DE102009015565A1

DE102009015565A1 - Terahertz-Frequenz-Domänen-Spektrometer mit integriertem Dual-Laser-Modul

Info

Publication number: DE102009015565A1
Application number: DE102009015565A
Authority: DE
Inventors: Ronald T. Jr. Pasadena Logan; Joseph R. Alhambra Demers; Bryon L. San Marino Kasper
Original assignee: Emcore Corp
Current assignee: Emcore Corp
Priority date: 2008-04-04
Filing date: 2009-03-30
Publication date: 2009-11-12
Also published as: GB201011404D0; GB2469945A; GB0905550D0; GB2469944B; US20100277726A1; GB2469944A; JP2009265106A; GB201011401D0; GB2458802B; GB2469945B; US7936453B2; JP5546789B2; GB2458802A

Abstract

Vorrichtung zur Analyse und Identifikation oder Abbildung eines Ziels mit einem integrierten Dual-Laser-Modul, gekoppelt mit einem Paar von photoleitereich von Frequenzen von 100 GHz bis über 2 THz, fokussiert auf und übertragen durch oder reflektiert von dem Ziel; und mit einem Detektor zum Erfassen der Spektralinformationssignale, empfangen vom Zyn-Prozesses zur Erzeugung eines elektrischen Signals, repräsentativ für einige Charakteristika des Ziels mit einer Auflösung von weniger als 250 MHz. Die photoleitenden Schalter werden durch Laser-Strahlen aktiviert und zwar von dem Dual-Laser-Modul. Die Laser in dem Modul sind auf unterschiedliche Frequenzen abgestimmt und besitzen zwei unterschiedliche Niederfrequenz-Identifikationstöne, die verwendet werden in Verbindung mit einem stabilen optischen Filterelement, zum Gestatten der genauen Bestimmung der Versetzungsfrequenz oder Verschiebefrequenz der Laser.

Description

Bezugnahme auf mit dieser Anmeldung in Beziehung stehenden Anmeldungen. Diese Anmeldung bezieht sich auf US Patentanmeldung Serial Nr. 11/796 069, eingereicht am 5. April 2007, die eine CIP-Anmeldung von US Patentanmeldung Serial Nr. 11/669 685, eingereicht am 31. Januar 2007, ist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf Spektroskopiesysteme und Komponenten im Mikrowellen-, Millimeterwellen- und Submillimeterwellen-Bereich und insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein integriertes Dual-Laser-Modul zur Verwendung in einem homodynen Transceiver, brauchbar für die Terahertz-Spektroskopie.
2. Beschreibung verwandter Technik
Terahertz-Vorrichtungen und -Systeme beziehen sich im allgemeinen auf die Erzeugung und die Detektierung von elektromagnetischer Energie zwischen 300 GHz und 3 Terahertz (3 THz) oder Wellenlängen von 100 bis 1000 Mikron (0,1 bis 1,0 Millimeter), was auch als die Submillimeter oder der Fern-Infrarot-Bereich des elektromagnetischen Spektrums bezeichnet wird. Terahertz-Energie kann beispielsweise erzeugt werden durch die Verwendung von kurz gepulsten Lasern, Heterodyn-Lasern, elektronischen Dioden-Vervielfachern, freien Elektronenlasern und BWOs.
Eine wichtige Anwendung der Terahertz-Systeme ist die THz-Spektroskopie und zwar insbesondere realisiert als Zeit-Domänen-Spektroskopie. In solchen Systemen wird eine Sequenz oder Folge von Ferntosekunden Pulsen bzw. Impulsen von einem ”mode locked” Laser auf ein geeignetes Halbleitermaterial fokussiert, um die THz-Strahlung zu erzeugen. Die Strahlung wird auf ein Ziel oder eine zu analysierende Probe geleitet und ein Detektor oder eine Detektoranordnung wird dazu verwendet, um das Signal, welches sich durch das Objekt fortgepflanzt oder von diesem reflektiert wurde, zu sammeln. Da solche Messungen in der Zeitdomäne ausgeführt werden, und zwar durch Sammeln der zeitlichen Sequenz von Impulsen, müssen die Signale sodann durch eine Fourier-Transformation verarbeitet werden, um die Frequenzdomänen-Spektralinformation wiederzugewinnen.
Die Terahertz-Spektroskopie sieht viele neue Instrumentierungen und Messanwendungen vor, da bestimmte Verbindungen und Ziele identifiziert und charakterisiert werden können und zwar durch frequenzabhängige Absorption, Dispersion und/oder Reflektion der Terahertz-Signale, die durch die Verbindung oder das Objekt hindurch laufen oder von diesem reflektiert werden. Einige derzeitige Terahertz-Systeme üben die Analyse in der Zeitdomäne aus, und zwar durch Sammeln des sich durch das Objekt fortpflanzende Signals und durch darauf folgende Verarbeiten der Information, welche in diesen Signalen enthalten ist, und zwar durch einen Fourier-Transformator, um eine Spektralanalyse zu erzeugen. Durch Abtasten jedes Punktes oder „Pixels” auf diesem Objekt, ist es auch möglich, bei solchen Systemen eine Abbildung der Oberfläche oder von inneren Querschnitten oder Schnitten vorzunehmen, und zwar entweder auf einer Brennebene oder aufeinander folgenden Brennebenen bei unterschiedlichen Bereichen. Diese nicht invasive Abbildtechnik ist in der Lage, zwischen unterschiedlichen Materialien, chemische Zusammensetzungen oder Molekülen im Inneren eines Objekts zu unterscheiden. Die Fourier-Transformation von der Zeitdomäne in die Frequenz-Domäne bringt jedoch Einschränkungen hinsichtlich der Frequenzauflösung mit sich und hinsichtlich der Fähigkeit, auf spezielle Frequenzfenster zu schauen.
Wie in einer Bewertung des Artikels von Peter H. Siegel in IEEE Transactions an Microwave Theory and Techniques, Band 50, Nr. 3 915–917 (März 2002) bemerkt wurde, wurde die Terahertz-Zeitdomänen-Spektroskopie von Nuss und anderen in den Bell Laboratorien in der Mitte der 90er entwickelt (B. B. Hu und d M. C. Nuss, „imaging with terahertz waves", Opt. Lett. Band 20, Nr. 16, Seiten 1716–1718, 15. August 1995; D. M. Mittleman, R. H. Jacobsen und M. C. Nuss", „T-ray imaging", IEEE J. Select Topics Quantum Electron, Band 2, Seiten 679–692, September 1996). Kürzlich erfolgte die Kommerzialisierung durch mindestens zwei Gesellschaften, Picometrix LLC aus Ann Arbor, Michigan (D. D. Arnone und andere, „Applications of Terahertz (THz) Technology to medical imaging", in Proc. SPIE Terahertz Spectroskopy Applicat. II, Band 3823, München, Deutschland 1999, Seiten 209–219) und Teraview Ltd. (ein Ableger der Toshiba Research Europe, in Cambridge, England (D. Arnone, C. Ciesla, und M. Pepper, „Terahertz imaging comes into view", Phys. World, Seiten 35–40, April 2000)
In situ Messungen der gesendeten oder reflektierten Terahertz-Energie, die auf eine kleine Probe einfällt, werden verarbeitet, um Folgendes zu bestimmen: den Spektralgehalt (nur breite Signaturen), die Zeit der Flugdaten (Brechungsindexbestimmung, Amplitude und Phase und Probendicke) und Direktsignalstärke-Abbildung. Das Prinzip umfasst die Erzeugung und die Detektierung von elektromagnetischen Terahertz-Übergängen, die in einem photoleitenden Schalter (PCS = photo conductive switch) erzeugt werden oder in einem Kristall, und zwar durch intensive Femto-Sekunden-Impulse des optischen Lasers. Die Laserimpulse werden strahlungsgespaltet und synchronisiert, und zwar durch eine optische Abtastverzögerungsleitung und werden veranlasst auf den Terahertz-Generator und Detektor zu treffen, und zwar mit einer bekannten Phasen-Kohärenz. Durch Abtasten der Verzögerungsleitung und durch gleichzeitiges Steuern oder Tasten der Terahertz-Signale, die auf den Sektor einfallen, wird eine Zeit abhängige Wellenform proportional zu der Terahertz-Feldamplitude erzeugt. Die Fourier-Transformation dieser Wellenform gibt Information über den Frequenzspektralgehalt. Die transversale oder Querabtastung von entweder dem Terahertz-Generator oder der Probe selbst, gestattet, dass ein 2-D-Bild über die Zeit hinweg aufgebaut wird.
Andere Entwicklungen umfassen die schnelle Abtastung (S. Hunsche und M. C. Nuss, „Terahertz „T-ray" tomography" in Proc. SPIE Int. Millimeter Submillitmert Waves Applicat.. IV. Conf., San Diego, CA, Juli 1998, Seiten 426–433) und True 2-D sampling using charge-coupled device (CCD) arrays (Z. Jiang und X.-C. Zhang, "Terahertz imaging via electronic effect", IEEE Trans. Microwave Theory Techn., Band 47, Seiten 2644–2650, Dezember 1999). In den Picometrix und Lucent-Technologie-Systemen sind Generator und Detektor auf dem photoleitenden Effekt in mit niedriger Temperatur gewachsenen (LTG = low temperature grown) Gallium-Arsenid (GaAs) Verbindungshalbleitermaterial gegründet, oder auf strahlungsgeschädigtem Silizium auf Saphir-Halbleiter. Das Teraview-System verwendet die Terahertz-Erzeugung durch Differenz-Frequenz-Mischung in einem nicht linearen Kristall (ZnTe) und Detektierung über den elektro-optischen Pockels-Effekt (Messen der Änderung der Doppelbrechung von ZnTe, eingeführt durch Terahertz-Felder bei Anwesenheit eines optischen Impulses), wie dies zuerst durch Zhang am Rensselaer Polytechnic Institut (RPI), Troy, NY gezeigt wurde (vergl. Q. Wu, T. D. Hewitt und X.-C. Zhang, Two-dimensional electro-optic imaging of THz beams", Appl. Phys. Lett. Band 69, Nr. 8, Seiten 1026–1028, 19. August 1996). Die optischen Femto-Sekunden-Impulse wurden derzeit auf relativ teueren Ti:Saphir-Lasern erhalten, aber andere Vorschläge umfassen Festkörpersysteme mit längerer Wellenlänge, insbesondere 1,5 Mikron und können besser die Fasertechnologie ausnutzen (vergl. D. M. Mittleman, R. H. Jacobsen und M. C. Nuss, „T-ray imaging", IEEE J. Select. Topics Quantum Electron, Band 2, Seiten 679–692, September 1996). Die durch die optischen Impulse erzeugten HF-Signale haben typischerweise ihre Spitze in dem 0,5–2 THz-Bereich und besitzen durchschnittliche Leistungsniveaus in dem Mikrowattbereich und Spitzenenergie um ein Femto-Joule. Dies macht die T-Strahlen-Abbildung ein attraktives Werkzeug für medizinische Anwendungen (nicht invasive Probennahme) und auch für die nicht destruktive Analyse von biologischen Materialien oder elektronischen Teilen. Der größte Nachteil be kannter Konstruktionen besteht in der Notwendigkeit, die Verzögerungsleitung langsam und über eine Distanz der gewünschten Wellenlängenauflösung abzutasten (beispielsweise eine 1 GHz-Auflösung würde eine 7,5 cm Abtastung der beweglichen optischen Verzögerungsleitung bedeuten) und die Unfähigkeit versteckte Frequenzen, die von Interesse sind, abzufragen. Das hohe Ausmaß an positionsmäßiger Toleranz hinsichtlich der beweglichen optischen Verzögerungsanordnung begrenzt die Brauchbarkeit dieser Lösungsmöglichkeit, wo kompakte Größe und Betrieb in unkontrollierten Umgebungen erforderlich ist und mit großen Temperaturauswanderungen und/oder Schlag und Vibration. Auch sind in vielen Fällen höhere Frequenzauflösungen und Genauigkeit erforderlich, als dies leicht mit den Abtastverzögerungsleitungssystemen möglich ist, wie beispielsweise bei der Analyse von Dopplerbegrenzten Molekular-Drehübergängen in Niederdruckgasen.
Das Bedürfnis nach einem multi-oktaven abstimmbaren Spektrometer im THz-Bereich ist durch eine Folge von neuen Anwendungen gerechtfertigt, die sich auf die Identifikation von Materialien beziehen, die von Forschern und Systementwicklern heutzutage ins Auge gefasst werden. Historisch wurde THz-Gebiet durch Funkastronomen und Chemiker dominiert, und zwar üblicherweise mit dem Ziel, Spurenmengen kleiner gasförmiger Moleküle im interstellaren Medium oder in der oberen Atmosphäre der Erde zu detektieren. Der niedrige Druck der involvierten Medien führte oft zu schmalen Dopplerbegrenzten Absorptionslinien, manchmal kleiner als 1 MHz in Strichbreite. Grob gesagt, im letzten Jahrzehnt hat sich die THz-Landschaft dramatisch geändert, und zwar durch die Entdeckung und durch die Forderung zur Detektierung und zur Abbildung von größeren Molekülen, insbesondere Biomolekülen und Bioteilchen. Dies umfasst beispielsweise Proteine und Vitamine unter Verwendung von Frequenz-Schwüngen oberhalb 1 THz und bakterielle Sporen und Nukleinsäuren unter Verwendung von Frequenz-Schwüngen unterhalb 1 THz. Festmaterialien, wie beispielsweise explosive Agenzien und ihre Vorläufer sind auch von speziellem Interesse für die TeraHertz-Detektierungsanwendungen. Nano-strukturierte Materialien sind auch von Interesse für die Hochauflösungs-THz-Studien in Folge der Ähnlichkeit der Grö ße der Nanostrukturen und der Wellenlänge der THz-Strahlung. In den meisten Fällen tritt die Biomolekular- und Bioteilchen-Absorption nicht in der Form von schmalen Linien auf, sondern vielmehr als Breite „Signaturen”, typischer Weise 1 bis 10 GHz oder breiter. Feste ungeordnete Materialien haben typischerweise breite Absorptionsmerkmale infolge der Phononen. Kristalline Materialien von Interesse können auch schärfere Resonanzen zeigen. In vielen Fällen gibt es nur einige wenige begrenzte Frequenzbänder von Interesse, die die starke THz-Absorption in einem speziellen Material von Interesse zeigen. Ein Mehrfach-Oktav-Spektrometer, welches in der Lage ist, kleine versteckte Fenster von Frequenzen zu messen, gestattet die schnellere Messung von Signaturen in dem gleichen Arbeitsgang, was das Vertrauen und die Spezifität erhöht.
Zusätzlich zu den oben erwähnten Zeitdomänen-Spektrometern sind auch Frequenz-Domänen-Systeme bekannt (vergl. den Artikel von Verghese und anderen, „Generation and Detection of coherent terahertz waves using two photomixers," Appl. Phys. Lett., Band 73, Nr. 26, Seiten 3824–3826, 28. Dezember 1998). Ein Terahertz-Spektrometer-System gemäß dem Stand der Technik ist in US Patent 7 291 835 beschrieben.
Das System umfasst eine Laser-Beleuchtungsanordnung, die ein Paar von Quellenlaserstrahlen erzeugt, die auf eine Quellen-Photomixer-Vorrichtung oder PCS auftrifft, um Emission von Sub-Zentimeter-Strahlung zu bewirken, und zwar mindestens in einem Teil der mit der entfernten Probe in Wechselwirkung steht, um eine „beeinflusste Strahlungsprobe” zu erzeugen, die dann auf eine Detektor-Photomixer-Vorrichtung auftreffen kann. Ein zweites Paar von Laserstrahlen fällt auf den Detektor auf, um eine optische Komponente des Detektor-Photostroms zu erzeugen, die frequenzmäßig versetzt ist, bezüglich der detektierten Quellenlaserenergie. Infolge dessen erzeugt der Detektor ein frequenzmäßig herab konvertiertes elektrisches Ausgangssignal, welches auf die Proben beeinflusste Strahlung anspricht und für diese charakteristisch ist.
Das Konzept der Photomischung ist aus dem US Patent 6 348 583 bekannt, welches ein Verfahren beschreibt, zur Erzeugung quasi optischer Signale unter Verwendung eines optisch-heterodynen Wandlers oder einer Photomischerquelle. Photomischerquellen sind kompakte Festkörperquellen, die zwei abstimmbare Einzelfrequenzlaser verwenden, wie beispielsweise Diodenlaser, um eine Terahertz-Differenzfrequenz zu erzeugen, und zwar durch photoleitende Mischung in einem photoleitenden Material. Photomischerquellen verwenden Niedertemperatur gewachsenes (LTG) GaAs, und zwar zur Verwendung von kohärenter Strahlung bei Frequenzen bis zu 5 THz. Das Patent beschreibt speziell einen Transceiver zum Senden und Empfangen von Terahertz-Strahlung. Der Transceiver umfasst eine erste Lichtquelle, die Strahlung mit einer ersten Frequenz erzeugt und eine zweite Lichtquelle, die Strahlung mit einer zweiten Frequenz erzeugt. Die ersten und zweiten Lichtquellen besitzen eine Differenzfrequenz, die annähernd gleich in der Differenz ist zwischen den ersten und den zweiten Frequenzen. Ein Sender umfasst einen ersten Photomischer, der optisch mit der ersten und zweiten Lichtquelle gekoppelt ist. Eine erste Antenne ist elektrisch mit dem ersten Photomischer gekoppelt. Im Betrieb strahlt die erste Antenne ein Signal ab, und zwar erzeugt durch den ersten Photomischer mit einer Differenzfrequenz. Ein Empfänger umfasst eine zweite Antenne, positioniert zum Empfang des Signals, abgestrahlt von der ersten Antenne. Die zweite Antenne erzeugt eine zeitlich sich ändernde Spannung, ansprechend auf das Signal. Ein zweiter Photomischer ist elektrisch mit der zweiten Antenne gekoppelt und ist optisch mit der ersten und zweiten Lichtquelle gekoppelt. Der zweite Photomischer erzeugt ein laufendes Signal, ansprechend auf die zeitlich sich verändernde Spannung, erzeugt durch die zweite Antenne.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
1. Ziele der Erfindung
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen verbessertes Frequenz-Domänen-Terahertz-Spektrometer vorzusehen, unter Verwendung von zwei Halbleiterlasern.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, ein Terahertz-Spektrometer vorzusehen, und zwar zur Identifikation eines Zielspektrums mit einer hohen Auflösung bei niedrigen Kosten.
Es ist auch ein weiteres Ziel der Erfindung, ein Duallasermodul vorzusehen, und zwar zur Verwendung in einem Frequenz-Domänen-Terahertz-Spektrometer.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren vorzusehen zum Diskriminieren der Leistung von zwei Quellenlasern in einem zusammengesetzten optischen Strahl.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren vorzusehen, zur Einstellung der Frequenz jedes Lasers in einem Terahertz-Spektrometer zum Vorsehen von einer höheren Frequenz-Spezifizität und Auflösung.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine einstellbare Auflösung bei speziellen Frequenzbereichen, die von Interesse sind, vorzusehen.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, ein tragbares Terahertz-System vorzusehen, und zwar in einer hochkompakten Form, was ferner in der Lage ist, ein Objekt unter Verwendung von zwei Lasern zu identifizieren oder abzubilden.
Merkmale der Erfindung
Kurz gesagt und allgemein ausgedrückt, sieht die vorliegende Erfindung ein Lasermodul vor, welches Folgendes aufweist: ein Gehäuse; eine erste Laseranordnung, angeordnet in dem Gehäuse zur Erzeugung eines ersten Laserstrahls; eine zweite Laseranordnung, angeordnet in dem Gehäuse zur Erzeugung eines zweiten Laserstrahls; einen ersten Strahlteiler (Strahl-Spalter), angeordnet in dem Gehäuse im Pfad der ersten und zweiten Strahlen zur Kombination der erwähnten Strahlen in dritte und vierte optische Strahlen; einen zweiten Strahlteiler (Strahl-Spalter), angeordnet im Gehäuse in dem Pfad des dritten Strahls und fünfte und sechste optische Strahlen erzeugend; einen dritten Strahlteiler (Strahl-Spalter), angeordnet in dem Gehäuse in dem Pfad des vierten Strahls zur Erzeugung siebter und achter optischer Strahlen; ein erstes Fenster im Gehäuse in dem Pfad des fünften Strahls, um zu gestatten, dass das fünfte Strahl das Gehäuse verlässt; ein zweites Fenster in dem Gehäuse in dem Pfad des siebten Strahls, um zu gestatten, dass der siebte Strahl das Gehäuse rechtwinklig zum fünften Strahl verlässt.
Gemäß einem weiteren Aspekt sieht die Erfindung ein Verfahren vor zur Bestimmung entsprechender Wellenlängen (optischer Frequenzen) der optischen Frequenzquellen in einem mehrfach-optischen frequenzzusammengesetzten optischen Strahl, und zwar durch Anlegen eines ersten niedrigen Frequenztons an den ersten Laser; Anlegen eines zweiten niedrigen Frequenztons, unterschiedlich vom ersten Ton, an den zweiten Laser; Kombinieren der Strahlen von den ersten und zweiten Lasern; Teilen bzw. Spalten des kombinierten Strahls in die erwähnten sechsten und achten kombinierten optischen Strahlen; Detektieren der Leistung des achten Strahls unter Verwendung einer ersten Photodiode mit einem ersten Spektralansprechen; Detektieren der Leistung des erwähnten sechsten Strahls, nachdem dieser durch ein optisches Filter gelaufen ist, und zwar mit einem definierten Durchlassprofil unter Verwendung einer zweiten Photodiode mit einem zweiten spektralen Ansprechen; und Vergleichen der entsprechenden Ausgangsgrößen der ers ten und zweiten Photodioden und Berechnen der Wellenlänge der ersten und zweiten Laser.
In einem weiteren Aspekt, sieht die Erfindung ein Gerät vor zum Analysieren, Identifizieren oder Abbildung eines Ziels, und zwar unter Verwendung eines integrierten Lasermoduls, welches erste und zweite Laser umfasst; eine Quelle von Konstantwellen-Strahlung (constant wage (cw) radiation) im Bereich der Frequenzen von 100 GHz bis über 2 THz, einschließlich eines PCS, aktiviert durch einen optischen Strahl von besagtem fünften Strahl, der in einer CW-Frequenz resultiert, die die Differenzfrequenzen ist oder ersten und zweiten Laser; Ausrichtungsmittel, wie eine Antenne oder HF-Linse, um zu bewirken, dass die erwähnten Signale im Wesentlichen auf oder durch das Ziel fokussiert werden; einen Detektor zum Erfassen der Spektralinformation, übertragen durch das Ziel oder reflektiert vom Ziel. Der siebte Strahl vom Lasermodul ist mit dem Detektor-PCS gekoppelt. Die Mischung der optischen Differenzfrequenzen des siebten Strahls und der übertragenen THz-Leistung in dem Detektions-PCS erzeugt ein elektrisches Signal, repräsentativ für eine Charakteristik des Ziels.
Weitere Ziele, Vorteile und neue Merkmale der Erfindung ergeben sich für den Fachmann aus dieser Offenbarung, einschließlich der folgenden Beschreibung und auch durch Ausführung der Erfindung. Obwohl die Erfindung unten unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben wird, ist doch zu verstehen, dass sie darauf nicht beschränkt ist. Der Fachmann, der die Lehren der Erfindung berücksichtigt, wird erkennen, das zusätzliche Anwendungen und Modifikation und Ausführungsbeispiele auf anderen Gebieten möglich sind und innerhalb des Rahmens der Erfindung liegen, wie sie offenbart ist und wie es hier beansprucht ist, bei denen die Erfindung zweckmäßig sein könnte.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung zusammen mit den Zeichnungen. In der Zeichnung zeigt:
1a ein Blockdiagramm eines Frequenz-Domänen-Terahertz-Spektrometers des Standes der Technik, welches die Reflexion von der Probe verwendet;
1b ist ein Blockdiagramm eines Frequenz-Domänen-Terahertz-Spektrometers des Standes der Technik, welches den Durchgang durch die Probe verwendet;
2 ist ein Blockdiagramm des dualen Lasermoduls gemäß der Erfindung;
3 ist ein Blockdiagramm eines Terahertz-Spektrometers gemäß der Erfindung;
4 ist eine graphische Darstellung des optischen Frequenzspektrums, welches die Ausgangsgröße der zwei Laser in dem Lasermodul der 2 zeigt.
5 ist eine vereinfachte graphische Darstellung, die das zusammengesetzte oder optische Komposite-Frequenzspektrum zeigt, und zwar des Ausgangsstrahls von den zwei Lasern in dem Lasermodul, nachdem unterschiedliche Identifikationstöne an jeden Laser angelegt wurden.
6 ist eine graphische Darstellung des Filterprofils des optischen Filters, verwendet in dem Lasermodul gemäß der Erfindung; und
7 ist eine graphische Darstellung der Ergebnisse einer Abtastung eines Ziels bzw. Probe durch das Spektrometer der vorliegenden Erfindung, wobei die erreichbare Auslösung gezeigt ist.
Die neuen Merkmale und Charakteristika der Erfindung sind in den beigefügten Ansprüchen behandelt. Die Erfindung selbst, wie auch weitere Merkmale und Vorteile derselben, versteht man besten unter Bezugnahme auf die detaillierte Beschreibung eines speziellen Ausführungsbeispiels, und zwar gelesen zusammen mit dem beigefügten Zeichnungen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
Details der vorliegenden Erfindung werden nunmehr beschrieben, und einschließlich exemplarischer Aspekte und Ausführungsbeispiele davon. In den Zeichnungen und der folgenden Beschreibung werden die gleichen Bezugszeichen verwendet, um gleiche oder funktionsmäßig ähnliche Elemente zu beschreiben, wobei die Hauptmerkmale exemplarischer Ausführungsbeispiele in einer vereinfachten schematischen Art und Weise beschrieben werden. Darüber hinaus ist nicht beabsichtigt, dass die Zeichnungen jedes Merkmals tatsächliche Ausführungsbeispiele veranschaulichen oder dass die relativen Maße der dargestellten Elemente maßstabsgetreu sind.
In der Frequenz-Domänen-Technik wird CW-THz-Strahlung durch Photomischung erzeugt, und zwar der kombinierten Ausgangsgröße von zwei Einzelfrequenz-Diodenlasern in einem ErGa:GaAs PCS. Die Wellenlänge von einem (oder beiden) Lasern wird abgestimmt, um die THz-Ausgangsfrequenz zu verändern. In den meisten spektroskopischen Anwendungsfällen des Photomischens wurde bislang der THz-Ausgangsstrahl von dem PCS mit einem empfindlichen thermischen Breitband-Detektor (beispielweise einem Flüssig-Helium-Bolometer oder Golay-Zelle) gekoppelt, was die gesamte Signalverarbeitung inkohärent und phasenunempfindlich macht. Die kohärente (homodyne) Detektion kann bei Raumtemperatur erreicht werden durch Mischen der gleichen optischen Strahlung von den Diodenlasern in einem Detektor-PCS, auf den das THz-Signal ebenfalls einfällt. Dies liefert eine größere Empfindlichkeit und schnellere Datenerfassung, als das inkohärente Verfahren und bewahrt die Phaseninformation.
Einige der Vorteile der kohärenten Frequenz-domänen-Technik, verglichen mit der Zeit-Domänen-Technik sind die folgenden: (1) keine beweglichen Teile (d. h. keine mechanische Abtastverzögerungslinie oder Leitung). (2) Höhere Frequenzauflösung und (3), die Fähigkeit selektiv spezielle Frequenz-Regionen von Interesse abzutasten und, zwar mit einstellbarer Auflösung. Ebenfalls anders als bei gepulsten Systemen resultiert das CW-Photomischen darin, dass die gesamte THz-Leistung bei einer einzigen THz-Frequenz konzentriert ist, was somit die Spektraldichte und das Signal-zu-Rausch-Verhältnis bei dieser Frequenz verbessert. Zuvor war es jedoch schwierig, praktikable Frequenz-Domänen-Spektrometer zu realisieren, und zwar infolge der Anforderung, die mit der Konstruktion und Steuerung von Duallasern vorhanden ist, nämlich der Betriebsarten oder Mode-Anpassung (mode matching) und der Ko-Kollimation der zwei Laserstrahlen und der präzisen Steuerung ihrer Differenzfrequenz oder Differenzfrequenz.
Die 1A und 1B zeigen bekannte Frequenz-Domänen-Terahertz-Spektrometer. Ein Spektrometer des Standes der Technik ist in der US-Pastentanmeldung Serial Nr. 11/669 685 beschrieben und im Blockdiagramm der 1A gezeigt, wobei dort die Reflexion von der Probe verwendet wird, wohingegen 1B ein ähnliches Spektrometer des Standes der Technik darstellt, wobei aber hier die Transmission oder der Durchgang durch die Probe veranschaulicht ist.
Die 1A und 1B zeigen die Spektrometer, angeordnet in einem Gehäuse 200, geeignet, um im Feld tragbar zu sein. Ein Kristalloszillator 201 erzeugt einen 1 KHz-Impuls, der zwei Aufwärtswandler (upconverters) 202 und 203 treibt, deren Ausgangsgröße an ein Paar von mode-locked Lasern (Betriebsart-verriegelte-Laser) 204 und 205 anlegt wird. Die Ausgangsgröße des Aufwärtswandlers bzw. Aufwärtskonverters 202 ist 100 MHz, und die Ausgangsgröße des Aufwärtskonverters 203 ist 100,0025 MHz. Die phasenverriegelten Laser sind vorzugsweise 780 nm Laser von Calmar Optcom Inc., Sunnyvale, Kaliforniern. Die Ausgangsgröße des Lasers 204 ist ein Kamm von gleich beabstandeten Impulsen, zentriert bei 100 MHz, 200 MHz, 300 MHz... 1000 GHz, 1000,100 GHz, usw. Die Ausgangsgröße des Lasers 205 ist ein Kamm von gleichmäßig beabstandeten Impulsen bei 1000,0025 MHz, 200.005 MHz, 300.0075 MHz, .... 1000.025 GHz, 1000,1250025 GHZ, usw. Die Laser 204 und 205 können durch einen wavelocked bzw. wellengekoppelten (wellenlängen-verriegelten) Laser 206 betrieben werden, dessen Ausgangsgröße an einen Strahlen-Spalter 207 angelegt ist, wobei gesonderte Strahlen, angelegt an die Laser 204 bzw. 205 erzeugt werden.
Die Ausgangsgröße 208 des Lasers 204 wird durch einen optischen Verstärker 209 verstärkt und der Strahl wird seinerseits an eine Linse 210 angeregt, die den Strahl auf einen zehn Mikron-Punkt auf der Oberfläche des PCS 211 fokussiert. Der Frequenz-Kamm der optischen Impulse, gerichtet auf die Oberfläche des PCS-Halbleiter-Vorrichtung erzeugt Terahertz-Strahlung im Frequenzbereich von 100 GHz bis über 2 THz. Das Terahertz-Frequenz-Kamm-Spektrum besitzt eine Grundfrequenz f₁ und eine Serie von harmonischen Komponenten 2f₁, 3f₁.... nf₁..., die integrale Vielfache der „mode-locked” Fundamental-Frequenz sind.
Die von der PCS-Vorrichtung 211 emittierte Terahertz-Strahlung wird kollimiert und gesammelt durch eine Silzium-Linse 213, vorzugsweise eine halbkugelförmige Struktur mit annähernd einem Zentimeter im Durchmesser. Zusätzliche Linsen oder andere Elemente (repräsentiert allgemein als die angebrachte Einheit 212) bestehend aus Teflon, können stromabwärts gegenüber der Linse 213 plaziert sein, um die HF-Strahlen in den THz-Ausgangsimpulsen 214 zu kollimieren. Strahlformungspiegel können auch verwendet, und zwar anstelle oder zusätzlich zu der Silizium-Linse 213.
Das Ziel oder Objekt 215, das identifiziert werden soll, absorbiert und überträgt einige Strahlung und reflektiert auch einen Teil der Strahlung, zurück in Richtung der Quelle oder des Nutzers, wie dies durch den Rück-THz-Impuls 219 gezeigt ist. 1A zeigt ein Ausführungsbeispiel des Standes der Technik, welches die reflektierte Strahlung benutzt, während die 1B die übertragene oder transmittierte Strahlung verwendet.
Die Ausgangsgröße des ”geschalteten” bzw. ”geschobenen” des modengekoppelten Lasers (shifted mode-locked laser) 205 wird durch Strahl 216 repräsentiert, der zu einer Linse 217 geleitet wird, die den Strahl auf einen zehn Mikron-Punkt auf der Oberfläche eines PCS 218 fokussiert, wobei die Konstruktion ähnlich dem PCS 211 ist, ausgenommen, dass die Spiralarme in entgegen gesetzter Richtung verlaufen, was als ein Detektor wirkt. Auf der Empfangsseite werden das Rücklaufsignal bzw. das Rücksignal 219 und der Strahl 216 in dem LTG GaAs PCS-Detektor 218 kombiniert, um ein heterodynes Signal zu ergeben. Dies kann als eine augenblickliche multispektrale heterodyne Herabumwandlung des Rücksignals beschrieben werden. Diese Frequenzdifferenz ändert sich von einem Minimum von 2,5 KHz auf ein Maximum von N-mal 2,5 KHz, wobei N die Anzahl der gekoppelten bzw. verriegelten Moden ist; typischerweise kann sich der Wert von N von N = 1000 bis N = 20000 erstrecken. Infolge der extremen breiten optischen Bandbreiten des Laser-Verstärkungsmediums ist es nicht ungewöhnlich, das modengekoppelte Laser hunderte von gekoppelten Moden zu haben, die mehr als 1000 GHz überspannen. Es ist daher möglich, Intensitätsmodulationssignale über diesen weiten Bereich von Frequenzen hinweg zu erzeugen, und zwar gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren. Die elektrische Ausgangsgröße des LTG GaAs-Detektors 218 liegt in der Form eines elektronischen HF-Signals vor, welches im Falle eines Spektrometers, und zwar in dem allgemein mit 221 bezeichneten Block 221 in der Einheit 200 verarbeitet wird, um die Daten zu analysieren und dadurch das Objekt oder eine zusammensetzungsmäßige Eigenschaft desselben zu identifizieren, wie beispielsweise die Identität der chemischen Verbindungen oder Materialstrukturen, die in dem Ziel oder Objekt enthalten sind.
Im Ausführungsbeispiel der 1B sind die Komponenten die gleichen, wie beim Ausführungsbeispiel gemäß 1A, so dass die obige Beschreibung für die Komponenten der 1A nicht wiederholt werden müssen. In dem 1B-Ausführungsbeispiel ist die Anordnung des Detektors PCS 230 derart konfiguriert, dass dieser auf der anderen Seite der Probe 215 angeordnet ist, so dass die Terahertz-Strahlung 214 durch die Probe 215 übertragen bzw. transmittiert wird, bevor sie durch den Detektor PCS 230 empfangen wird. Ein anderer Unterschied des PCS-Detektors besteht darin, dass die Richtung der Spiralarme des PCS 230 in der gleichen Richtung, wie des PCS 211 ausgerichtet sind.
Das duale Lasermodul und das Spektrometer der vorliegenden Erfindung sind in dem Blockdiagramm der 2 bzw. 3 dargestellt. Die Schlüsselkomponente des kohärenten Frequenz-Domänen-THz-Spektrometers, vorgesehen durch die Erfindung, ist ein hochintegriertes Dual-GHalbleiter-Lasermodul 100.
Das in 3 gezeigte Spektrometer kann Reflexion oder Transmission bzw. Übertragungen durch Ziel oder Probe verwenden, und zwar durch die geeignete Anordnung des Quellenkopfes 301 und des Detektorkopfes 402 und es können ferner ein Prozessor und andere elektronische Einrichtungen vorgesehen sein, und zwar zur Bestimmung der Identität oder Zusammensetzung des Ziels und/oder zum Ausdrucken oder Anzeigen der Ergebnisse, so dass die Information ohne weiteres für den Benutzer lesbar ist.
2 zeigt ein Gehäuse 100, welches die optischen Komponenten enthält und geeignet ist zum Einbau als eine Sub-Anordnung in dem Spektrometer der 3. Die Laser 105 und 106 sind vorzugsweise zwei 783 nm verteilte Rückkopplungs-(DFB = distributed feedback)- oder verteilte Bragg Reflektor-(DBR = distributed Bragg reflector)-Laser mit Einzel-Longitudinal-Moden und Einzel-Raum-Moden-Betrieb über den erwünschten Bereich von Wellenlängen und sie sind verfügbar von verschiedenen Verkäufern (beispielsweise Eagleyard Photonics GmbH, Berlin, Deutschland). Gemäß der Erfindung wäre es auch möglich einen oder mehrere, einen Außenhohlraum abstimmbare Halbleiterlaser zu verwenden, wie beispielsweise von der Emcore Corporation. Es sei ferner bemerkt, dass zwei oder mehr DFB oder DBR Laser auf einem gemeinsamen Halbleiter-Substrat hergestellt werden könnten, wobei ein Halbleiter-Wellenleiter-Kombinierelement zur Erzeugung einer einzigen optischen Ausgangsgröße, die beide Laserfrequenzen enthält. Das optische Spektrum der Ausgangsgröße der Laser 105, 106 ist in 4 gezeigt, welches die Dualfrequenzausgangsgröße dieser Schmallinienbreiten-Laser zeigt. In diesem speziellen Ausführungsbeispiel wird die Ausgangsgröße eines der Laser auf 783 nm eingestellt und die Ausgangsgröße des anderen Lasers liegt bei 784 nm. Die Schlüsselaspekte der vorliegenden Erfindung bestehen darin eine geeignete Dioden-Laser-Packung vorzusehen, einschließlich der Co-Collimation der Laserstrahlen in einem sehr hohen Ausmaße der Genauigkeit, ferner ist eine sehr genaue Frequenzsteuerung der Laser erforderlich und die Überwachung der Laserausgangsgröße durch Digitalsignalverarbeitung um eine genauere Steuerung über die Laserausgangsstrahlfrequenzen zu erreichen und ferner um eine Auflösung von weniger als 250 MHz mit einem Terahertz-Spektrometer zu erreichen.
In einem Ausführungsbeispiel sind die Laser-Dioden-Chips 105 und 106 auf unabhängigen thermoelektrischen Peltier-Kühlern (TECs) 103 und 104 angebracht. Die Center- oder Mitten-Wellenlängen der Laser sind nominell 784 nm bei 25°C aber die Wellenlängen können temperaturabgestimmt werden mit einem Abstimm-Koeffizienten von annähernd 0,1 nm pro °C. Daher wird ein Betriebstemperaturbereich von 10C bis 40C einen Frequenzbereich von annähernd 5 nm ergeben. Nur für die Zwecke der Veranschaulichung sei erwähnt, dass dann, wenn die DFB Laser derart ausgewählt sind, das ihre Mitten- bzw. Mittelwellenlängen bei 25C auf 782 nm bzw. 284 nm liegen, so kann ein thermischer Abstimmbereich von –10C bis +40C an jedem Laser-Chip die Erzeugung von Versatzwellenlängen 0 nm bis annähernd 7 nm gestatten, und zwar entsprechend einem Bereich von ”Offest”- bzw. Versatzfrequenzen von 0 Hz bis 3,4 THz. Die thermische Masse auf der gesteuerten Oberfläche der TECs wird auf einem Minimum gehalten, was eine schnelle Frequenzabstimmung gestattet. Im Falle von DBR Laser-Dioden-Chips, kann der Bragg-Reflektionsabschnitt jedes Lasers elektronisch eingestellt werden, um die Laser-Frequenz zu variieren oder zu verändern. Größere Versatz(offest)- oder Verschiebefrequenzbereiche können möglich sein durch Verwendung weiterer Temperaturausweitungen oder Abweichungen oder durch Verwendung von DBR Lasern. Die Ausgangsgröße von jedem Laser wird mit einer asphärischen Linse kollimiert, die auf einer Präzisionslinsenhalterung angebracht ist, und zwar mit Sub-Mikron-Einstellfähigkeit (vergleiche beispielsweise U.S. Patent 7,126,078 ). Die Laser-Ausgangsgrößen werden durch optische Isolatoren geleitet, um die Rückkopplung in die Laser zu verhindern. Ein 50/50 Strahlenteiler BS1 ist im Format der Ausgangsstrahlen 107 und 108 angeordnet und wird verwendet zum co-kollimieren der zwei Strahlen in zusammengesetzte primäre und sekundäre Strahlen 109 und 116, die unter rechten Winkeln zueinander verlaufen. Die Linsen und der Strahlungsteiler BS1 werden sorgfältig derart eingestellt, dass die Strahlüberlappung optimiert wird und zwar zur Erzeugung von Photomischprodukten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Ausgangsstrahl 109 längs eines ersten Pfades geleitet, um mit einem zweiten Strahl BS2 gekoppelt zu werden und der zweite Strahl 116 wird längs eines Pfades geleitet und mit einem dritten Strahlteiler gekoppelt. Der optische Fortpflanzungspfad stromabwärts von den Lasern und durch die gesamte Einheit 100 hindurch kann entweder ein freier Raum sein oder eine geeignete einzel-Mode-Polarisationsbeibehaltende optische Faser (PMF = polarizaiton-maintaining optical fiber). Im Falle der optischen Faser-Konstruktion würden die Strahlteiler mit geeigneten optischen Wellenleiter-Kopplern ausgetauscht. Die grundsätzliche Topologie ist in 2 und 3 gezeigt unter Verwendung der optischen Freiraum-Implementierung um die verschiedenen optischen Pfade leichter darzustellen.
Der zweite Strahlteiler BS2 erzeugt auch primäre 111 und sekundäre 113 Strahlen, die rechtwinklig zueinander laufen. Der sekundäre Strahl 113 wird an ein Filter 114 angelegt und sodann an eine erste Diode 115. Die Ausgangsgröße der Photodiode 115 wird dazu verwendet um die Leistung des zusammengesetzten Strahls 109 zu tasten und zu messen, was im Folgenden beschrieben wird.
Der dritte Strahlteiler BS3 erzeugt auch einen primären und eine sekundären Strahl die unter rechten Winkeln zueinander verlaufen. Der primäre Strahl 117 wird an eine zweite Photodiode 120 angelegt. Die Ausgangsgröße der Photodiode 120 wird verwendet zum Tasten und Messen der Leistung des zusammengesetzten Strahls 116, was im Folgenden beschrieben wird. Der sekundäre Strahle 118 wird zu einem Fenster 119 im Modul 110 geleitet.
3 ist ein außerordentlich vereinfachtes Blockdiagramm, welches veranschaulicht, wie die Integration des Dual-Laser-Moduls 100 in ein Spektrometer erfolgt. Insbesondere zeigt die Figur eine erste Stromquelle 401, die mit dem Laser 105 gekoppelt ist, um diesen zu betreiben und zu modelieren, und zwar mit einem Nieder-Frequenz-Ton 416 kHz, und eine zweite Stromquelle 402, die mit dem Laser 106 gekoppelt ist, moduliert diesen mit einem zweiten Niederfrequenz-Ton von 430 kHz. Die Verwendung solcher Töne in Verbindung mit dem zusammengesetzten optischen Signal wird im Folgenden diskutiert. Andere Tonfrequenzen können nach Zweckmäßigkeit ausgewählt werden.
Ein Reflektorelement 403 im Pfad des sekundären Strahls 118 ist ebenfalls dargestellt und auch der Quellenkopf 301 und der Detektorkopf 302.
Der Ausgangsstahl 111 des zweiten Strahlteilers BS2 tritt aus dem Gehäuse 100 durch das Fenster 112 aus. Dieser ”Primär-Strahl” 111 wird an ein Fenster 303 in dem entsprechenden positionierten Quellenkopf 301 angelegt und so dann an eine Linse 304 im Quellenkopf 301, der den Strahl auf einen Punkt fokussiert und zwar von annähernd zehn Mikron Durchmesser auf der Oberfläche eines PCS 305. Das optische Frequenzsignal, geleitet auf die Oberfläche der PCS Halbleitervorrichtung, erzeugt Terahertz-Strahlung von dem PCS 305 im Frequenzbereich 100 GHz bis über 2 THz entsprechend der Versatz- oder Offset-Frequenz zwischen den Lasern 105 und 106.
Die von der PCS Vorrichtung 305 emittierte Terahertz-Strahlung wird kollimiert und gesammelt und zwar durch eine Siliziumlinse 306 angebracht an dem Quellenkopf 301. Die Linse 306 ist vorzugsweise eine halbkugelförmig geformte Struktur von annähernd einen Zentimeter im Durchmesser. Zusätzli che (nicht gezeigte) Linsen hergestellt aus Teflon können stromabwärts bezüglich der Linse 306 angeordnet sein, um die HF Strahlen in den Ausgangs-THz-Strahl zu kollimieren. Strahlformungs-Spiegel können ebenfalls anstelle oder zusätzlich zu der Silikon- oder Silizium-Linse verwendet werden.
Das Target oder Ziel oder das Objekt, welches identifiziert werden soll, wird eine gewisse Menge an Strahlung absorbieren und übertragen und auch einen Teil der Strahlung zurück in der Richtung der Quelle oder des Benutzers reflektieren und zwar in der Art und Weise wie dies durch den Rücklauf THz Strahl zum Detektor in den 1A und 1B gezeigt ist.
Wie oben bemerkt ist der zweite Strahl 116 mit einem dritten Strahlenteiler BS3 gekoppelt. Der sekundäre Strahl 118 vom Strahlteiler BS3 tritt aus dem Modul 100 durch ein Fenster 119 aus, und wird darauf folgend zu dem Detektorkopf 202 geleitet. Der zweite Strahl 118 wird an ein Fenster 307 im Detektorkopf 302 angelegt und sodann an eine Linse 308, die den Strahl in einen Punkt von annähernd zehn Mikron im Durchmesser auf der Oberfläche eines PCS 309 fokussiert. Die Silizium-Linse 310 sammelt die übertragene oder reflektierte Strahlung von dem Ziel, die sodann durch die PCS 309 in der gleichen Art und Weise detektiert wird, wie dies für die 1A und 1B dargestellt ist, und sodann erfolgt die Verarbeitung durch den Prozessor 405 der mit dem PCS 309 gekoppelt ist.
Ein Tera-Hertz-Frequenz-Domänen-Spektrometer ist implementiert und zwar unter Verwendung von zwei ErAs:GaAs PCS's in einer außerordentlich kompakten Konfiguration unter Verwendung von ausschließlich Festkörperkomponenten und keinen beweglichen Teilen. Das System verwendet eine Einzelpackungs-Integration von zwei 783 nm DFB Laser-Dioden mit einem hochauflösenden Wellenlängen-Diskriminator. Digitale Signalverarbeitungselektronik-Schaltungen liefern eine präzise Frequenzsteuerung und ergeben annähernd 200 MHz Genauigkeit der THz Signalfrequenz. Ein kontinuierliches Frequenzüberstreichen wurde mit besser als 500 MHz Auflösung von 100 GZz bis 1,85 THz demonstriert. Die kohärente Detektionsempfindlichkeit ist in gu ter Übereinstimmung mit vorausgegangenen theoretischen Vorhersagen und ergibt ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis von 90 dB/Hz bei 100 GHz und 60 dB/Hz bei 1 THz durch eine Bahn- oder Pfadlänge in Luft von einem Fuß. Die Spektrometer-Frequenz-Auflösung und der dynamische Bereich sind geeignet für Anwendungen, die die Analyse und chemischen, biologischen und explosiven Materialien in der festen Phase und der Gas-Phase atomsphärischen Druck involvieren.
Einen weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzusehen und zwar zur Bestimmung der entsprechenden Wellenlänge der Laser in einem Komposit-Laserstrahl (einem zusammengesetzten Laserstrahl), der zwei optische Strahlquellen mit unterschiedlichen Frequenzen aufweist. Eine Bestimmung der Wellenlänge von jeder Quelle 105 und 106 in dem Primär-Strahl emittiert von dem Laser-Modul 100 ist ein Beispiel einer Anwendung dieses Verfahrens, da die Spektroskopie-Anwendungen ins Auge gefasst durch die vorliegende Erfindung solche Genauigkeit erfordern.
Die elektrische Ausgangsgröße der Photodioden 115 und 120 würde ein Komposit sein, oder eine Zusammensetzung eines DC, d. h. Gleichstromsignals (welches die cw Laser-Ausgangsgröße repräsentiert) zusammen mit einem kleinen AC-(Wechselstrom)-Signal (welches den Niederfrequenz-Identifikationston repräsentiert) überlagert auf dem DC Signal. Da das zusammengesetzte Signal (Kompositsignal) aus zwei modulierten DC Signalen zusammengesetzt ist, d. h. eines von jedem der modulierten Laser 105 und 106, besteht das Ziel der an das Komposit-Signal angelegten Signalverarbeitung darin, die ursprünglichen zwei Modulationssignale wiederzugewinnen und präzise ihre relativen Amplituden zu messen. Digitale Filterverfahren können verwendet werden um die zwei Signale zu trennen, da die Modulationstöne unterschiedlich sind und unterscheidbare Frequenzen besitzen.
Insbesondere sei bemerkt, dass das Verfahren vorzugsweise erfindungsgemäß dadurch implementiert wird, dass ein erster Niederfrequenzton an den ersten Laser 105 angelegt und ein zweiter Niederfrequenzton unterschiedlich vom ersten Ton an den zweiten Laser 106.
Wie oben in Verbindung mit den 2 und 3 beschrieben, wird so dann ein Strahlteiler in dem Pfad der zusammengesetzten Strahlen 109 und 116 angeordnet um erste und zweite zusammengesetzt optische Strahlen 113 und 117 zu erzeugen. Die modulierten zusammengesetzten oder Komposit-Strahlen würden ein Spektrum in 5 dargestellt, besitzen.
Eine erste Photodiode 115 ist in dem Pfad des ersten zusammengesetzten Strahls 113 positioniert und eine zweite Photodiode 120 ist in dem Pfad des zweiten zusammengesetzten Strahls 117 positioniert. Die Photodioden sind derart angeordnet oder sind geeignet unterschiedliche bekannte Ansprechgrößen zu besitzen und zwar gegenüber verschiedenen optischen Frequenzen. Eine einfache Möglichkeit zur Implementierung dieser Anordnung besteht darin zwei identische Photodioden zu verwenden und zwar mit einem Mulit-Schicht-Dünnfilm optischen Filter 114 angeordnet vor der einen Diode (beispielsweise der Photodiode 115).
6 ist eine Veranschaulichung des Filterspektralprofils, welches bei der Bestimmung der entsprechenden Wellenlänge von zwei unterschiedlichen Lasern verwendet werden kann und zwar aus einem zusammengesetzten Strahl implementiert in dem integralen Modul gemäß der Erfindung. In dieser Figur ist die Leistung an den Photodioden 115 und 120 grafisch als eine Funktion der Wellenlänge dargestellt. Die zwei Laser-Frequenzen sind, durch einzigartige Niederfrequenztöne von 416 kHz und 430 kHz moduliert und sind positioniert auf dem Graph.
Ein wichtiger Aspekt der Photomisch-Spektroskopie ist die Frequenz-Meteorologie. Um Laser-Frquenzen zu messen werden, 20% des Primärstrahls durch ein optisches Filter 114 gekoppelt, das ein vorbestimmtes Wellenlängenprofil besitzt, und fallen sodann auf eine Photodiode 115. Die gleiche Leistungsmenge wird aus dem zweiten Strahl 116 ausgekoppelt und fällt auf eine nicht-gefilterte Photodiode 120. Da die zwei DFB Laser 105, 106 strom-moduliert mit recht unterschiedlichen Frequenzen sind, ist es möglich ihre individuellen Leistungspegel an den gefilterten (115) und nicht-gefilterten (120) Photodioden mit einem einfachen frequenz-empfindlichen Detektionsverfahren zu unterscheiden. Durch thermische Stabilisierung des optischen Filters mit einem gesonderten TEC, kann eine Absolut-Frequenz-Stabilität von besser als 100 MHz erreicht werden. Nach einer anfänglichen Eichung zeigt ein Vergleich der relativen Amplituden der Laser an diesen zwei Photodioden genau die entsprechenden Wellenlängen auf innerhalb (eine Genauigkeit) ungefähr 100 MHz an. Nach der Photomischung übersetzt sich diese Messung in eine THz Frequenzgenauigkeit von ungefähr 200 MHz. Um die spektrale Reinheit des Systems zu messen wurden die Laser in ihrer optischen Frequenz um 10 GHz versetzt (Offset; verschoben), gemessen an einem Burleigh WA-1500 Wellenmesser und sodann erfolgt die Fokussierung auf eine Hochgeschwindigkeits-Photodiode. Die Ausgangsgröße wurde auf einem HF Spektral-Analysator aufgezeichnet. Die FWHM Linienbreite des Photomischsignals liegt unter 20 MHz begrenzt durch die augenblicklichen Linienbreiten der DFB Laser.
Zusätzlich wird erfindungsgemäß das Quellen-PCS elektronisch abgeschnitten (chopped) und zwar bei einer Basisbandfrequenz im Bereich von Gleichstrom bis mehreren MHz unter Verwendung eines Differentialsignals mit der Amplitude von +Vchop bis –Vchop. Das Abschneiden oder Choppen wird typischerweise in Verbindung mit der kohärenten homodynen Detektion verwendet, wie dies oben beschrieben wurde, so dass ein ”Lock-In”- oder Verriegelungsverstärker abgestimmt auf die Abschneide- oder Chopping-Frequenz verwendet werden kann, um die Detektionsrauschbandbreite zu begrenzen. Bei bekannten optischen Abschneide- oder Chopp-Verfahren wird der das PCS beleuchtende optische Strahl mit einem segmentierten Schaufel-Chopper oder Flügelabschneider abgeschnitten, wie dies im Stand der Technik bekannt ist. Da die erzeugte THz Spannung proportional zur einfallenden Laser-Leistung mal der Vorspannung angelegt an die PCS Anschlüsse ist, erzeugt das elektronische Abschneiden oder Choppen mit einem Differential signal zweimal die Spitzen-THz-Spannungamplitude vom PCS, was zu einem Faktor 4 der Verbesserung hinsichtlich der erzeugten THz Signalleistung führt und zwar für einen gegebenen Pegel an optischer Beleuchtung verglichen mit dem optischen Abschneiden. Dies führt zu einer typischen 6 dB Verbesserung beim Signal-zu-Rausch-Verhältnis der vorliegenden Erfindung verglichen mit der kohärenten Detektion mit optischen Abschneiden.
7 veranschaulicht die Effizienz des Spektrometers der vorliegenden Erfindung durch Darstellung einer 1700 GHz Abtastung von atmosphärischen Wasserdampf (grafische Darstellung I) und eine ähnliche Abtastung einer soliden oder massiven Obstruktion oder Sperre (grafische Darstellung II). Die Testbedingungen waren eine Ein-Fuß-Pfadlänge, eine Ein-GHz-Auflösung und eine Ein-Sekunden-Zeitkonstante. Der vergrößerte Einsatz stellt eine Hochauflösungsabtastung gemäß der Erfindung dar, wobei höhere Auflösungsmessungen der Übergänge gezeigt sind, als die die in der niedrigen Auflösungsabtastung erschienen.
Zusammengefasst kann Folgendes gesagt werden. Die vorliegende Erfindung sieht ein kompaktes Frequenz-Domainen-Terehertz-Kohärenz-Spektrometer vor, und zwar mit kontinuierlicher Abstimmung von 100 GHz bis über 2 THz. Die Konstruktion verwendet hochkompakte photonische Integrationstechniken, elektronsiches Differenz- oder Differentialabhacken (chopping) und kohärente THz Detektion bei Raumtemperatur. Es wird davon ausgegangen, dass das Spektrometer für die schnelle Identifikation von chemischen, biologischen und explosiven Materialien geeignet ist und zwar Materialien in fester oder solider Phase oder in Gasform und zwar bei atmosphärischem Standard-Druck. Die hochintegrierte photonische Anordnung, die Halbleiterdioden-Laser verwendet, verwendet keine beweglichen Teile und ist von Natur aus robust und gut geeignet für Anwendungen im Feld oder im Freien. Auch sieht das kohärente (homodyne) Detektionsverfahren exzellente SNR (Signal-zu-Rausch-Verhältnis) vor und zwar in Übereinstimmung mit der Theorie mit wesentlich schnelleren Datenerfassungszeiten und keinem kryogenen Kühlen wie dies erforderlich ist bei mit flüssigem Helium arbeitenden Bolometern in üblicheren (inkohärenten) THz Photomisch-Spektrometern.
Verschiedene Modifikationen und Verbesserungen der Erfindung ergeben sich für den Fachmann des Standes der Technik. Die spezielle Kombination von Teilen wie sie hier beschrieben wurden und veranschaulicht wurde, soll nur gewisse Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigen und dient nicht dazu Einschränkungen hinsichtlich alternativer Vorrichtungen im Rahmen der Erfindung abzugeben.
Verschiedene Aspekte der Techniken und der Signalverarbeitungsvorrichtung der Erfindung können implementiert werden in einer Digitalschaltung oder in Computer-Hardware, Firmware, Software oder in Kombinationen daraus. Die Schaltungen der Erfindung können in Computerprodukten implementiert werden, die greifbar in einer maschinenlesbaren Speichervorrichtung verkörpert sind, und zwar zur Ausführung durch eine programmierbare Prozessorvorrichtung oder aber die Software kann an einen Netzwerkknoten oder an einer Website vorgesehen sein, die automatisch oder auf Anforderung herabgeladen werden kann. Die oben stehenden Techniken können beispielsweise mittels eines einzigen Zentralprozessors oder eines Multiprozessors ausgeführt werden mit einem oder mehreren digitalen Signalprozessoren, Gate-Anordnungen von Logik-Gates und Hardwire-Logikschaltungen zum Ausführen einer Sequenz von Signalen oder Programmbefehlen zur Durchführung der Funktionen der Erfindung durch Verarbeiten der Eingangsdaten und Erzeugung der Ausgangsgröße. Die Verfahren können vorteilhaft in einem oder mehreren Computerprogramm implementiert werden und ausführbar sein auf einem programmierbaren System, einschließlich mindestens einem programmierbaren Prozessor gekoppelt zum Datenempfang und zum Empfang von Befehlen und zur Übertragung von Daten und Befehlen zu einem Datenspeichersystem und mindestens einer Ein/Ausgabevorrrichtung, sowie mindestens einer Ausgabevorrichtung. Jedes Computerprogramm kann in einem ”high-level” Verfahren oder objektorientierter Programmiersprache ausgeführt sein oder in einer Anordnung oder in einer Maschinensprache wenn gewünscht. In jedem Fall kann die Sprache zusammengefasst sein oder eine interpretierte Sprache sein. Geeignete Prozessoren umfassen beispielsweise wohl allgemeine als auch spezielle Mikroprozessoren. Im Allgemeinen empfängt ein Prozessor Befehle und Daten von einem read-only memory und/oder einem random access memory. Speichervorrichtungen geeignet zur Verkörperung von Computerprogrammbefehlen und Daten umfassen sämtliche Formen von nicht-flüchtigen Speichern einschließlich beispielsweise wie beispielsweise EPROM, EEPROM und Flash-Speichervorrichtung, Magnetplatten wie beispielsweise harte Hard-Disks und entfernbare Disks, magnetoptische Disks und CD-ROM Disks. Alles vorstehende kann ergänzt werden oder inkorporiert sein in speziell konstruierten anwenderspezifischen integrierten Schaltungen (ASICS).
Es ist klar, dass jedes der oben beschriebenen Elemente oder zwei oder mehr zusammen eine sichere Anwendung in anderen Konstruktionen finden kann, die sich von den obigen unterscheiden.
Obwohl die Erfindung veranschaulichend beschrieben wurde für Terehertz-Transceiver oder Spektrometersysteme, erfolgt keine Einschränkung auf die gezeigten Details der verschiedenen Modifikationen und strukturelle Änderungen.
Ohne weitere Analyse enthüllt die vorstehende Beschreibung die Erfindung sowie deren Ziel, wobei die Anwendung bekannten Wissens verschiedene Anwendungen ermöglicht werden, und zwar ohne Weglassen von Merkmalen die vom Standpunkt des Standes der Technik aus essentielle Charakteristika der allgemeinen oder spezifischen Aspekte der Erfindung bilden und daher sollen derartige Adaptionen vom Rahmen der Erfindung sowie den folgenden Ansprüchen umfasst sein.

1A

200: Gehäuse
201: Kristalloszillator
202: Aufwärtswandler A
203: Aufwärtswandler B
204: Laser
205: Laser
206: Wellengekoppelter Laser
207: Strahlenteiler
209: optischer Verstärker
208: Ausgangsgröße
210: Linse
211: PCS-Vorrichtung
212: angebrachte Einheit
213: Silizium-Linse
214: THz-Impuls
215: Objekt
216: Strahl
217: Linse
218: PCS-Detektor
219: THz-Rück-Impuls; Rücksignal
220
221: multispektrales heterodynes Detektionssystem (200 MHz = 1 GHz)

1B

200: Gehäuse
201: Kristalloszillator
202: Aufwärtswandler A
203: Aufwärtswandler B
204: Laser
205: Laser
206: Wellengekoppelter Laser
207: Strahlenteiler
208: Ausgangsgröße
209: optischer Verstärker
210: Linse
211: PCS-Vorrichtung
212: angebrachte Einheit
213: Silizium-Linse
214: THz-Impuls
215: Objekt
216: Strahl
217: Linse
218: PCS PCS-Detektor
219: THz-Rück-Impuls; Rücksignal
220
221: multispektrales heterodynes Detektionssystem (200 MHz = 1 GHz)
230: PCS-Detektor

2

100: Gehäuse
101
102
103: thermoelektrischer Peltier-Kühler
104: thermoelektrischer Peltier-Kühler
105: Laser-Dioden-Chips
106: Laser-Dioden-Chips
107: Ausgangsstrahl
108: Ausgangsstrahl
109: Ausgangsstrahl
111: primärer Strahl
112: Fenster
113: sekundärer Strahl
114: Filter
115: gefilterte Photodiode
116: nicht-gefilterte Photodiode
118: sekundärer Strahl
119: Fenster
120: Photodiode
: Dual DFB Unit = duale DFB-Einheit
: primärer Strahl
: zweiter Strahl
: Isolatoren
: Linse

3

118: Sekundärstrahl
Primary Beam: Primärstrahl
Secondary Beam: Sekundärstrahl
Isolators: Isolatoren
Lens: Linse
Processor: Prozessor
Filter: Filter

4

: Wellenlänge
: Leistung

5

: Leistung
: Wellenlänge

6

416: Laser # 1 mit kHz Modulation
430: Laser # 2 mit kHz Modulation
: Leistung
: Wellenlänge

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 7291835 [0010]
- US 6348583 [0012]
- US 7126078 [0047]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Peter H. Siegel in IEEE Transactions an Microwave Theory and Techniques, Band 50, Nr. 3 915–917 (März 2002) [0006]
- B. B. Hu und d M. C. Nuss, „imaging with terahertz waves”, Opt. Lett. Band 20, Nr. 16, Seiten 1716–1718, 15. August 1995 [0006]
- D. M. Mittleman, R. H. Jacobsen und M. C. Nuss”, „T-ray imaging”, IEEE J. Select Topics Quantum Electron, Band 2, Seiten 679–692, September 1996 [0006]
- D. D. Arnone und andere, „Applications of Terahertz (THz) Technology to medical imaging”, in Proc. SPIE Terahertz Spectroskopy Applicat. II, Band 3823, München, Deutschland 1999, Seiten 209–219 [0006]
- D. Arnone, C. Ciesla, und M. Pepper, „Terahertz imaging comes into view”, Phys. World, Seiten 35–40, April 2000 [0006]
- S. Hunsche und M. C. Nuss, „Terahertz „T-ray” tomography” in Proc. SPIE Int. Millimeter Submillitmert Waves Applicat.. IV. Conf., San Diego, CA, Juli 1998, Seiten 426–433 [0008]
- Z. Jiang und X.-C. Zhang, ”Terahertz imaging via electronic effect”, IEEE Trans. Microwave Theory Techn., Band 47, Seiten 2644–2650, Dezember 1999 [0008]
- Q. Wu, T. D. Hewitt und X.-C. Zhang, Two-dimensional electro-optic imaging of THz beams”, Appl. Phys. Lett. Band 69, Nr. 8, Seiten 1026–1028, 19. August 1996 [0008]
- D. M. Mittleman, R. H. Jacobsen und M. C. Nuss, „T-ray imaging”, IEEE J. Select. Topics Quantum Electron, Band 2, Seiten 679–692, September 1996 [0008]
- den Artikel von Verghese und anderen, „Generation and Detection of coherent terahertz waves using two photomixers,” Appl. Phys. Lett., Band 73, Nr. 26, Seiten 3824–3826, 28. Dezember 1998 [0010]

Claims

Ein Laser-Modul, das Folgendes aufweist: ein Gehäuse; eine erste Laser-Anordnung angeordnet in dem Gehäuse einschließlich eines ersten Lasers zur Erzeugung eines ersten Laser-Strahls; eine zweite Laser-Anordnung angeordnet in dem Gehäuse einschließlich eines zweiten Lasers zur Erzeugung eines zweiten Laser-Strahls; einen Strahlenteiler angeordnet in dem Gehäuse in dem Pfad der ersten und zweiten Strahlen zur Kombination der Strahlen in dritte und vierte optische Strahlen; einen Strahlenteiler angeordnet in dem Gehäuse in dem Pfad des dritten Strahls und einen fünften und sechsten Strahl erzeugend; und ein erstes Fenster im Gehäuse im Pfad des fünften Strahls, um zu gestatten, dass der fünfte Strahl das Gehäuse verlässt.
Ein Laser-Modul nach Anspruch 1, wobei die zweite Laser-Anordnung ferner eine Fokusier-Linse im Pfad des Ausgangsstrahls vom zweiten Laser aufweist und einen Isolator im Pfad des Ausgangsstrahls emittiert von der Linse.
Ein Laser-Modul nach Anspruch 2, wobei die erste Laser-Anordnung einen thermoelektrischen Kühler aufweist.
Ein Laser-Modul nach Anspruch 1, wobei ferner Folgendes vorgesehen ist: ein dritter Strahlenteiler, angeordnet in dem Gehäuse, in dem Pfad des vierten Strahls und funktionierend zur Aufspaltung des Strahls in siebte und achte Strahlen; und ein zweites Fenster im Gehäuse in dem Pfad des siebten Strahls zum Gestatten des Austritts des siebten Strahls aus dem Gehäuse.
Ein Laser-Modul nach Anspruch 1, wobei ferner Folgendes vorgesehen ist: ein Photodetektor-Modul, angeordnet in dem Gehäuse, und einen ersten Photodetektor im Pfad des sechsten Strahls aufweisend und einen zweiten Photodetektor im Pfad des achten Strahls aufweisend, und zwar zur Messung der entsprechenden Leistung der ersten und zweiten Laser-Strahlen.
Ein Laser-Modul nach Anspruch 6 (Übersetzer: 5), wobei ferner ein Wellenlängenfilter im Pfad des sechsten Strahls vorgesehen ist, und zwar vor dem ersten Photodetektor.
Ein Laser-Modul nach Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten Laser verteilte Rückkopplungs-Laser sind, die mit leicht unterschiedlichen Frequenzen moduliert sind.
Ein Laser-Modul nach Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten Strahlen orthogonal zueinander verlaufen.
Eine Vorrichtung zum Analysieren, Identifizieren oder Abbilden eines Ziels bzw. einer Probe, wobei Folgendes vorgesehen ist: ein integriertes Laser-Modul einschließlich erster und zweiter Laser zum Erzeugen eines zusammengesetzten Ausgangsstrahls (composite Ausgangsstrahls); eine Quelle von CW Signalen im Bereich von Frequenzen von 100 GHz bis über 2 THz einschließlich eines ersten photoleitenden Schalters aktiviert durch den zusammengesetzten optischen Strahl; Leitmittel, um zu bewirken, dass die Signale im wesentlichen gleichzeitig auf oder durch das Ziel fokussiert werden; und ein Detektor zum Erfassen der Spektralinformation reflektiert von dem Ziel und gekoppelt mit dem zusammengesetzten optischen Strahl zur Erzeugung eines elektrischen Signals repräsentativ für eines Charakteristika des Ziels.
Eine Vorrichtung nach Anspruch 10 (Übersetzer: 9), wobei der Detektor einen zweiten photoleitenden Schalter aufweist und zwar aktiviert durch den zusammengesetzten optischen Strahl.
Eine Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei ein Prozessor vorgesehen ist, der mit dem Detektor gekoppelt ist zum Analysieren des optisch elektrischen Signals und zur Bestimmung einer Charakteristik des Ziels basierend auf den Absorptions-Charakteristika des Ziels in dem 100 GHz bis über 2 THz Frequenzband.
Eine Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Laser DFB oder DBR Laser mit unterschiedlichen Frequenzen sind.
Eine Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Laser mit unterschiedlichen niederfrequenten Identifikationstönen moduliert sind.
Eine Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei ferner eine Temperatursteuervorrichtung mit jedem der Laser gekoppelt ist, um die Laser durch Temperatursteuerung abzustimmen, um Auflösung von weniger als 250 MHz zu erhalten.
Eine Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei das integrierte Laser-Modul ein Laser-Modul aufweist, welches Folgendes aufweist: ein Gehäuse; eine erste Laser-Anordnung angeordnet in dem Gehäuse einschließlich eines ersten Lasers zur Erzeugung eines ersten Laser-Strahls; eine zweite Laser-Anordnung angeordnet in dem Gehäuse einschließlich eines zweiten Lasers zur Erzeugung eines zweiten Laser-Strahls; einen Strahlenteiler angeordnet in dem Gehäuse in dem Pfad der ersten und zweiten Strahlen zur Kombination der Strahlen in dritte und vierte optische Strahlen; einen Strahlenteiler angeordnet in dem Gehäuse in dem Pfad des dritten Strahls und einen fünften und sechsten Strahl erzeugend; und ein erstes Fenster im Gehäuse im Pfad des fünften Strahls zum Gestatten, dass der fünfte Strahl das Gehäuse verlässt.
Ein Laser-Modul, welches Folgendes aufweist: eine erste Laser-Anordnung einschließlich eines ersten Lasers zur Erzeugung eines ersten Laser-Strahls; eine zweite Laser-Anordnung einschließlich eines zweiten Lasers zur Erzeugung eines zweiten Laser-Strahls; einen ersten Ton-Generator zum Anlegen eines ersten Niederfrequenztons an den ersten Laser; einen zweiten Ton-Generator zum Anlegen eines zweiten Niederfrequenztons unterschiedlich vom ersten Ton an einen zweiten Laser; einen Strahlkombinierer zum Kombinieren der Ausgangsgrößen der ersten und zweiten Laser; eine Strahlenteileranordnung angeordnet im Pfad des kombinierten Strahls zum Aufspalten der Strahlen in erste und zweite kombinierte optische Strahlen; erste und zweite Photodioden im Pfad der ersten bzw. der zweiten Strahlen und wobei jede Photodiode eine entsprechende Ausgangsgröße besitzt; und ein Prozessor zum Vergleichen der entsprechenden Ausgangsgrößen der ersten und zweiten Photodioden zum Berechnen der Wellenlänge der ersten und zweiten Laser.
Verfahren zur Bestimmung der entsprechenden Wellenlängen der Frequenzquellen in einem zusammengesetzten Mehrfachfrequenzoptischen Strahl, wobei Folgendes vorgesehen ist: Anlegen eines ersten Niederfrequenzton an den ersten Laser; Anlegen eines zweiten Niederfrequenztons unterschiedlich vom ersten Ton an den zweiten Laser; Kombinieren der Strahlen von den ersten und zweiten Lasern; Aufspalten des kombinierten Strahls in erste und zweite kombinierte optische Strahlen; Detektieren der Leistung des ersten Strahls unter Verwendung einer ersten Photodiode mit einem ersten spektralen Ansprechen; Detektieren der Leistung des zweiten Strahls unter Verwendung einer zweiten Photodiode mit einem zweiten spektralen Ansprechen; und Vergleichen der entsprechenden Ausgangsgrößen der ersten und zweiten Photodioden und Berechnen der Wellenlängen der ersten und zweiten Laser.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei ferner das Filtern von mindestens einem der ersten und zweiten Strahlen vorgesehen ist und zwar mit einem optischen Filter mit einem vorbestimmten Spektral ansprechen.