den Fachmann scheint das Einfügen eines Frequenzwandlers
vor die Terahertz-Konverter dem Zweck der
EP 1 230 578 B1 zu widersprechen, die
Komplexität der Terahertz-Quelle beziehungsweise des Terahertz-Empfängers
möglichst gering zu halten. Überraschenderweise
hat sich jedoch gezeigt, dass der geringfügige Zuwachs
an Komplexität zu einer bedeutenden Steigerung der optischen
Effizienz der Terahertz-Quelle führt. Diese Effizienzsteigerung
beruht darauf, dass der Frequenzwandler die Verwendung unterschiedlicher
Wellenlängen in der Lichtleitfaser beziehungsweise an der
Terahertz-Konverter ermöglicht, da für jedes Element
nun jeweils die Wellenlänge mit der höchsten Effizienz verwendet
werden kann.
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Bei
dem Frequenzwandler kann es sich um einen Frequenz-Schieber handeln,
der die zentrale Wellenlänge (beispielsweise durch einen
Soliton-Raman-Shift) zu anderen Wellenlängen verschiebt,
oder um einen Frequenz-Vervielfacher. Erfindungsgemäß wird
wegen seiner hohen Effizienz bevorzugt ein Frequenzverdoppler eingesetzt.
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Bereits
bekannt ist, dass die Erzeugung von Terahertz-Strahlung an einem
fotoleitenden Element (d. h. einer fotoleitenden Antenne) bei einer
eingestrahlten, optischen Wellenlänge von etwa 800 nm in GaAs
besonders effizient ist und die Terahertz-Strahlung mit einem besonders
breiten Spektrum erzeugbar ist. Ein Frequenzverdoppler als erfindungsgemäßer
Frequenzwandler gestattet es nun, Licht mit einer ersten Wellenlänge λ1
von etwa 1500 bis 1700 nm in der Lichtleitfaser zu führen,
bevor dieses Licht im Frequenzverdoppler zu einer für die
Terahertz-Generierung besonders effizienten, zweiten Wellenlänge λ2
von etwa 750 bis 850 nm umgewandelt wird. Dies hat den Vorteil,
dass ultrakurze Laserpulse mit einer Wellenlänge im Bereich
von 1500 bis 1700 nm nicht nur sehr effizient erzeugt werden können,
beispielsweise bei einer Wellenlänge von etwa 1560 nm mit
einem Erbium-dotierten Faserlaser, sondern dieses Licht kann zudem
auch nahezu dispersionsfrei in Lichtleitfasern geführt
werden. Alternativ könnten beliebige andere Kombinationen
von Wellenlängen λ1 und λ2 verwendet
werden. Beispielsweise könnte als Lichtquelle ein Ytterbium-Laser
mit einer Zentralwellenlänge von 1050 nm verwendet werden,
dessen Licht in einem Frequenzverdoppler eine neue Zentralwellenlänge
von 525 nm erhält.
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Besonders
robust und kompakt wird die Vorrichtung, wenn der Frequenzwandler
beziehungsweise Frequenzverdoppler ein Kristall ist..
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Für
die Frequenzverdopplung eignen sich wegen ihrer hohen Konversions-Effizienz
insbesondere Barium-Beta-Borat-Kristalle (BBO-Kristalle) oder periodisch
gepolte Lithium-Niobat-Kristalle (PPLN-Kristalle). Im letzteren
Fall haben die Bereich unterschiedlicher Polung oder Ausrichtung
vorzugsweise Dicken von etwa 18 bis 20 μm.
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Der
gesamte Frequenzwandler hat vorzugsweise in einer Richtung parallel
zur Ausbreitungsrichtung des Lichts eine Dicke von lediglich 50 μm
bis 1 mm, vorzugsweise zwischen 100 und 300 μm. Bei diesen
Stärken hat der Frequenzwandler, insbesondere wenn es sich
um einen Kristall handelt, noch eine ausreichende Stabilität
und Effizienz. Gleichzeitig wird jedoch eine Strahlaufweitung im
Frequenzwandler weitgehend vermieden.
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Ebenfalls
zum Vermeiden einer zu großen Strahlaufweitung, gleichzeitig
jedoch auch im Hinblick auf eine möglichst kompakte Bauweise
ist es besonders günstig, wenn der Frequenzwandler in einem
Abstand von höchsten 2 cm von dem Terahertz-Konverter und/oder
in einem Abstand von höchstens 2 cm von dem Ende der Lichtleitfaser
entfernt angeordnet ist.
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Sofern
es für erforderlich erachtet wird, einer Strahlaufweitung
weiter entgegenzuwirken, könnte zwischen dem Ende der Lichtleitfaser
und dem Frequenzwandler und/oder zwischen dem Frequenzwandler und
dem Terahertz-Konverter eine fokussierende Optik angeordnet sein.
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Vorzugsweise
ist die Fokussieroptik eine Gradientenindexlinse oder sie weist
eine solche Gradientenindexlinse auf. Solche GRIN-Linsen fokussieren
das Licht nicht durch eine gekrümmte Oberfläche,
sondern durch einen sich in radialer Richtung ändernden
Brechungsindex. Aufgrund ihrer Geometrie lassen sie sich besonders
gut an Lichtleitfasern und/oder frequenzwandelnde Kristalle anschließen. Alternativ
könnten asphärische Linsen verwendet werden.
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In
einer besonders vorteilhaften Variante der Erfindung ist der Frequenzwandler
direkt an dem Terahertz-Konverter angrenzend angeordnet. Auf diese
Weise wird die Vorrichtung besonders kompakt, und ihre Komplexität
verringert sich, da zwischen dem Frequenzwandler und dem Terahertz-Konverter
kein weiteres optisches Element wie eine Fokussierlinse mehr angeordnet
ist. Bei entsprechender Vor-Fokussierung oder bei entsprechend dünn
gestaltetem Frequenzwandler ist die Strahlaufweitung durch den Frequenzwandler
so gering, dass die Lichtintensität und somit die Effizienz der
Terahertz-Erzeugung in dem Terahertz-Konverter weiterhin sehr hoch
sind.
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Ebenso
kann die erfindungsgemäße Vorrichtung kompakter
gestaltet und weniger komplex werden, indem der Frequenzwandler
direkt an das Ende der Lichtleitfaser angrenzend angeordnet ist.
In einem speziellen Anwendungsfall ist folglich der gesamte Bereich zwischen
dem Ende der Lichtleitfaser und dem Terahertz-Konverter vom Frequenzwandler eingenommen.
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Sind
die optischen Elemente, zu denen das Ende der Lichtleitfaser, der
Frequenzwandler, der Terahertz-Konverter und eventuelle Fokussieroptiken zählen,
voneinander beabstandet, könnten die Zwischenräume
durch für die jeweilige Wellenlänge λ1 oder λ2
transparente Zwischenstücke überbrückt werden,
um auf diese Weise die Abstände zwischen den optischen
Elementen unveränderlich festzulegen. Besonders vorteilhaft
ist dies, wenn durch die Positionierung der optischen Elemente die
Lage des Fokus festgelegt werden soll, beispielsweise innerhalb
des Frequenzwandlers, um dort eine möglichst effiziente
Frequenz-Konversion zu erzielen.
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Im
Idealfall könnten so sämtliche Zwischenräume
zwischen den optischen Elementen durch transparente Zwischenstücke überbrückt
sein.
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In
einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung
ist der Terahertz-Konverter relativ zum Gehäuse um die
optische Achse des eingestrahlten und den Terahertz-Konverter beaufschlagenden
Lichts rotierbar. Handelt es sich bei dem Terahertz-Konverter um
eine Terahertz-Quelle beziehungsweise einen Terahertz-Empfänger
mit einem fotoleitenden Element, ist die Polarisationsrichtung des
ausgestrahlten beziehungsweise empfangenen Lichts abhängig
von der Drehstellung des Terahertz-Konverters. Ein rotierbarer Terahertz-Konverter erlaubt
es nun, die Polarisationsrichtung der ausgesendeten beziehungsweise
empfangenen Terahertz-Strahlung einzustellen und gezielt zu verändern.
Eine solche Vorrichtung eröffnet ein völlig neues
Feld in der Polarisations-Spektroskopie mit Terahertz-Strahlung.
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Vorzugsweise
ist das Ende der Lichtleitfaser in einer Ferrule angeordnet. Eine
solche Ferrule (beziehungsweise ein anderes Befestigungselement) verstärkt
das Ende der Lichtleitfaser und erleichtert dessen Anbringung und
Anordnung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Für
den Zusammenbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist es besonders günstig, wenn die Ferrule, der Frequenzwandler
und der Terahertz-Konverter gemeinsam in einer im Gehäuse
aufzunehmenden Hülse angeordnet sind, da sie so gemeinsam
als Modul ins Gehäuse einsetzbar sind.
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Bei
der Hülse kann es sich beispielsweise um einen Hohlzylinder
handeln.
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Zweckmäßig
ist es, wenn die Hülse um ihre Längsachse drehbar
ist. Auf diese Weise kann die Drehstellung des Terahertz-Konverters
und damit dessen Polarisationsrichtung verändert werden.
An der Ausbreitungsrichtung des Lichts innerhalb der Hülse ändert
sich dabei nichts, weil die optische Achse des Lichts im Idealfall
mit der Längsachse der Hülse übereinstimmt.
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Bei
einer drehbaren Hülse erleichtert es die Handhabung der
erfindungsgemäßen Vorrichtung, wenn eine Anzeige
zum Anzeigen der Drehstellung der Hülse vorgesehen ist,
insbesondere zum Anzeigen der Drehstellung des Terahertz-Konverters
relativ zum Gehäuse. Der Bediener der Vorrichtung kann auf
diese Weise sehr schnell die eingestellte Polarisationsrichtung
des Terahertz-Konverters erkennen.
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Für
die Lichtleitfaser eignet sich besonders gut eine polarisationserhaltende
Faser. Sie ermöglicht es, dem Frequenzwandler polarisiertes
Licht zuzuführen, was dort zu einer Effizienzsteigerung
bei der Frequenz-Konversion führt.
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Besondere
Vorteile entfaltet die erfindungsgemäße Vorrichtung,
wenn es sich bei der Lichtleitfaser um eine Null-Dispersions-Faser
(”Zero Dispersion Fiber”) handelt, oder wenn die
Lichtleitfaser aus mindestens zwei Abschnitten besteht, in denen
die (Gruppengeschwindigkeits-)Dispersion unterschiedliches Vorzeichen
hat und deren Dispersion sich insgesamt gegenseitig kompensiert.
Auf diese Weise können dem Frequenzwandler Dispersions-kompensierte
und folglich besonders kurze Pulse zugeführt werden, was
wiederum die Effizienz der Frequenz-Konversion steigert.
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Im
Folgenden werden vorteilhafte Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Im Einzelnen zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Systems für die Terahertz-Spektroskopie,
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2 einen
Horizontalschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erzeugen
oder Empfangen von Terahertz-Strahlung,
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3 ein
zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung,
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4 ein
drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung,
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5 ein
viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung,
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6 ein
sechstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung,
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7 eine
perspektivische Ansicht des in 6 gezeigten
Ausführungsbeispiels, und
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8 ein
siebtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung.
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Gleiche
Komponenten sind in den Figuren durchgängig mit gleichen
Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt
in schematischer Darstellung ein System
1 zur Terahertz-Spektroskopie
unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
2 zum
Erzeugen oder Empfangen von elektromagnetischer Strahlung im Terahertz-Bereich,
d. h. im Frequenzbereich von 10 GHz bis 100 THz. Ein herkömmliches System
mit gleichem Aufbau, jedoch ohne die erfindungsgemäße
Vorrichtung
2, ist beispielsweise in der
US 5,789,750 A beschrieben.
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Das
System 1 verfügt über einen Ultrakurzpuls-Laser 3,
beispielsweise einen Femtosekundenlaser. Der Ultrakurzpuls-Laser 3 erzeugt
Laserpulse mit einer Dauer von weniger als zehn Pikosekunden und
mit einer Zentralwellenlänge von λ1. Bei dem Ultrakurzpulslaser
kann es sich erfindungsgemäß beispielsweise um
einen Erbium-dotierten Faserla ser mit einer Zentralwellenlänge λ1
von etwa 1560 nm handeln, oder um einen Ytterbium-Laser mit einer Zentralwellenlänge λ1
von zirka 1050 nm.
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Ein
Strahlteiler (nicht dargestellt) teilt den vom Ultrakurzpulslaser 3 erzeugten
Lichtstrahl in zwei Teile auf. Jeder der Teilstrahlen wird in eine Lichtleitfaser 4 eingekoppelt.
Die Lichtleitfaser 4 ist optimiert von Führen
von Licht mit einer Wellenlänge von λ1. insbesondere
ist die Lichtleitfaser 4 dazu ausgelegt, dass die Gruppengeschwindigkeitsdispersion (GVD) über
ihre gesamte Länge möglichst nahe bei Null liegt,
d. h. möglichst vollständig kompensiert ist. Zu
diesem Zweck kann es sich bei der Lichtleitfaser 4 um eine
sogenannte ”Zero Dispersion Fiber” handeln. Da
diese Fasern jedoch zum Teil unerwünschte, nichtlineare
Nebeneffekte haben, besteht die Lichtleitfaser 4 vorzugsweise
aus zwei oder mehr Abschnitten, in denen die Gruppengeschwindigkeitsdispersion
unterschiedliches Vorzeichen hat. Die Längen dieser Abschnitte
sind so aufeinander abgestimmt, dass die gesamte Gruppengeschwindigkeitsdispersion
möglichst nahe bei Null liegt. Darüber hinaus
handelt es sich bei der Lichtleitfaser 4 vorzugsweise um
eine polarisationserhaltende Faser. Alternativ können Polarisationssteller
an der Lichtleitfaser 4 verwendet werden.
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Das
System 1 zur Terahertz-Spektroskopie verfügt über
zwei erfindungsgemäße Vorrichtungen 2.
Eine der beiden Lichtleitfasern 4 wird direkt einer der
beiden Vorrichtungen 2a zugeführt. Das Eintreffen
eines ultrakurzen Laserpulses führt in dieser Vorrichtung 2a zum
Ausstrahlen eines Pulses im Terahertz-Frequenzbereich. Die Vorrichtung 2a dient
folglich im Spektroskopie-System 1 als Sender der Terahertz-Strahlung.
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Die
zweite, vom Ultrakurzpulslaser 3 ausgehende Lichtleitfaser 4 entspricht
in ihren optischen Eigenschaften, insbesondere hinsichtlich der
Dispersion und der polarisationserhaltenden Eigenschaften, der ersten
Lichtleitfaser 4. Im Unterschied zur ersten Faser führt
die zweite Lichtleitfaser 4 über eine optische
Verzögerungsstrecke 5 zu einer zweiten, erfindungsgemäßen
Vorrichtung 2b. Beim Eintreffen eines Laserpulses mittels
der Lichtleitfaser 4 erzeugt die Vorrichtung 2b in
Abhängigkeit von gleichzeitig eintreffender Terahertz-Strahlung
ein Messsignal. Innerhalb des Spektroskopie-Systems 1 dient
die Vorrichtung 2b folglich als Terahertz-Empfänger
beziehungsweise als Messkopf.
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Die
von der ersten Vorrichtung 2a erzeugte Terahertz-Strahlung
durchläuft bis zur zweiten Vorrichtung 2b eine
Terahertz-Messstrecke 6. Eine erste Terahertz-Optik 7,
beispielsweise ein Off-axis-Parabolspiegel oder ein Paar solcher
Parabolspiegel, bündelt die Terahertz-Strahlung zu einer
Probe 8. Hinter der von der Terahertz-Strahlung durchleuchteten
Probe 8 durchläuft die Terahertz-Strahlung eine weitere
Terahertz-Optik 7, beispielsweise weitere Off-axis-Parabolspiegel,
die die Strahlung zur zweiten Vorrichtung 2b bündelt.
In einem einfacheren Fall ist die Terahertz-Optik 7 lediglich
eine Kunststofflinse, z. B. aus PE, PP oder Zeonex.
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Nicht
dargestellt in 1 sind beispielsweise Steuer-
und Auswerteeinrichtungen für das System 1.
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2 zeigt
einen Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 2 zum
Senden oder Empfangen von Terahertz-Strahlung. Benachbart zum Ende 10 der Lichtleitfaser 4 ist
ein mehrere Zentimeter langer Abschnitt der Lichtleitfaser 4 in
eine Ferrule 11 eingebettet, beispielsweise eine Glas-Ferrule.
Die Lichtleitfaser 4 liegt dabei auf der Mittelachse der
zylindrischen Ferrule 11. Das Ende 10 der Lichtleitfaser 4 ist
bündig mit der kreisförmigen Vorderfläche
der Ferrule 11.
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Die
Ferrule 11 befindet sich in einer zylindrischen Durchgangsbohrung 12 innerhalb
eines Mantels beziehungsweise einer Hülse 13.
Die Hülse 13 kann beispielsweise aus einem Kunststoffmaterial geformt
sein. Auch die Hülse 13 hat eine zylindrische Umfangsfläche.
Die Durchgangsbohrung 12 befindet sich auf der Mittelachse
der Hülse 13, so dass die Lichtleitfaser 4 auf
der Mittelachse der Hülse 13 geführt
ist.
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An
der in 2 linken Außenfläche der Hülse 13 befindet
sich eine gestufte Ausnehmung 14. In dem tieferen Bereich 15 der
Ausnehmung 14 ist ein Frequenzwandler 16 angeordnet.
Er dient dazu, das mittels der Lichtleitfaser 4 herangeführte
Laserlicht mit der Zentralwellenlänge λ1 zu einem
möglichst großen Prozentsatz umzuwandeln zu Licht
mit einer Zentralwellenlänge einer anderen Wellenlänge λ2, bei
der ein im vorderen Bereich 17 der Ausnehmung 14 angeordneter
Terahertz-Konverter 18 besonders effizient ist.
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Beim
Frequenzwandler 16 handelt es sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel
um einen nichtlinearen Kristall zur Frequenzverdopplung. Die Wellenlänge λ2
ist folglich halb so groß wie die Wellenlänge λ1.
Der Frequenzverdoppler 16 kann an den Boden der Ausnehmung 14 angeklebt
sein. Die Dicke des Frequenzverdopplers 16, d. h. seine
Ausdehnung entlang der optischen Achse 19 der Vorrichtung 2,
entspricht genau der Tiefe des tieferen Bereichs 15 der
Ausnehmung 14. Auf diese Weise kann der Frequenzverdoppler 16 den
gesamten Raum zwischen dem Ende 10 der Lichtleitfaser 4 und
dem Terahertz-Konverter 18 einnehmen, wenn dieser auf dem Boden
des vorderen Bereichs 17 der Ausnehmung 14 aufliegt.
Der Terahertz-Konverter 18 kann auf dem Boden der Ausnehmung 14 ebenfalls
festgeklebt sein.
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Bei
dem Terahertz-Konverter 18 kann es sich prinzipiell um
jede geeignete Einrichtung zum Umwandeln von optischer Strahlung
in Terahertz-Strahlung beziehungsweise umgekehrt handeln, beispielsweise
um eine Dipolantenne in einem GaAs-Halbleiter, wie aus dem Stand
der Technik bekannt. Eine elektrische Leitung 20 ist durch
die Hülse 13 geführt und kontaktiert
den Terahertz-Konverter 18. Auf der vom Terahertz-Konverter 18 abgewandten
Seite der Hülse 13 befindet sich ein elektrischer
Verbinder 21, mittels dessen am Terahertz-Konverter 18 entweder eine
Vorspannung angelegt werden oder vom Terahertz-Konverter ein elektrischer
Strom abgegriffen werden.
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In
Abhängigkeit von diesen beiden Konfigurationen kann die
erfindungsgemäße Vorrichtung 2 entweder
als Terahertz-Sender 2a oder als Terahertz-Empfänger
beziehungsweise Messkopf 2b dienen.
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Vor
dem Terahertz-Konverter 18 ist eine hyper-hemisphärische
Linse 22 aus beispielsweise Silizium angeordnet. Sie dient
dazu, Totalreflexionen innerhalb des Terahertz-Konverters 18 zu
vermeiden und somit den Austritt der Terahertz-Strahlung zu ermöglichen.
Gleichzeitig führt die Linse 22 zu einer gewissen
Kollimation der austretenden Terahertz-Strahlung.
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Die
Hülse 13 ist in einer Öffnung 23 in
einem Gehäuse 24 der Vorrichtung 2 aufgenommen.
Ein Pfeil P deutet an, dass die Hülse 13 im vorliegenden Ausführungsbeispiel
innerhalb der Öffnung 23 um die optische Asche 19 rotierbar
gelagert ist. Die Drehstellung des Terahertz-Konverters 18 bestimmt
die Polarisationsrichtung der austretenden Tera hertz-Strahlung beziehungsweise
der empfangbaren Terahertz-Strahlung. Eine Drehung der Hülse 13 in
Richtung des Pfeils P (oder in umgekehrter Richtung) bewirkt eine Änderung
der Drehstellung des Terahertz-Konverters 18 und folglich
eine Änderung der Polarisationsrichtung. Am Gehäuse 24 oder
an der Hülse 13 kann eine Anzeige zum Anzeigen
der Drehstellung der Hülse 13 beziehungsweise
des Terahertz-Konverters 18 relativ zum Gehäuse 24 vorgesehen
sein.
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In
der erfindungsgemäßen Vorrichtung 2 hat der
lichtleitende Kern der Lichtleitfaser 4 einen Durchmesser
von etwa 10 μm. Da der Frequenzverdoppler 16 nur
eine Dicke von zirka 100 bis 300 μm hat, weitet sich der
Lichtstrahl beim Durchlaufen des Frequenzverdopplers 16 kaum auf.
Wenn das frequenzverdoppelte Licht am Terahertz-Konverter 18 eintrifft,
ist die Fleckgröße des Lichts folglich noch nicht
viel größer als etwa 20 μm, möglicherweise
sogar noch kleiner. Auch ohne Fokussier- oder Abbildungsoptiken
kann im vorliegenden Ausführungsbeispiel daher eine vergleichsweise
geringe Fleckgröße an dem Terahertz-Konverter 18 und
somit eine hohe Effizienz der Terahertz-Erzeugung erzielt werden. Der
Terahertz-Konverter 18 selbst ist bei der ersten Wellenlänge λ1
weitgehend insensitiv und transparent. Der nicht frequenzverdoppelte
Anteil der Laserstrahlung geht somit weitgehend ungehindert durch den
Terahertz-Konverter 18 hindurch.
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3 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung 2. Es entspricht dem ersten Ausführungsbeispiel
bis auf folgende Aspekte.
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Im
Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel hat die Hülse 13 eine
größere Länge. Vor allem jedoch ist die
Ferrule 11 mit dem Ende 10 der Lichtleitfaser 4 nicht
mehr in direktem Kontakt mit dem Frequenzwandler 16, sondern
vom Frequenzwandler 16 beabstandet. Zwischen der Ferrule 11 und
dem Frequenzwandler 16 ist in der Durchgangsbohrung 12 der
Hülse 13 eine Fokussier- oder Abbildungsoptik 25 vorgesehen,
d. h. eine Relais-Optik 25. In den Bereichen zwischen der
Ferrule 11 und der Fokussieroptik 25 sowie zwischen
der Fokussieroptik 25 und dem Frequenzwandler 16 sind
jeweils Luftspalte 27 vorhanden. Die Fokussieroptik 25 dient
dazu, das aus der Lichtleitfaser 4 austretende Licht auf
den Frequenzwandler 16 zu bündeln, vorzugsweise
in die Mitte oder nahe des dem Terahertz-Konverter 18 zugewandten
Endes des Frequenzwandlers 16.
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4 zeigt
ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung 2. Es entspricht weitgehend dem zweiten Ausführungsbeispiel.
Allerdings sind im dritten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 2 keine
Luftspalte mehr in der Durchgangsbohrung 12 vorhanden.
Stattdessen liegt die Fokussier- und Abbildungsoptik 25 direkt
am Frequenzwandler 16 an, und der Bereich zwischen der Ferrule 11 und
der Fokussieroptik 25 ist vollständig ausgefüllt
durch ein transparentes Zwischenstück 26, einen
sogenannten ”Spacer”, der beispielsweise aus Glas
bestehen kann. Der Vorteil dieses dritten Ausführungsbeispiels
liegt darin, dass beim Zusammenbau der erfindungsgemäßen
Vorrichtung 2 die Fokussieroptik 25, das Zwischenstück 26 und
die Ferrule 11 direkt aneinandergeschoben werden können, so
dass sie sofort ihren vorbestimmten Abstand voneinander erhalten
und diesen auch später sicher beibehalten. Wegen des durch
das Zwischenstück 26 eingehaltenen Abstands kann
das Licht zudem besser (d. h. kleiner) fokussiert werden, was die
Effizienz der Frequenzwandlung steigert.
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In 5 ist
ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung 2 zu sehen. Im Unterschied zu den vorangehenden
Ausführungsbeispielen ist hier der Frequenzwandler 16 vom
Terahertz-Konverter 18 beabstandet. Der Frequenzwandler 16 kann
beispielsweise in einen dafür vorgesehenen Schlitz 28 in
die Hülse 13 eingesetzt sein.
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Sowohl
zwischen der Ferrule 11 mit dem Ende 10 der Lichtleitfaser 4 und
dem Frequenzwandler 16, als auch zwischen dem Frequenzwandler 16 und
dem Terahertz-Konverter 18 ist jeweils eine Fokussier-
oder Abbildungsoptik 25 vorhanden, d. h. eine Relais-Optik.
Die erste Relais-Optik 25a bündelt das aus der
Lichtleitfaser 4 austretende Licht auf den Frequenzwandler 16.
Die zweite Fokussieroptik 25b bündelt das aus
dem Frequenzwandler 16 austretende Licht auf den Terahertz-Konverter 18.
Während die erste Fokussieroptik auf eine Wellenlänge
von λ1 optimiert ist, ist die zweite Fokussieroptik 25 auf
die Wellenlänge λ2 des frequenzgewandelten Lichts
optimiert. Die Fokussieroptiken 25a, 25b können
jeweils asphärische oder Gradientenindex-Linsen umfassen.
In den Abschnitten zwischen der Ferrule 11 und der ersten
Fokussieroptik 25a, zwischen der ersten Fokussieroptik 25a und
dem Frequenzwandler 16, zwischen dem Frequenzwandler 16 und
der zweiten Fokussieroptik 25b, sowie zwischen der zweiten Fokussieroptik 25b und
dem Terahertz-Konverter 18 sind jeweils Luftspalte 27 vorhanden.
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6 zeigt
ein fünftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung 2. Es entspricht weitgehend dem vierten Ausführungsbeispiel – bis
darauf, dass innerhalb der Durchgangsbohrung 12 zwischen
der Ferrule 1 und dem Terahertz-Konverter 18 keine
Luftspalte 27 mehr vorhanden sind. Stattdessen liegen die
Fokussieroptiken 25a, 25b unmittelbar am Frequenzwandler 16 beziehungsweise an
dem Terahertz-Konverter 18 an. Die Bereiche zwischen der
Ferrule 11 und der ersten Fokussieroptik 25a,
beziehungsweise zwischen dem Frequenzwandler 16 und der
zweiten Fokussieroptik 25b sind überbrückt
durch transparente Zwischenstücke 26. In dieser
Hinsicht bietet das fünfte Ausführungsbeispiel
die gleichen Vorteile wie das dritte Ausführungsbeispiel.
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7 zeigt
das fünfte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung 2 noch einmal in perspektivischer Darstellung.
Der besseren Übersicht sind die optischen Elemente innerhalb
der Durchgangsbohrung 12 der Hülse 13 voneinander beabstandet
dargestellt.
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Die
Lichtleitfaser 4, die das Licht der ersten Wellenlänge λ1
transportiert, führt auf der linken Seite in die Vorrichtung 2 hinein.
Der Endabschnitt der Lichtleitfaser 4 ist eingebettet in
die Ferrule 11. Das aus dem Kern 29 der Lichtleitfaser 4 austretende Licht
durchläuft ein transparentes Zwischenstück 26 und
wird von der ersten Fokussieroptik 25a auf den Frequenzwandler 16 gebündelt.
Dort wird die Frequenz des Lichts gewandelt, so dass ein möglichst großer
Anteil des Lichts den Frequenzwandler 16 mit einer zweiten
Wellenlänge λ2 verlässt. Dieses Licht (sowie
der verbleibende Anteil des Lichts mit der ursprünglichen
Wellenlänge λ1) durchläuft ein weiteres Zwischenstück 26.
Das Licht der Wellenlänge λ2 wird anschließend
durch eine zweite Fokussieroptik 25b auf den Terahertz-Konverter 18 gebündelt.
Die dort erzeugten Terahertz-Strahlen verlassen die erfindungsgemäße
Vorrichtung durch die Terahertz-Linse 22.
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8 zeigt
ein sechstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung 2. Dieses Ausführungsbeispiel entspricht
weitgehend dem fünften Ausführungsbeispiel, mit
folgenden Änderungen. In unmittelbarer Nähe des
Frequenzwandlers 16 ist ein Temperatursensor 30 angeordnet,
der ebenfalls über elektrische Leitungen 20 kontaktiert
ist und der die Temperatur des Frequenzwandlers 16 ermittelt und überwacht.
Am Gehäuse 24 ist in unmittelbarer Nähe
des Frequenzwandlers 16 ein Heizelement 31 vorgesehen, beispielsweise
ein ringförmig um den Frequenzwandler 16 gelegtes,
elektrisches Widerstands-Heizelement 31. Unter Berücksichtigung
des von dem Temperatursensor 30 erhaltenen Signals kann
das Heizelement 31 so angesteuert werden, dass die Temperatur
des Frequenzwandlers 16 möglichst nahe an demjenigen
Punkt gehalten wird, an dem die Frequenzumwandlung des eingestrahlten Lichts
der Wellenlänge λ1 besonders effizient abläuft. Im
Bereich zwischen dem Frequenzwandler 16 und dem Terahertz-Konverter 18 ist
am Gehäuse 24 eine thermische Isolierung 32 vorgesehen.
Sie hat den Zweck, den Terahertz-Konverter 18 thermisch
vom Heizelement 31 zu isolieren, so dass die Temperatur des
Terahertz-Konverters 18 möglichst konstant gehalten
werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - US 5729017
A [0002]
- - US 5710430 A [0003]
- - US 5789750 [0003]
- - EP 1230578 B1 [0004, 0006, 0010]
- - US 5729017 [0004]
- - US 5420595 [0004]
- - US 5663669 [0004]
- - US 5952818 [0004]
- - US 6111416 [0004]
- - EP 123057861 [0005]
- - US 5789750 A [0041]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - ”Far-Infrared
Time-domain Spectroscopy with Terahertz beams of dielectrics and
semi conductors” von D. Grischkowsky in J. opt. Soc. Am. B/Vol.
7, Nr. 10/Oktober 1990 [0002]
- - ”Terahertz Sensing Technology, Volume 1: Electronic
Devices and Advanced Systems Technology”, D.L. Woolard
et al, World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd. 2003 [0002]