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Die
Erfindung betrifft einen Terahertz-Strahlungsempfänger. Derartige
Terahertz-Strahlungsempfänger
werden verwendet, um die Strahlungsleistung eines Terahertzstrahls
zu vermessen. Ein Terahertzstrahl ist ein räumlich begrenztes Strahlenbündel mit
einer Frequenz im Terahertz-Spektralgebiet. Dieses früher als
Ferninfrarot (FIR) bezeichnete Spektralgebiet befindet sich im elektromagnetischen Spektrum
zwischen den hochfrequenten Funkwellen und der Infrarotstrahlung.
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Das
Terahertz-Spektralgebiet steht an der Schwelle von rein akademischer
Forschung hin zu praktischen Anwendungen. Mit dem technologischen Fortschritt
der vergangenen Jahre entstand die Notwendigkeit, die Strahlungsleistung
von Terahertzstrahlen mit möglichst
hoher Genauigkeit zu bestimmen.
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Aufgrund
der deutlich höheren
Wellenlänge besitzt
Terahertzstrahlung eine deutlich geringere Energie pro Lichtquant
als sichtbares Licht. Konzepte aus dem sichtbaren Spektralbereich
sind daher in der Regel nicht auf Terahertz-Wellen übertragbar. Weil die Wellenlänge von
Terahertzstrahlung mehr als zwei Größenordnungen größer ist
als in der Optik, ist die entsprechende Photonenenergie kleiner
als die Bandlücke
von herkömmlichen
Photodioden. Eine direkte Messung der Strahlungsenergie eines Terahertzstrahls über den
Fotoeffekt scheidet damit aus und es werden in der Regel thermische
Detektoren zur Bestimmung der Strahlungsleistung eingesetzt.
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Bei
thermischen Detektoren für
Terahertzstrahlung ist allerdings die vollständige Strahlungsabsorption
ein Problem. Denn aufgrund der großen Wellenlänge der Terahertzstrahlung
ist einerseits die Eindringtiefe sehr groß und die absorbierenden Schichten
müssen
entsprechend dick sein. Das wirkt sich ungünstig auf die Empfindlichkeit
und die Zeitkonstante der Detektoren aus. Andererseits reflektieren
Schwarzschichten, wie zum Beispiel „gold black” mit zunehmender
Wellenlänge
immer stärker,
insbesondere wenn die Wellenlänge
größer als
die Partikelgröße der Schwarzschicht
ist.
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Aus
der
DE 10 2007
031 959 A1 ist eine Terahertz-Videokamera bekannt, die
eine Bolometermatrix aufweist, die nach dem transistion-edge-Prinzip
arbeitet. Diese Terahertz-Videokamera ist für ortsaufgelöste Messungen
geeignet, nicht aber für
hochpräzise
Einzelpunktmessungen.
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Aus
der
DE 10 2007
011 704 A1 ist eine Messvorrichtung für die Abbildung mit Terahertz-Strahlung
bekannt, die einen deformierbaren Spiegel aufweist, mittels dem
die Strahlung auf einen Detektor reflektiert wird. Auch diese Vorrichtung
ist für
ortsaufgelöste
Messungen geeignet, nicht aber für
hochpräzise
Einzelpunktmessungen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Strahlungsleistung eines
Terahertzstrahls mit besonders hoher Genauigkeit zu messen.
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Die
Erfindung löst
das Problem durch einen Terahertz-Strahlungsempfänger mit (a) einem ersten Terahertz-Detektor,
wobei ein Strahlengang bezüglich
eines auf den ersten Terahertz-Detektor auftreffenden ersten Teilstrahls
und eines reflektierten zweiten Teilstrahl in einer ersten Ebene
verläuft,
(b) einem zweiten Terahertz-Detektor, der so zum ersten Terahertz-Detektor
angeordnet ist, dass der vom ersten Terahertz-Detektor reflektierte
zweite Teilstrahl auf den zweiten Terahertz-Detektor trifft und
ein resultierender, vom zweiten Terahertz-Detektor reflektierter, dritter
Teilstrahl aus der ersten Ebene heraus verläuft, und (c) einem End-Element,
das so angeordnet ist, dass der dritte Teilstrahl auf das End-Element
fällt und
zumindest teilweise auf den zweiten Terahertz-Detektor zurückreflektiert
wird.
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Vorteilhaft
an dem erfindungsgemäßen Terahertz-Strahlungsempfänger, der
auch als Terahertz-Strahlungsempfänger oder Terahertz-Strahlleistungsmessgerät bezeichnet
werden kann, ist, dass der erste Terahertz-Detektor, der zweite
Terahertz-Detektor und das End-Element so angeordnet sind, dass
ein Terahertz-Lichtquant, das stets von allen der drei Elemente
reflektiert wird, vom End-Element wieder auf den zweiten Terahertz-Detektor
und von dort auf den ersten Terahertz-Detektor fällt und so mehrfach die Möglichkeit
hat, absorbiert zu werden. Das bedeutet, dass ein Terahertz-Lichtquant von
fünf Elementen
reflektiert werden muss, damit es den Terahertz-Strahlungsempfänger wieder
verlassen kann, nämlich
auf dem Hinweg am ersten und zweiten Terahertz-Detektor sowie am End-Element und auf
dem Rückweg
erneut am zweiten und am ersten Terahertz-Detektor. Die Wahrscheinlichkeit, dass
ein Terahertz-Lichtquant
fünfmal
reflektiert und nicht absorbiert wird, ist jedoch sehr klein, sodass
in guter Näherung
alle Terahertz-Lichtquanten absorbiert werden. Die Rückstreuverluste
können
damit unterhalb von 2% gehalten werden.
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Es
ist ein weiterer Vorteil, dass der Terahertz-Strahlungsempfänger so
aufgebaut werden kann, dass die Rückstreuverluste unabhängig von
einer etwaigen Polarisation des Terahertzstrahls sind.
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Der
Vorteil ist zudem der besonders einfache Aufbau des Terahertz-Detektors.
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Im
Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter einem Terahertz-Detektor
insbesondere jedes Bauteil verstanden, das einfallende Terahertz-Wellen
in eine messbare Größe, insbesondere eine
messbare elektrische Größe, umwandelt.
Unter dem End-Element wird insbesondere ein dritter Terahertz-Detektor oder aber
ein Spiegel verstanden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform ist
das reflektierende Element ein Spiegel. Der Spiegel kann beispielsweise
durch eine Metallschicht gebildet sein. Dadurch sind zwei Terahertz-Detektoren ausreichend,
was einen besonders einfachen Aufbau des Terahertz-Strahlungsempfängers bedingt.
Bei Terahertzstrahlen ist die Wellenlänge so groß, dass die Wellennatur der
Strahlung dominant ist. Das heißt,
dass die Strahlungsleistung – anders
als in optischen Strahlungsleistungsermittlungsvorrichtungen – deutlich
divergent ist und sich der Durchmesser des Strahls signifikant vergrößert. Die
Divergenz rührt
bei Terahertzwellen von der um Größenordnungen größeren Wellenlänge her,
die dazu führt,
dass die Beugung einen dominanten Einfluss hat. Anders als bei Strahlungsempfängern im
sichtbaren Bereich ist es daher kein Vorteil, besonders viele Detektoren hintereinander
anzuordnen, weil das zu sehr großen und stark rauschenden Strahlungsdetektoren
führen würde, wenn
ein im Vergleich zum sichtbaren Licht gleiches Verhältnis von
Strahldurchmesser und Wellenlänge
erreicht werden soll.
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Besonders
bevorzugt ist das reflektierende Element refokussierend, insbesondere
ein refokussierender Hohlspiegel. In anderen Worten ist das reflektierende
Element bezüglich
des auftreffenden Terahertzstrahls konkav. Vorteilhaft hieran ist,
dass dadurch der Terahertzstrahl, der vom zweiten Terahertz-Detektor reflektiert
wird, fokussiert wird, sodass der Strahlengang sich wieder verjüngt. Das
vermeidet Strahlungsverluste durch Überstrahlen des zweiten und
des ersten Terahertz-Detektors. Alternativ kann das refokussierende
Element auch ein weiterer, entsprechend gekrümmter Terahertz-Detektor sein. Durch
das refokussierende Element wird der Effekt der Beugung weitgehend
kompensiert und die Messgenauigkeit gesteigert.
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Bevorzugt
umfasst der Terahertz-Strahlungsempfänger eine Einfallöffnung,
wobei der erste Terahertz-Detektor bezüglich der Einfallöffnung so angeordnet
ist, dass der von der Einfallöffnung
zum ersten Terahertz-Detektor verlaufende erste Teilstrahl und der
zweite Teilstrahl einen Erstdetektor-Winkel von mindestens 75° einschließen. Besonders
günstig
ist, wenn der Erstdetektorwinkel im Wesentlichen 90° beträgt. Unter
dem Merkmal, dass der Winkel im Wesentlichen 90° beträgt, ist zu verstehen, dass
der Winkel in streng mathematischem Sinne 90° betragen kann, nicht aber muss.
Vielmehr sind kleinere Abweichungen, beispielsweise von bis zu 5°, möglich, da
diese zwar die Strahlungsabsorption bzw. die Polarisationsunabhängigkeit
des Terahertz-Strahlungsempfängers
negativ beeinflussen, diese Beeinflussung jedoch tolerabel ist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
sind der erste Terahertz-Detektor und der zweite Terahertz-Detektor
so angeordnet, dass der dritte Teilstrahl einen Zweitdetektor-Winkel
von mindestens 75° mit
der ersten Ebene bildet. Besonders bevorzugt beträgt der Zweitdetektor-Winkel
im Wesentlichen 90°,
wobei auch hier kleinere Abweichungen, zum Beispiel von bis zum
5°, tolerierbar
sind.
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Bevorzugt
besitzt der erste Terahertz-Detektor eine Erstdetektor-Hauptachse,
in der die Absorption von polarisierten Terahertzstrahlen maximal
ist. Der zweite Terahertz-Detektor besitzt eine Zweitdetektor-Hauptachse,
in der die Absorption von polarisierten Terahertzstrahlen maximal
ist, wobei der erste Terahertz-Detektor und der zweite Terahertz-Detektor
so angeordnet sind, dass ein polarisierter Terahertzstrahl, dessen
Polarisationsvektor parallel zur Erstdetektor-Hauptachse verläuft und
der vom ersten Terahertz-Detektor reflektiert wird, so auf dem zweiten
Terahertz-Detektor trifft, dass der Polarisationsvektor des reflektierten
Strahls mit der Zweitdetektor-Hauptachse einen Winkel von mindestens
75° einnimmt.
Besonders bevorzugt ist dieser Winkel im Wesentlichen 90°, was auch
hier bedeuten soll, dass 90° zwar
anzustreben, nicht aber zwingend erforderlich sind. Abweichungen
von beispielsweise 5° sind tolerierbar.
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In
anderen Worten sind der erste und der zweite Terahertz-Detektor
so angeordnet, dass sie ihre maximale polarisationsabhängige Empfindlichkeit
für senkrecht
zueinander stehende Terahertz-Wellenstrahlen haben. Für einen
polarisierten Terahertz-Wellenstrahl, für den die Empfindlichkeit des
ersten Terahertz-Detektors maximal ist, ist sie für den zweiten
Terahertz-Detektor minimal, und umgekehrt. Auf diese Weise lässt sich
die Strahlungsleistung eines Terahertzstrahls besonders genau ohne Kenntnis
seines Polarisationszustandes berechnen. In der Regel ist nämlich die
Polarisation des Terahertz-Wellenstrahls
unbekannt.
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Bevorzugt
umfasst der Terahertz-Strahlungsempfänger genau zwei Terahertz-Detektoren.
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Vorzugsweise
haben alle Terahertz-Detektoren die gleiche Spektralempfindlichkeit
und sind insbesondere baugleich. Auf diese Weise lässt sich
ein besonders genaues Messergebnis für die Strahlungsleistung erhalten.
Besonders geeignet sind pyroelektrische Detektoren.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform umfasst
der Terahertz-Strahlungsempfänger
eine elektrische Steuerung, die mit den Terahertz-Detektoren verbunden
und eingerichtet ist zum Durchführen
eines Verfahrens mit den Schritten eines Erfassens eines Erstdetektor-Signals
vom ersten Terahertz-Detektor, eines Erfassens eines Zweitdetektor-Signals
vom zweiten Terahertz-Detektor und eines Errechnens der Strahlungsleistung
des Terahertzstrahls aus dem gegebenenfalls um die Empfindlichkeit
korrigierten Erstdetektor-Signals und dem gegebenenfalls um die
Empfindlichkeit korrigierten Zweitdetektor-Signal.
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Während eines
Kalibriervorgangs werden Terahertzstrahlen unterschiedlicher Polarisationszustände mit
dem Terahertz-Strahlungsempfänger
vermessen. Aus den gewonnenen Messwerten kann beispielsweise ein
Kennfeld ermittelt und in der elektrischen Steuerung abgelegt werden.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand eines exemplarischen Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
perspektivische schematische Ansicht eines Strahlengangs eines erfindungsgemäßen Terahertz-Strahlungsempfängers,
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2a einen
ersten Schnitt durch den Terahertz-Strahlungsempfänger gemäß 1,
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2b einen
zweiten Schnitt durch den Terahertz-Strahlungsempfänger gemäß 1 und
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3 einen
entfalteten Strahlengang.
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1 zeigt
einen Terahertz-Strahlungsempfänger 10 mit
einem schematisch eingezeichneten ersten Terahertz-Detektor 12,
einem zweiten Terahertz-Detektor 14 und
einen End-Element 16. Der erste Terahertz-Detektor 12 ist
so angeordnet, dass ein Terahertzstrahl 18, der durch eine
Einfallöffnung 20 in
den Terahertz-Strahlungsempfänger 10 einfällt, zunächst auf
den ersten Terahertz-Detektor 12 trifft. Die Terahertz-Detektoren 12, 14 haben
plane Oberflächen,
die unter 45° zum
jeweils einfallenden Terahertzstrahl stehen.
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Der
Terahertzstrahl 18 wird zwischen Einfallöffnung 20 und
den ersten Terahertz-Detektor 12 als erster Teilstrahl 22 bezeichnet.
Der erste Teilstrahl 22 wird vom ersten Terahertz-Detektor 12 zum
größten Teil
absorbiert, der nicht transmittierte verbleibende Rest wird in Form
eines zweiten Teilstrahls 24 reflektiert. Der erste Teilstrahl 22 und
der zweite Teilstrahl 24 definieren eine erste Ebene E1,
die auch als Einfallstrahlebene bezeichnet werden kann.
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Der
zweite Teilstrahl 24 verläuft zum zweiten Terahertz-Detektor 14 und
wird dort ebenfalls größtenteils
absorbiert, wobei ein dritter Teilstrahl 26 reflektiert wird
und auf das End-Element 16 trifft, das einen Spiegel 28 umfasst
oder aus dem Spiegel 28 besteht.
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Der
Spiegel 28 ist als refokussierender Hohlspiegel ausgebildet,
sodass der dritte Teilstrahl 26 auf den zweiten Terahertz-Detektor 14 zurück reflektiert
wird. Die beiden Terahertz-Detektoren 12, 14 und
der Spiegel 28 sind so angeordnet, dass der etwaig vom
Spiegel 28 zurück
reflektierte Teilstrahl vom zweiten Terahertz-Detektor 14 auf
dem ersten Terahertz-Detektor 12 zurück reflektiert würde.
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2a zeigt
einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform des Terahertz-Strahlungsempfängers 10,
bei dem die Einfallsöffnung
und der Spiegel 28 kreisrund sind. Es ist zu erkennen,
dass ein Erstdetektor-Winkel α ein
rechter Winkel ist. Die Einfallöffnung 20 wird
von einer Aperturblende 30 begrenzt, die so groß gewählt ist,
dass ein parallel einfallender Terahertzstrahl die Terahertz-Detektoren 12, 14 vollständig trifft
und also nicht überstrahlt.
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2b zeigt
einen weiteren Schnitt durch den Terahertz-Strahlungsempfänger 10,
wobei dieser Schnitt orthogonal zu dem Schnitt gemäß 2a verläuft. Abweichend
von 1 ist die Einfallöffnung 20 kreisrund
gezeichnet.
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In
den 2a, 2b ist zu erkennen, dass der
Terahertz-Strahlungsempfänger 10 aus
den zwei Detektoren 12 und 14 aufgebaut ist, die
orthogonal zueinander ausgerichtet. Die beiden Detektoren 12, 14 sind
baugleiche pyroelektrische Detektoren.
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2b zeigt
zudem, dass ein Zweitdetektor-Winkel β, der zwischen dem zweiten Teilstrahl 24 und
den dritten Teilstrahl 26 gebildet ist, ebenfalls 90° beträgt.
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3 zeigt
den entfalteten Strahlengang des Terahertzstrahls 18, in
dem ein erster Begrenzungsstrahl 34 eingezeichnet ist,
der für
den Fall gilt, dass der Spiegel 28 ein Planspiegel ist.
Der Begrenzungsstrahl 34 verläuft aufgrund von Beugungseffekten
nach außen
gekrümmt.
Die Teilstrahlen 18, 22, 24, 26 bilden
eine optische Achse 35. Ein zweiter Begrenzungsstrahl 36 gilt
für den
Fall, dass der Spiegel 28 ein refokussierendes Element
ist, im vorliegenden Fall nämlich
ein Hohlspiegel. Der Hohlspiegel wirkt im Strahlengang wie eine
Linse und verhindert ein Überstrahlen
des zweiten Terahertz-Detektors 14 durch den reflektierten
Strahl.
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1 zeigt,
dass der Terahertz-Detektor 12 eine erste Detektor-Hauptachse
H1 besitzt. Das bedeutet, dass Licht mit einer ersten Polarisationsrichtung
P1 zu einem maximalen Sensorsignal führt, wohingegen Terahertzstrahlung
mit einer zur ersten Polarisationsrichtung P1 senkrecht verlaufenden
Polarisation P2 zu einem minimalen Sensorsignal führen würde.
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Bei
dem zweiten Terahertz-Detektor 14 verläuft seine Zweitdetektor-Hauptachse H2 so,
dass die zweite Polarisation P2 zu einem maximalen Sensorsignal
führt,
die erste Polarisation P1 hingegen zu einem minimalen Sensorsignal.
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Die
Terahertz-Detektoren 12, 14 können Bolometer, Strahlungsthermometer,
thermopneumatische Detektoren wie Golay-Zellen oder pyroelektrische
Detektoren sein, bei denen sich bei Erwärmung die spontane Polarisation
eines piezoelektrischen Kristalls ändert.
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Nicht
eingezeichnet ist eine elektrische Steuerung, die mit den beiden
Terahertz-Detektoren 12, 14 verbunden ist, um
aus den empfangenen Signalen die Strahlungsleistung des einfallenden
Terahertzstrahls 18 zu berechnen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Terahertz-Strahlungsempfänger
- 12
- erster
Terahertz-Detektor
- 14
- zweiter
Terahertz-Detektor
- 16
- End-Element
- 18
- Terahertzstrahl
- 20
- Einfallsöffnung
- 22
- erster
Teilstrahl
- 24
- zweiter
Teilstrahl
- 26
- dritter
Teilstrahl
- 28
- End-Element,
Spiegel
- 30
- Aperturblende
- 34
- erster
Begrenzungsstrahl
- 35
- optische
Achse
- 36
- zweiter
Begrenzungsstrahl
- E1
- erste
Ebene
- α
- Erstdetektorwinkel
- β
- Zweitdetektorwinkel
- H1
- Erstdetektor-Hauptachse
- H2
- Zweitdetektor-Hauptachse
- P1,
P2
- Polarisation