DE102010040356A1

DE102010040356A1 - THz-Spektrometer und THz-Spektroskopieverfahren

Info

Publication number: DE102010040356A1
Application number: DE102010040356A
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr. Grüninger Markus; Dr. Hemberger Joachim; Axel Roggenbuck
Original assignee: Universitaet zu Koeln
Current assignee: Universitaet zu Koeln
Priority date: 2010-09-07
Filing date: 2010-09-07
Publication date: 2012-03-08
Also published as: WO2012031917A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein THz-Spektrometer (100, 200, 300, 400) aufweisend: – eine Quellen-Anordnung (10) zur Erzeugung von optischer Strahlung wenigstens einer ersten und einer zweiten optischen Frequenz (ω1, ω2), – eine an die Quellen-Anordnung (10) gekoppelte optische Strahlungsführung, die zur Führung der optischen Strahlung aller Frequenzen, einen ersten und einen zweiten Zweig (21, 22) aufweist, wobei der erste Zweig (21) einen opto-elektronischen Mischer in Form eines Senders (31) aufweist, mit dem THz-Strahlung (40) aus den Mischfrequenzen der optischen Frequenzen des ersten Zweigs (21) erzeugbar ist, der zweite Zweig (22) einen opto-elektronischen Mischer in Form eines Empfängers (32) aufweist, mit dem die THz-Strahlung (40) empfangbar ist, – eine Modulator-Anordnung (25) mit wenigstens einem Modulator (23) mittels dem ein Phasenunterschied zwischen einem Mischfrequenzsignal einer Mischfrequenz der optischen Frequenzen des zweiten Zweigs (22) und der THz-Strahlung (40) variierbar ist, – einen Detektor mittels dem ein Empfängersignal in Abhängigkeit des variierten Phasenunterschieds zur Bestimmung wenigstens einer Phase, insbesondere ein detektierbar ist, insbesondere mit einem Photostromdetektor mittels dem ein Photostrom am Empfänger (32) zur Bildung des Empfängersignals detektierbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein THz-Spektrometer gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und 28. Weiter betrifft die Erfindung ein THz-Spektroskopieverfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 22 und 29.
Die THz-Spektroskopie hat sich in den letzten Jahren von rein wissenschaftlichen Ansätzen bis zu anwendungsorientierten Ausrichtungen entwickelt. Anwendungen der THz-Spektroskopie werden derzeit hinsichtlich bildgebender Verfahren diskutiert, insbesondere zum Nachweis von Explosivstoffen oder giftigen Gasen. Darüberhinaus werden Anwendungen in der Astrophysik, der Molekülphysik und der Festkörperphysik diskutiert. Eine rapide Entwicklung ist hinsichtlich der Erzeugung und des Nachweises von THz-Strahlung mit Hilfe optischer kohärenter Quellen, wie z. B. Laser, festzustellen. Dabei sind zwei grundsätzlich unterschiedliche Ansätze der THz-Spektroskopie erkennbar, nämlich zum einen in der Zeitdomäne mit üblicher Weise zeitlich gepulsten THz-Quellen und zum anderen in der Frequenzdomäne mit CW-THz-Quellen.
Die zeitlich aufgelöste Spektroskopie hat naturgemäß enge Grenzen, wenn eine vergleichsweise hohe spektrale Auslösung zu erreichen ist, und ist auf die Nutzung von immer noch vergleichsweise kostenaufwendigen zeitlich gepulsten Systemen mit breitem Frequenzspektrum angewiesen. CW-THz-Spektroskopie ermöglicht dagegen ohne weiteres die Realisierung einer vergleichsweise hohen spektralen Auflösung (etwa im Bereich von einem MHz) bei gleichzeitig großer Bandbreite (etwa im Bereich einiger THz) mit vergleichsweise kostengünstigen Vorrichtungen und noch vertretbarem Messaufwand, der jedoch ebenfalls noch zu verbessern ist. Neben geläufigen Spektroskopie-Verfahren hat sich vor allem ein Ansatz bewährt, welcher im Rahmen der CW-THz-Spektroskopie Amplitude und Phase einer THz-Strahlung erfassen kann. Insbesondere ist bei einem solchen Ansatz die Messgenauigkeit und der spektrale Anwendungsbereich noch verbesserbar.
Erstmals wurde ein solcher Ansatz von Verghese et al. in Appl. Phys. Lett. 73, 3824 (1998) vorgeschlagen. Roggenbuck et al. schlagen in New Journal of Physics, 12 (2010) 043017 ein Spektroskopieverfahren unter Nutzung zweier durchstimmbarer DFB(Distributed Feed Back)-Laserdioden vor, bei dem ein CW-THz-Spektrometer der Eingangs genannten Art mit einer vollständig fasergebundenen optischen Strahlungsführung genutzt wird. Die Zentralwellenlängen der DFB-Laserdioden bei z. B. 853 nm und 855 nm erlauben die Erzeugung zweier gegeneinander verstimmter optischer Frequenzen ω1 und ω2 und somit einer Misch- bzw. Differenzfrequenz ω1-ω2 von 0 bis ca. 2 THz. Es kann mit einem geeigneten photomischenden Sender und photomischenden Empfänger CW-THz-Strahlung der Differenzfrequenz im Bereich zwischen 60 GHz und 1,8 THz erzeugt und über eine CW-THz-Freistrahlstrecke übertragen und detektiert werden. In dem ähnlich einem Mach-Zehnder-Interferometer aufgebauten CW-THz-Spektrometer ist der Empfänger integriert, um eine CW-THz-Strahlung der Mischfrequenz ω1-ω2 mit einer Schwebung der optischen Strahlung interferometrisch zu überlagern und so einen Photostrom homodyn und THz-phasenabhängig zu messen. Aus dem so gemessenen Photostrom kann eine Amplitude und Phase der CW-THz-Strahlung bestimmt werden. Der genannte THz-Phasenunterschied wird zwischen der Mischfrequenz der optischen Strahlung in einem Zweig eines Interferometers und einer empfangenen CW-THz-Strahlung variiert, indem bei unterschiedlichen optischen Längen des ersten und zweiten Zweiges die Mischfrequenz und somit auch die CW-THz-Frequenz gescannt wird – der Photostrom variiert mit der CW-THz-Frequenz, woraus die THz-Phase bestimmt werden kann. Um eine ausreichende spektrale Auflösung zu erreichen, ist jedoch die Änderung der CW-THz-Frequenz in kleinen Frequenzschritten erforderlich, was zu einer vergleichsweise langen Messdauer führt. Da sowohl die Amplitude als auch die Phase der CW-THz-Strahlung bestimmt wird, ohne eine CW-THz-Strahlungsführung variieren zu müssen, hat sich dieser Ansatz besonders bewährt. Eine Bestimmung von Amplitude und Phase der CW-THz-Strahlung ist insbesondere eine Voraussetzung zur Bestimmung einer komplexen Dielektrizitätsfunktion, z. B. eines Festkörpers mittels der CW-THz-Spektroskopie, was aber bei einer Reihe anderer bekannter Verfahren nicht möglich ist.
Grundsätzlich ist eine amplituden- und phasensensitive THz-Spektroskopie auch aus US 6,348,683 B1 oder von Deninger et al. in Rev. Sci. Instr. 79, 044702 (2008) bekannt. Deninger et al. nutzen eine andere Möglichkeit zur Modulation des Phasenunterschieds für die homodyne und THz-phasenabhängige Messung eines Photostroms am Empfänger – dabei ist die Erzeugung eines optischen Weglängenunterschieds in einem ersten und einem zweiten optischen Zweig vorgesehen. Da eine Verzögerung von der Größenordnung einer THz-Wellenlänge mit einem optischen Weglängenunterschied von etwa 3 mm (d. h. 300 μm @ 1 THz und 3 mm @ 100 GHz) verbunden ist, kann dieses Verfahren vergleichsweise zeitaufwändig sein.
Göbel et al. schlagen in Electr. Lett. 45, 65 (2009) den Einsatz eines Faserstretchers als Phasenmodulator in CW-photomischenden Systemen vor, der es ermöglicht vergleichsweise große Weglängenunterschiede mit dennoch geeigneter Rate zu erzeugen.
Aus der Molekülspektroskopie mit Auflösungen im Bereich von 1 kHz sind Systeme mit drei Lasern bekannt – dies jedoch nur unter starker Einschränkung der spektralen Bandbreite eines CW-THz-Spektrometers im Bereich einiger GHz, da der dritte Laser lediglich zur Frequenz-Kalibrierung bei einer sehr schmalbandigen Frequenz unter Nutzung eines Etalons verwendet wird. So nutzen Tani et al. in Semiconductor Scientific Technology 20 (2005), S. 151–163 drei Laser mit erhöhter Auflösung aber nur in einem stark eingeschränkten Frequenzbereich.
Scheller und Koch in Optics Express 17, 17723 (2009) verwenden multimodale Laser für eine quasi-zeitaufgelöste THz-Spektroskopie, ohne jedoch die verwendeten multimodalen Frequenzen in der Phase zu koppeln.
Aufbauend auf dem Konzept von Roggenbuck et al. oder Deninger et al. oder Göbel et al. soll die Amplitude und Phase der CW-THz-Strahlung unter Variation eines Phasenunterschieds zu einer optischen Mischfrequenz bestimmbar sein. Es ist wünschenswert, ein CW-THz-Spektrometer zur Bestimmung einer Amplitude und Phase der CW-THz-Strahlung, insbesondere unter Messung eines Photostroms, hinsichtlich der Praktikabilität, insbesondere Messgeschwindigkeit, Präzision und Stabilität, zu verbessern. Eine erreichbare Frequenz-Breitbandigkeit bei gleichzeitig hoher Frequenz-Auflösung soll davon möglichst nicht beeinträchtigt werden. Im Folgenden wird allgemein auf ein THz-Spektrometer und ein THz-Spektroskopieverfahren Bezug genommen unabhängig von der besonderen Eignung derselben für eine CW-THz-Anwendung. Insbesondere eignet sich das beschriebene und beanspruchte THz-Spektrometer und ein THz-Spektroskopieverfahren für eine CW-THz-Anwendung. Eine Verwendung des beschriebenen und beanspruchten THz-Spektrometers und THz-Spektroskopieverfahrens für eine zeitaufgelöste THz-Spektroskopie ist dabei nicht ausgeschlossen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein THz-Spektrometer und ein THz-Spektroskopieverfahren anzugeben, mit dem es möglich ist, die Amplitude und Phase einer THz-Strahlung zu bestimmen und das hinsichtlich der Praktikabilität, insbesondere Messgeschwindigkeit, Präzision und Stabilität, verbessert ist. Insbesondere soll ein Messaufwand vergleichsweise verringert sein. Vorteilhaft ist die THz-Spektroskopie in einem vergleichsweise breitbandigen Frequenzbereich mit vergleichsweise hoher spektraler Auflösung möglich.
Die Aufgabe hinsichtlich des THz-Spektrometers wird gelöst durch ein THz-Spektrometer, insbesondere CW-THz-Spektrometer, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und 28. Die Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens wird gelöst durch ein THz-Spektroskopieverfahren, insbesondere CW-THz-Spektroskopieverfahren, mit den Merkmalen des Anspruchs 22 und 29.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass zur vollständigen Bestimmung der komplexen Dielektrizitätsfunktion, z. B. eines zu untersuchenden Festkörpers, die Amplitude und Phase einer THz-Strahlung, insbesondere CW-THz-Strahlung, bestimmbar sein sollte.
In einer ersten Variante der Ansprüche 28 und 29 ist das Konzept der Erfindung unabhängig vom Generierungsmittel für die THz-Strahlung definiert. Grundsätzlich gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten – wie z. B. durch an sich bekannte BWO-Oszillatoren (backward-wave-Oszillator) – kohärente THz-Strahlung direkt bei einer THz-Frequenz zu erzeugen. Insbesondere haben sich darüberhinaus opto-elektronische Generierungsmittel bewährt. In einer zweiten Variante der Ansprüche 1 und 22 ist vorgesehen, die THz-Strahlung mittels opto-elektronischer Mittel zu erzeugen.
Das THz-Spektrometer weist demnach in einem ersten Zweig einen opto-elektronischen Mischer in Form eines Senders auf, mit dem THz-Strahlung aus den Mischfrequenzen der optischen Frequenzen des ersten Zweigs erzeugbar ist. Der zweite Zweig weist einen opto-elektronischen Mischer in Form eines Empfängers auf, mit dem die THz-Strahlung empfangbar ist. Die THz-Strahlung ist insbesondere überlagert mit den Mischfrequenzen der optischen Frequenzen des zweiten Zweigs empfangbar. Es kann grundsätzlich die THz-Strahlung direkt vom Sender zum Empfänger ohne Strahlführungsmittel im Freistrahl übertragen werden. Insbesondere kann eine THz-Strahlungsführung mit Strahlführungsmitteln, wie Spiegel, insbesondere Parabolspiegel, od. dgl., zwischen Sender und Empfänger vorgesehen sein. Das THz-Spektrometer weist eine Modulator-Anordnung mit wenigstens einem Modulator auf, mittels dem ein Phasenunterschied zwischen einer Mischfrequenz der optischen Frequenzen des zweiten Zweigs und der THz-Strahlung variierbar ist. Hier ist gemäss vereinfachtem Fachsprachgebrauch mit Mischfrequenzen des ersten und zweiten Zweigs jeweils das Schwebungssignal auf der Mischfrequenz bezeichnet. Konkret wird somit ein Phasenunterschied zwischen einer Schwebung auf der Mischfrequenz der optischen Frequenzen des zweiten Zweigs und der THz-Strahlung variiert. Es ist ein Detektor vorgesehen mittels dem ein Empfängersignal in Abhängigkeit des variierten Phasenunterschieds zur Bestimmung wenigstens einer Phase, insbesondere Phase und/oder Amplitude der THz-Strahlung detektierbar ist. Besonders vorteilhaft wird Phase und Amplitude detektiert. In einer Abwandlung kann auch nur die Phase oder nur die Amplitude detektierbar sein. Insbesondere ist der Detektor mit einem Photostromdetektor gebildet mittels dem ein Photostrom am Empfänger zur Bildung des Empfängersignals detektierbar ist.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Quellenanordnung eine, insbesondere kohärente, optische Quelle erster und zweiter Art aufweist. Eine, insbesondere kohärente, optische Quelle erster Art ist zur Erzeugung von optischer Strahlung wenigstens einer ersten und einer zweiten diskreten Frequenz ausgebildet. Dazu kann die optische Quelle eine oder zwei Einheiten, insbesondere eine kohärente optische Einheit wie einen Laser oder dergleichen, aufweisen. Die Erfindung hat erkannt, dass die Verwendung diskreter Frequenzen erhebliche Vorteile hat, z. B. hinsichtlich Rechenaufwand und Geschwindigkeit bei der Auswertung des Empfängersignals. Es kann eine einzige optische Einheit der Quelle erster Art zur Erzeugung optisch kohärenter Strahlung bei im wesentlichen wenigstens zwei Zentralfrequenzen vorgesehen sein oder es können zwei separate Einheiten, z. B. zwei Laser, zur Bildung der optischen Quelle erster Art vorgesehen sein, die jeweils separat eine Frequenz liefern. Die, insbesondere kohärente, optische Quelle zweiter Art ist zur Erzeugung von optischer Strahlung wenigstens einer dritten optischen Frequenz ausgebildet. Dies kann eine einzige relativ zur ersten und zweiten optischen Frequenz feststehende oder durchstimmbare dritte optische diskrete Frequenz sein. Es kann auch eine Vielzahl von dritten optischen diskreten Frequenzen, z. B. im Rahmen eines Frequenzkamms von diskreten Frequenzen, vorgesehen sein. Im Rahmen der letztgenannten Weiterbildung wurde erkannt, dass ein Frequenzkamm in geeigneter Verwendung eine Messung mit kontinuierlichem Spektrum praktisch ersetzen kann und dennoch eine ausreichende Frequenzauflösung möglich ist. Das Konzept der Erfindung basiert auf der Verwendung diskreter Frequenzen und erreicht dadurch erhebliche Praktikabilitätsvorteile, ohne Einbußen in der Frequenzauflösung machen zu müssen.
Unter einer diskreten Frequenz ist vorliegend eine ausreichend schmalbandige Linienfrequenz mit einem Intensitätsmaximum bei einer Mittenfrequenz zu verstehen, die aufgrund ihres Intensitätsmaximums und Linienbreite von anderen diskreten Frequenzen deutlich unterscheidbar ist. Insofern bildet eine diskrete Frequenz nicht einen nichtunterscheidbaren blossen Frequenzanteil in einem kontinuierlichen breitbandigen Weisslicht-Frequenzspektrum, kann aber aus einem solchen z. B. durch Filter od. dgl. gewonnen werden. Vorteilhaft ist eine Linienbreite einer diskreten Frequenz derart gering, dass eine interferometrische Überlagerung mit anderen diskreten Frequenzen im Spektrometer erreichbar ist, also ein Phasenunterschied mittels der Modulator-Anordnung variierbar und detektierbar ist. In einer besonders bevorzugten Weiterbildung im Rahmen der besonders bevorzugten CW-THz-Spektroskopie ist unter einer diskreten Frequenz eine schmalbandige Linienfrequenz mit einer Frequenzbandbreite deutlich im Bereich unterhalb von 0,1 nm, insbesondere mit einer Bandbreite unterhalb von 100 MHz, insbesondere unterhalb 10 MHz zu verstehen.
Gemäß dem Konzept der Erfindung unterscheiden sich die, insbesondere kohärente, optische Quelle erster und zweiter Art insbesondere dadurch, dass die optische Quelle erster Art (I) zur Erzeugung der optischen Strahlung wenigstens der ersten und der zweiten optischen diskreten Frequenz (ω1, ω2) ausgebildet ist. Ein Frequenzstabilisierungsmittel ist derart vorgesehen ist, dass wenigstens eine frequenzstabilisierte Mischfrequenz (ω1-ω2) bildbar ist. Das Frequenzstabilisierungsmittel kann, muss aber nicht, in der optischen Quelle erster Art (I) zur Verfügung gestellt werden. Bevorzugt sind die erste und zweite optische Frequenz absolut frequenzstabilisiert. Es kann aber auch ein Abstand derselben relativ – also die Mischfrequenz (ω1-ω2) – frequenzstabilisiert sein.
Unter einer frequenzstabilisierten Mischfrequenz ist zunächst ganz allgemein eine Mischfrequenz zu verstehen, die jedenfalls nicht aktiv geändert wird. Entsprechend dient ein Frequenzstabilisierungsmittel dazu, eine frequenzstabilisierte Mischfrequenz auf einer dem Messzeitraum angemessenen Zeitskala weitgehend konstant zu halten. Insbesondere ist im Unterschied zu den genannten weiteren ggfs. durchstimmbaren Mischfrequenzen eine frequenzstabilisierte Mischfrequenz konstant, bzw. wird konstant gehalten während die durchstimmbaren Mischfrequenzen geändert werden.
Die Erfindung hat erkannt, dass die Aufnahme von Spektren unter Bestimmung von Amplitude und Phase einer THz-Strahlung einen gewissen Zeitaufwand erfordert, der mit dem vorliegenden Konzept erheblich verringert ist. Dennoch kann innerhalb des verringerten Zeitaufwands das Spektrometer einer Drift unterliegen, der mit dem Konzept der Erfindung korrigierbar ist. Das erfindungsgemäße Konzept nimmt dazu an, dass für die frequenzstabilisierte Mischfrequenz auftretende Drifts in der Phase oder Amplitude einer THz-Strahlung weitgehend einer Drift des Spektrometers zuzuordnen sind. Phasen- und Amplitudendrifts bei der frequenzstabilisierten Mischfrequenz sind gemäß dem Konzept der Erfindung also als Korrekturmaß für andere Mischfrequenzen verwendbar.
Besonders vorteilhaft lässt sich eine Phase φ₀ und eine Amplitude A₀ zu einem Zeitpunkt T₀ eines Messbeginns oder als Mittelwert für eine THz-Strahlung, insbesondere CW-THz-Strahlung, bei der stabilisierten Messfrequenz (ω1-ω2) definieren. Die Entwicklung der Phase φ_i und Amplitude A_i zu einem späteren Zeitpunkt T_i relativ zu der Phase φ₀ und der Amplitude A₀ für die THz-Strahlung, insbesondere CW-THz-Strahlung, bei der stabilisierten Mischfrequenz (ω1-ω2) gibt damit eine fiktive driftbedingte Entwicklung einer Phase φ₀ zu φ_i und A₀ zu A_i an. Diese driftbedingte Entwicklung ist dem Konzept der Erfindung folgend als Korrekturmaß bei einem Vergleich der Phase und Amplitude der THz-Strahlung, insbesondere CW-THz-Strahlung, der weiteren diskreten Mischfrequenzen zu berücksichtigen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist diese Entwicklung von Phase und Amplitude einer CW-THz-Strahlung bei der stabilisierten Mischfrequenz von einer gemessenen Phase und Amplitude der CW-THz-Strahlung bei den weiteren diskreten Mischfrequenzen abzuziehen, um zu einem tatsächlich verlässlichen Wert von Amplitude und Phase bei den weiteren diskreten Mischfrequenz zu kommen.
Die, insbesondere kohärente, optische Quelle zweiter Art (II) ist zur Erzeugung von optischer Strahlung wenigstens einer dritten optischen diskreten Frequenz (ω3, ω3_i) ausgebildet und kann, aber muss nicht, frequenzstabilisiert sein. Bevorzugt kann eine optische Einheit derselben über einen größeren Spektralbereich durchstimmbar sein oder auch eine Vielzahl von diskreten Frequenzen erzeugen. Das Konzept sieht die gleichzeitige Führung von THz-Strahlung, insbesondere CW-THz-Strahlung, aus den Mischfrequenzen (ω1-ω2, ω1-ω3 od. ω3_i, ω2-ω3 od. ω3_i) der ersten und der zweiten optischen Frequenz (ω1, ω2) und der dritten optischen Frequenz (ω3, ω3_i) vor. Eine mit dem Detektor verbundene Auswerteinheit ist ausgebildet, die Phase und Amplitude der THz-Strahlung, insbesondere CW-THz-Strahlung, bei der stabilisierten Mischfrequenz (ω1-ω2) und wenigstens einer, insbesondere zwei, weiteren Mischfrequenzen (ω1-ω3 od. ω3_i, ω2-ω3 od. ω3_i) zu bestimmen und miteinander zu vergleichen.
Dies führt mit Vorteil dazu, dass in dem Spektrometer jedenfalls die stabilisierte Mischfrequenz (ω1-ω2) – als zunächst allgemein konstante und diskrete Bezugsfrequenz, insbesondere über einen Messzeitraum stabile diskrete Bezugsfrequenz – zusammen mit weiteren Mischfrequenzen (ω1-ω3 od. ω3_i, ω2-ω3 od. ω3_i) – als ggfs. durchstimmbare Probefrequenz(en) – gleichzeitig geführt werden. Amplitude und Phase bei der stabilisierten Bezugsfrequenz können somit während einer gesamten Messzeit gemessen werden und stehen für jeden Zeitpunkt der Messung als Korrekturmass zur Verfügung. Eine Messung mit der Bezugsfrequenz steht somit als exaktes (da gleichzeitig gewonnenes) Korrekturmaß für eine Messung mit der Probefrequenz zur Verfügung. So wird ein Korrekturmass auch für eine schnelle Drift des Spektrometers geliefert, die sich bisher nur durch zeitaufwändige Mittelungen beseitigen hell. Dies betrifft insbesondere auch ein Korrekturmaß für eine thermische Drift od. dgl. langsame Drift des Spektrometers, die während eines Messzeitraumes anfällt. Zudem ist die Bezugsfrequenz mit Vorteil versehen besonders unanfällig gegen eine Drift des Spektrometers. Das Spektrometer, insbesondere die Quellenanordnung, kann dazu Frequenzstabilisierungsmittel aufweisen, die jedenfalls die stabilisierte Mischfrequenz (ω1-ω2) – als konstante, insbesondere stabile, und diskrete Bezugsfrequenz – unabhängig von einer schnellen oder langsamen Drift zur Verfügung stellen. Eine Drift oder sonstige Ungenauigkeiten können so über die gleichzeitig gewonnene Messung mit der Bezugsfrequenz kompensiert werden. Vorteilhaft wird eine Bezugsmessung infolge der genutzten drei optischen Frequenzen mit verbessertem Korrekturmaß bereits zeitgleich mit einer Probemessung möglich. Insbesondere hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Bezugsfrequenz darüberhinaus hinsichtlich ihrer spektralen Eigenschaften besonders präzise zu definieren. Dies kann z. B. im Rahmen einer im Vergleich zur dritten optischen Frequenz besonders schmalbandig ausgelegten Linienfrequenz der ersten und zweiten diskreten optischen Frequenz erfolgen.
Eine mit dem Detektor verbundene Auswerteinheit ist geeignet ausgebildet wenigstens die Phase, insbesondere Phase und Amplitude der THz-Strahlung, insbesondere CW-THz-Strahlung, bei wenigstens einer, insbesondere zwei, weiteren Mischfrequenzen (ω1-ω3 od. ω3_i, ω2-ω3 od. ω3_i) und der stabilisierten Mischfrequenz (ω1-ω2) zu bestimmen und erfindungsgemäß miteinander zu vergleichen; insbesondere allgemein einander gegenüberzustellen. Unter einem Vergleich ist insbesondere jede Maßnahme zu verstehen, welche wenigstens die Phase, insbesondere die Phase und Amplitude, der THz-Strahlung bei wenigstens einer, insbesondere zwei, weiteren Mischfrequenzen (ω1-ω3 od. ω3_i, ω2-ω3 od. ω3_i) mit solchen bei der stabilisierten Mischfrequenz (ω1-ω2) korrigiert. Dies ist aufgrund der verwendeten diskreten Frequenzen mit relativ geringem Rechenaufwand möglich. In einer Abwandlung kann auch nur die Phase oder nur die Amplitude auswertbar sein.
Knapp gefasst können zur Umsetzung des Konzepts der Erfindung drei, insbesondere kohärente, optische Einheiten (z. B. Laser) unter Bildung von drei diskreten Mischfrequenzen zum Einsatz kommen, wobei wenigstens eine der Mischfrequenzen als Bezugsfrequenz zur Ausführung einer zeitgleichen Korrektur- bzw. Bezugsmessung dient, die in Bezug zu einer Probemessung mit wenigstens einer der anderen Mischfrequenzen als Probefrequenzen gesetzt wird. Der Bezug kompensiert besonders gut eine Drift des Spektrometers während der Messung. Die Nutzung diskreter Mischfrequenzen kann zu einer erheblichen Verringerung der Messzeit genutzt werden.
Insgesamt ist die Bestimmung einer Amplitude und Phase einer THz-Strahlung, insbesondere CW-THz-Strahlung, mit einem Spektrometer möglich, das hinsichtlich der Praktikabilität, insbesondere Messgeschwindigkeit, Präzision und Stabilität verbessert ist, da eine Bezugsmessung mit per se verbesserter Genauigkeit zeitgleich mit einer Probemessung durchgeführt wird. Ein Messaufwand ist dadurch erheblich verringert.
Zur Generierung von Phaseninformation tragender THz-Strahlung dient insbesondere eine kohärente optische Strahlung. Unter optischer Strahlung ist insbesondere Strahlung im UV, VIS, NIR, IR-Frequenzbereich zu verstehen. Insbesondere hat sich optische Strahlung im NIR-Bereich, insbesondere im Bereich zwischen 750 nm und 900 nm sowie 1500–1900 nm aufgrund der Verfügbarkeit von geeigneten Laserdioden und optoelektronischen Mischern mit hoher Elektronenmobilität, z. B. auf Basis von LT-GaAs oder ionen-implantiertem GaAs, als vorteilhaft erwiesen. Für die Anwendung besonders interessant sind darüberhinaus optische Quellen bei Wellenlängen im Bereich um 1550 nm zur Erzeugung von THz-Strahlung, z. B. mit opto-elektronischen Misch-Komponenten auf Basis von InGaAs oder dergleichen. Das Spektrometer erweist sich als vergleichsweise breitbandig einsetzbar im Bereich einer CW-THz-Frequenz zwischen ca. 60 GHz und ca. 2 Thz. Eine spektrale Auflösung desselben ist lediglich durch die Linienbreite der verwendeten optischen Quellen erster und zweiter Art beschränkt und geht bis in einen Bereich deutlich unterhalb von 100 MHz. Das Spektrometer ist als solches kompakt und mit vorteilhaft verringerter Messzeit einsetzbar.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen und geben im Einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an, das oben erläuterte Konzept im Rahmen der Aufgabenstellung sowie hinsichtlich weiterer Vorteile zu realisieren.
Vorteilhaft weist die Auswerteeinheit ein Modul zur Bestimmung einer Drift wenigsten der Phase, insbesondere der Phase und Amplitude (φ₀, A₀, φ_i, A_i) der THz-Strahlung bei der stabilisierten Mischfrequenz (ω1-ω2) auf. In einer Abwandlung kann die Bestimmung einer Drift auch nur die Phase oder nur die Amplitude betreffen. Das Modul ist insbesondere ausgebildet, einen zeitlichen Driftverlauf wenigstens der Phase, insbesondere Phase und/oder Amplitude (φ_i, A_i), zu bestimmen. Wie oben beispielhaft erläutert kann vorteilhaft die Änderung von wenigstens der Phase, insbesondere Phase und/oder Amplitude, der THz-Strahlung bei der stabilisierten Mischfrequenz bestimmt werden. Aufgrund der angenommenen über einen Messzeitraum konstanten sonstigen Umfeldbedingungen kann die Änderung einem lediglich die Drift des Spektrometers beschreibenden, insbesondere nicht durch eine Messprobe bedingten, Phasen- und Amplituden Verlauf zugeordnet werden. Ein so gewonnener Phasen- und Amplituden-Verlauf kann vorteilhaft als Korrekturmaß zur Verfügung stehen. Insbesondere kann vergleichsweise einfach ein Mittelwert der Phase und Amplitude (φ₀, A₀) aus dem Driftverlauf bestimmt werden und als Korrekturmaß zur Verfügung stehen.
Vorteilhaft weist das THz-Spektrometer eine Justiereinheit auf, die ausgebildet ist, zur Aufnahme eines THz-Spektrums die wenigstens eine weitere Mischfrequenz (ω1-ω3 od. ω3_i, ω2-ω3 od. ω3_i) im Bereich des THz-Spektrums zu verstimmen und dabei die stabilisierte Mischfrequenz (ω1-ω2) konstant zu halten. So können Mischfrequenzen (ω1-ω3 od. ω3_i, ω2-ω3 od. ω3_i) zur Aufnahme eines THz-Spektrums beispielsweise in einem Bereich zwischen 0.1 bis 2 THz gewählt werden, wie dies im Rahmen einer besonders bevorzugten Ausführungsform erläutert ist. Ein Korrekturmaß für wenigstens die gemessene Phase, insbesondere Phase und/oder Amplitude, der THz-Strahlung auch bei den weiteren Mischfrequenzen steht vorteilhaft gemäß der Weiterbildung zur Verfügung.
Im Rahmen einer Weiterbildung ist vorgesehen, bei ausreichender spektraler Genauigkeit eine Durchstimmbarkeit bei einem THz-Spektrometer, insbesondere CW-THz-Spektrometer, zur Verfügung zu stellen. Die Weiterbildung sieht in der Quellenanordnung eine von der kohärenten optischen Quelle erster Art separate kohärente optische Quelle zweiter Art vor. Letztere ist im Vergleich zur ersteren zur Erzeugung von optischer Strahlung wenigstens einer dritten optischen Frequenz ausgelegt. Die dritte Frequenz ist im Rahmen dieser Weiterbildung relativ zur ersten und zweiten optischen Frequenz durchstimmbar. Die durchstimmbare dritte Frequenz kann im Rahmen des Konzepts insbesondere eine Schwerpunktfrequenz einer schmalbandigen Linienfrequenz sein. Vorteilhaft ist die vergleichsweise schmalbandige Linienfrequenz über einen vergleichsweise breitbandigen Frequenzbereich durchstimmbar.
Die dritte Frequenz kann vorteilhaft Teil eines Frequenzkamms von insbesondere äquidistanten Stimmfrequenzen desselben mit gegebenem Linienabstand sein. Die kohärente optische Quelle erster Art ist vorteilhaft vergleichsweise stabil zur Erzeugung von optischer Strahlung wenigsten einer ersten und einer zweiten optischen Frequenz ausgebildet, um eine Bezugsfrequenz zur Verfügung zu stellen mittels der ein Korrekturmaß für Amplitude und Phase auch bei anderen Mischfrequenzen als Probefrequenzen gewonnen werden kann. Die kohärente optische Quelle zweiter Art bietet die Möglichkeit Probefrequenzen in einem vergleichsweise breiten Spektrum und/oder durchstimmbar zu erzeugen.
Zur Verbesserung des THz-Spektrometers ist vorteilhaft ein Modulator vorgesehen, der den Phasenunterschied mittels eines optischen Weglängenunterschieds erzeugt. Ein Modulator kann z. B. als eine mechanische Verzögerungseinheit oder vorteilhaft als ein Faserstretcher realisiert sein. Eine Amplitude eines optischen Weglängenunterschieds lässt sich aufgrund des vergleichsweise großen Hubs eines Faserstretchers vorteilhaft besonders groß gestalten. Ein Faserstretcher kann vergleichsweise kompakt und mit wenig Justageaufwand in einer fasergebundenen optischen Strahlungsführung implementiert werden. Im Vergleich zu einer – grundsätzlich auch möglichen – mechanischen Verzögerungseinheit kann mit einem Faserstretcher zudem eine Messzeit verringert werden. Auch bietet ein Faserstretcher die Möglichkeit vergleichsweise einfach – insbesondere bei vorgenannter spektral breitbandiger oder durchstimmbarer Auslegung des Spektrometers unter Nutzung eines Frequenzkamms für die dritte optische Frequenz – einen relativ geringen Frequenzabstand im Frequenzkamm zu realisieren. Ein Hub eines Faserstretchers ist besonders vorteilhaft geeignet, diskrete Frequenzen eines Frequenzkamms aufzulösen, da im Prinzip eine erreichbare Frequenzauflösung mit der Amplitude eines optischen Weglängenunterschieds steigt.
Zusätzlich kann mittels Einsatz eines Faserstretchers die Amplitude und Rate zur Variation eines Phasenunterschieds erhöht werden. Das Konzept der Weiterbildung sieht in Kombination eine Verbesserung der amplituden- und phasensensitiven Detektion von THz-Strahlung hinsichtlich der spektralen Breitbandigkeit und spektralen Auflösung vor. Je größer der Hub des Faserstretchers ist, desto eher können auch eng benachbarte diskrete Frequenzen, z. B. eines Frequenzkamms, spektral aufgelöst werden. Dabei wird dennoch gemäß dem Konzept der Erfindung eine besonders hohe Präzision und Stabilität des THz-Spektrometers erreicht. So lässt sich ein Faserstretcher z. B. symmetrisch in beiden Zweigen des Spektrometers vorsehen, was durch den Faserstretcher verursachte Drifteinflüsse per se kompensierend reduziert.
Grundsätzlich eignet sich eine Laserdiode oder eine ähnliche optische Einheit zur Ausbildung einer kohärenten optischen Quelle erster und/oder zweiter Art, da diese vergleichsweise kompakt und kosteneffizient in einem Spektrometer implementiert werden kann. Außerdem lässt sich eine Laserdiode besonders vorteilhaft an eine Faserführung ankoppeln. Insbesondere lässt sich ein gänzlich auf Faseroptik und Laserdioden basierter optischer Teil des Spektrometers integral und kompakt herstellen. Ein opto-elektronischer Mischer lässt sich vergleichsweise einfach an eine Faserführung ankoppeln. Diese Maßnahmen erweisen sich als besonders vorteilhaft im Hinblick auf anwendungsorientierte Auslegungen des Spektrometers.
Eine besonders bevorzugte Einheit zur Verwendung für die kohärente optische Quelle erster und/oder zweiter Art ist wenigstens eine Laserdiode zur Erzeugung von optischer Strahlung bei wenigsten einer schmalbandigen Linienfrequenz. Insbesondere hat sich eine DFB-(distributed feedback)-Laserdiode oder eine ECDL(External Cavity Laserdiode)-Laserdiode, z. B. eine DBR-(distributed Bragg reflector)-Laserdiode, als vorteilhaft erwiesen, um eine besonders schmalbandige optische Frequenz zu erzeugen. Eine solche oder andere Laserdiode ist regelmäßig mit einer wellenlängenselektiven Rückkopplung – z. B. durch Einbringen eines Filters oder dergleichen – versehen, was in einer vergleichsweisen geringen spektralen Bandbreite der emittierten optischen Strahlung resultiert. Damit stellt dies eine zu bevorzugende Alternative zu anderen aufwendigeren Wellenlängenselektionsverfahren für eine Laserdiode dar, was einem kompakten Aufbau des THz-Spektrometers zuträglich ist.
Des Weiteren hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass die kohärente optische Quelle erster und/oder zweiter Art eine frequenzdurchstimmbare Laserdiode als optische Einheit aufweist. Dazu kann eine Laserdiode, insbesondere eine DFB- oder DBR-Laserdiode, mit einem Frequenzdurchstimmmittel versehen sein. Es eignet sich beispielsweise ein Frequenzdurchstimmmittel in Form eines Strom- und/oder Temperatureinstellmittels. Über die Temperatur einer Diode, mit Genauigkeit z. B. im mK-Bereich, lässt sich eine laseraktive Länge der Diode über einen vergleichsweise großen Bereich einstellen. Über die mit dem Strom einstellbare Anzahl von Ladungsträgern lässt sich ein Brechungsindex der Diode einstellen. Insgesamt ist damit eine Emissionsfrequenz der Laserdiode einstellbar, z. B. im Bereich zwischen 750 nm und 900 nm oder 1500 nm und 1700 nm. Eine in vergleichsweise engen Bereichen durchstimmbare DFB-Laserdiode ist beispielsweise im Bereich zwischen 853 und 855 nm durchstimmbar. Ein anderer Bereich kann nach Bedarf unter Auswahl des laseraktiven Diodenmaterials gewählt werden. Grundsätzlich ist die Durchstimmbarkeit einer eingesetzten Laserdiode nicht auf einen bestimmen Frequenzbereich eingeschränkt sondern kann je nach Bedarf gewählt werden.
Um darüber hinaus eine möglichst gute Frequenzstabilität bei der optischen Strahlung zu gewährleisten, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die kohärente optische Quelle erster Art – insbesondere eine Laserdiode oder eine Peripherie derselben – mit einem Frequenzstabilisierungsmittel zu versehen. Grundsätzlich bietet das Konzept der Erfindung die Möglichkeit, unter Verwendung eines geeigneten Stabilisierungsmittels direkt eine Mischfrequenz zu stabilisieren. So können z. B. unter Nutzung der oben genannten Durchstimmbarkeit von Laserdioden, die Frequenzen (ω1, ω2) der optischen Quelle erster Art (I) mit festem Abstand einer Mischfrequenz (ω1-ω2) verstimmt werden, um eine Drift der Mischfrequenz (ω1-ω2) zu verhindern. Es ist grundsätzlich ausreichend eine Drift der Mischfrequenz (ω1-ω2) zu verhindern; bevorzugt sind dazu die erste und zweite optische Frequenz relativ zueinander stabilisiert. Bei einer Weiterbildung wird eine frequenzstabilisierte Mischfrequenz dadurch erreicht, dass bereits eine erste und zweite optische Frequenz möglichst stabil jeweils in Bezug auf eine Soll-Frequenz geregelt wird; insofern also ein absoluter Wert der ersten und zweiten optischen Frequenz stabilisiert ist. Ein Frequenzstabilisierungsmittel kann beispielsweise in Form einer aktiven oder passiven Stabilisierung der Laserdiode realisiert sein. Vorteilhaft führt dies dazu, dass bei zeitlich beabstandeten Messungen eine thermische Drift der ersten und zweiten optischen Frequenz, jedenfalls aber der Mischfrequenz möglichst gering gehalten ist. Eine Drift für wenigstens die erste THz-Frequenz ω1-ω2 – als Misch/Differenzfrequenz zwischen der ersten und zweiten optischen Frequenz – ist minimiert. Eine Drift des Spektrometers ist grundsätzlich in Folge z. B. thermischer Änderungen der optischen Wege oder optischen Quellen nicht zu vermeiden.
Es hat sich als besonders bevorzugt erwiesen, dass die Quellenanordnung zwei separate kohärente optische Einheiten der Quelle erster Art, beispielsweise in Form von zwei DFB-Laserdioden, vorsieht. Eine erste der DFB-Laserdioden kann auf eine erste optische Frequenz vergleichsweise schmalbandig und stabil justiert werden. Eine zweite der DFB-Laserdioden kann auf eine zweite optische Frequenz vergleichsweise schmalbandig und stabil justiert werden. In einer alternativen Weiterbildung kann die kohärente Quelle erster Art auch mittels eines einzigen Lasers – z. B. Dualmoden oder Vielmoden-Laser – gebildet sein, welcher die erste und zweite optische Frequenz liefert.
Des Weiteren ist vorteilhaft vorgesehen, dass der wenigstens eine Modulator in der Faserführung derart angeordnet ist, dass der Phasenunterschied mittels eines optischen Weglängenunterschieds des ersten Zweigs zum zweiten Zweig erzeugbar ist.
Die Faserführung ist zur Führung einer optischen Strahlung mit wenigstens der ersten, zweiten und dritten optischen Frequenz ausgebildet. Der Sender sowie der Empfänger und die THz-Strahlungsführung sind bevorzugt zum Übertragen einer THz-Strahlung mit einer abhängig von der dritten Frequenz gebildeten ersten, zweiten und dritten Mischfrequenz einer THz-Strahlung ausgebildet.
Vorteilhaft weist die Faserführung eine Koppelstelle auf, in der die dritte optische Frequenz einkoppelbar ist. Eine solche Koppelstelle kann vorteilhaft als separater Faserkoppler zwischen einem Faserkoppler für die erste und zweite optische Frequenz und den opto-elektronischen Mischern realisiert werden. Für den Fall, dass die erste und zweite optische Frequenz von einer gemeinsamen kohärenten optischen Quelle erster Art zur Verfügung gestellt wird weist die Faserführung lediglich eine einzige Koppelstelle zur Einkopplung der dritten optischen Frequenz auf.
Zur Messung eines Photostroms am Empfänger in Abhängigkeit des Phasenunterschieds einer THz-Strahlung relativ zu einer Mischfrequenz aus zweien von mindestens drei optischen Frequenzen ist das Spektrometer besonders bevorzugt als ein Interferometer ausgelegt, mit dem eine homodyne, kohärente Detektion von THz-Strahlung möglich ist. Zur Separation der spektralen Information der unterschiedlichen Mischfrequenzen kann ein solches Interferometer grundsätzlich nach dem Prinzip eines Fourier-Transformations-Interferometers aufgebaut sein. Bevorzugt wird ein Photostromdetektor dazu an eine Auswerteeinheit gekoppelt, die ein Modul zur Fourier-Transformation des in Abhängigkeit des Phasenunterschieds gemessenen Photostroms aufweist. In einer besonders bevorzugten vereinfachten alternativen Weiterbildung kann die Auswerteeinheit ein Modul aufweisen, mittels dem eine trigonometrische Interpolation und/oder Regression eines Photostromsignals möglich ist. Bei bekannten Mischfrequenzen aus der ersten, zweiten und dritten optischen diskreten Frequenz lässt sich bei der THz-Strahlung ein entsprechendes Schwingungssignal einer ersten, zweiten und dritten THz-Frequenz unter Annahme der drei optischen diskreten Frequenzwerte der Mischfrequenzen vergleichsweise einfach interpolieren bzw. im Rahmen einer Regression mit geringsten Fehlerquadraten anpassen. Die bei einer solchen Anpassung gewonnenen freien Parameter einer Phase und Amplitude bei jeder individuellen Frequenz der THz-Strahlung sind auf diese Weise besonders einfach bestimmbar – eine aufwändige Fourier-Transformation kann vorteilhaft entfallen.
In einer ersten besonders bevorzugten Weiterbildung des Konzepts der Erfindung weist die kohärente optische Quelle zweiter Art eine optische Einheit als eine durchstimmbare Single-Mode-Quelle auf, die für einen vergleichsweise breiten optischen Frequenzbereich ausgelegt ist, d. h. zur Erzeugung einer einzigen Stimmfrequenz als durchstimmbare dritte optische Frequenz. Beispielsweise kann dazu eine vergleichsweise schmalbandige DFB-Laserdiode genutzt werden, die eine einzige dritte optische Frequenz liefert, welche in einem vergleichsweise großen spektralen Bereich durchstimmbar bzw. verschiebbar ist. Diese Weiterbildung erweist sich als besonders zweckmäßig für Anwendungen mit hoher Frequenzauflösung in einem vergleichsweise großen spektralen Bereich.
In einer zweiten besonders bevorzugten Variante des Konzepts der Erfindung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass die kohärente optische Quelle zweiter Art eine optische Einheit als eine Multi-Mode-Quelle für einen vergleichsweise breiten Frequenzbereich aufweist, d. h. insbesondere zur Erzeugung eines Frequenzkamms mit einer Vielzahl von Stimmfrequenzen, ausgebildet ist. Bereits der Einsatz von drei optischen Frequenzen gemäß dem Konzept der Erfindung mit einer ersten und zweiten hochpräzisen und stabilen optischen diskreten Frequenz und einer breitbandig durchstimmbaren dritten optischen diskreten Frequenz führt dazu, dass drei THz-Frequenzen für das THz-Spektrometer zur Verfügung stehen – nämlich zur Bildung einer ersten stabilen und präzisen Bezugs-Mischfrequenz sowie zwei durchstimmbaren weiteren Mischfrequenzen als Messfrequenzen. Die vorgenannte Weiterbildung stellt darüberhinaus eine Vielzahl von Messfrequenzen durch Nutzung der Vielzahl von Stimmfrequenzen des Frequenzkamms zur Verfügung. Es lassen sich die Stimmfrequenzen zur redundanten Bestimmung eines Messspektrums nutzen oder dazu, die Messzeit für ein volles Frequenzspektrum zu verringern.
Insbesondere kann über das gesamte Spektrum eine Vielzahl von Stimmfrequenzen des Frequenzkamms mit geringem Frequenzabstand zum Einsatz kommen. Es lässt sich im Rahmen einer Weiterbildung ein Frequenzabstand der Stimmfrequenzen verringern wenn ein Modulator, z. B. als Faserstretcher, mit vergleichsweise großem Hub zur Verfügung gestellt wird. Beispielsweise ist bei einem üblichen Modulator zum Variieren, insbesondere Modulieren, eines Phasenunterschieds mittels eines optischen Weglängenunterschieds des ersten zum zweiten Zweig der optischen Strahlungsführung für eine Auflösung von 1 GHz ein optischer Weglängenunterschied von ca. 30 cm erforderlich. Unter Nutzung einer Multimode-Quelle mit einem Frequenzkamm einer Vielzahl von z. B. 25 GHz-beabstandeten Stimmfrequenzen ist bereits ein optischer Weglängenunterschied von ca. 1 cm ausreichend, um die den Stimmfrequenzen jeweils zugeordneten Messinformationen spektral zu trennen. Theoretisch kann bei besonders schmalbandigen und exakt bekannten Frequenzen ein optischer Weglängenunterschied weiter verringert werden. Je rauschunempfindlicher das Spektrometer ist, desto geringer kann ein optischer Weglängenunterschied gestaltet werden.
Vorteilhaft hat sich gezeigt, dass mit einem optischen Weglängenunterschied von bereits oberhalb von 1 cm und unter Verwendung einer Multimode-Quelle mit einem Linienabstand von 5 GHz bis 10 GHz der Stimmfrequenzen die Realisierung eines Spektrometers mit vergleichsweise hoher spektraler Auflösung möglich ist. Darüberhinaus hängt die spektrale Auflösung zunächst von der Charakteristik der optischen Quelle ab; die spektrale Breite hängt von der Breite des Frequenzkamms der optischen Quelle der zweiten Art ab. Insgesamt wird gemäß dieser Weiterbildlung eines THz-Spektrometers eine spektral vergleichsweise hochauflösende, breitbandige Spektroskopie ermöglicht. Als besonders bevorzugt hat sich eine Vielzahl von Stimmfrequenzen des Frequenzkamms mit einem Linienabstand im Bereich zwischen 5 GHz bis 30 GHz erwiesen, insbesondere im Bereich zwischen 5 GHz. bis 10 GHz. Die Stimmfrequenzen sind bevorzugt äquidistant im Frequenzkamm angeordnet. Eine Amplitude eines optischen Weglängenunterschied ist besonders vorteilhaft zwischen 0,5 und 3 cm einstellbar, insbesondere ausreichend, d. h. auf diesen Bereich beschränkt. Besonders bevorzugt ist darüber hinaus der optische Frequenzkamm verstimmbar, z. B. im Bereich einiger MHz bis wenigstens 100 MHz. Besonders vorteilhaft ist ein Frequenzkamm über den Linienabstand der Stimmfrequenzen verstimmbar. Dies vermeidet vorteilhaft Lücken im Spektrum. In einer alternativen Weiterbildung ist kann auch die erste und zweite optische Frequenz verstimmbar sein, wenn die Mischfrequenz als Bezugsfreuqenz stabil gehalten wird. Eine Frequenzauflösung liegt vorteilhaft im MHz-Bereich oder deutlich darunter. Vorteilhaft ist eine Frequenzauflösung unabhängig vom Hub einer Weglängenmodulation, d. h. nur noch abhängig von der Linienbreite der verwendeten optischen diskreten Frequenzen bzw. der Charakteristika der verwendeten optischen Einheiten.
Grundsätzlich kann ein Modulator der Modulatoranordnung in einem sogenannten „Step-Scan-Modus” betrieben werden (d. h. abwechselnd Phase variieren, dann messen). Diese Betriebsart eignet sich insbesondere zur Verwendung im Rahmen einer Lock-In-Messung. Vorteilhaft ist in der Modulatoranordnung wenigstens ein kontinuierlicher Modulator vorgesehen. Während übliche mechanische Wegverzögerungseinheiten zur Realisierung eines Modulators in einem Step-Scan-Modus betrieben werden (d. h. Messdaten werden für eine Reihe von festgelegten Verzögerungsschritten aufgenommen), sieht die Verwendung eines kontinuierlichen Modulators vor, dass der Weglängenunterschied nicht nur in diskreten Stufen verändert, sondern darüberhinaus kontinuierlich verändert wird. Dadurch wird eine bei der Step-Scan-Messung erforderliche Leerlaufzeit eliminiert und somit insgesamt eine erforderliche Messzeit reduzierbar.
Die maximale Amplitude eines optischen Weglängenunterschieds kann vorteilhaft dadurch verdoppelt werden, dass in jedem der Zweige der optischen Strahlungsführung ein Modulator angeordnet ist. Ein in einem ersten Zweig angeordneter Modulator und ein in einem zweiten Zweig angeordneter Modulator werden vorzugsweise asymmetrisch betrieben, so dass eine optische Weglänge in einem ersten Zweig verlängert wird, während die optische Weglänge in einem zweiten Zweig der optischen Strahlungsführung verringert wird oder anders herum. Vorteilhaft wird durch die Anordnung eines Modulators in jedem der Zweige der optischen Strahlungsführung eine thermische Drift der optischen Strahlungsführung ausgeglichen, d. h. es ist ein Betrieb möglich, bei dem die optischen Weglängen des ersten und zweiten Zweigs in gleicher Weise driften, wodurch sich die Drifts kompensieren.
Als besonders bevorzugt hat sich ein Modulator in Form eines Faserstretchers erwiesen, da dieser eine kontinuierliche Änderung des optischen Weglängenunterschieds des ersten zum zweiten Zweig der optischen Strahlungsführung erlaubt. Insbesondere erlaubt ein Faserstretcher eine asymmetrische Betriebsweise durch Anlegen von zueinander inversen Spannungen an einen ersten bzw. zweiten Faserstretcher in einem ersten und zweiten Zweig. Vorteilhaft ist alternativ auch ein symmetrischer Betrieb durch Anlegen von Spannungen gleichen Vorzeichens an einen ersten und zweiten Faserstretcher in einem ersten und zweiten Zweig der optischen Strahlungsführung möglich.
Darüber hinaus kann ein Faserstretcher mit vergleichsweise hoher Scanrate betrieben werden. Es hat sich gezeigt, dass – je nach vorgesehener Amplitude eines Weglängenunterschieds – eine Taktrate zwischen 100 Hz und 1,5 kHz, insbesondere zwischen 300 Hz und 1,2 kHz, möglich ist. Der Faserstretcher kann auch bei vergleichsweise niedrigen Scanraten, z. B. mit Taktraten gegebenenfalls unterhalb von 10 Hz, insbesondere unterhalb von 1 Hz, betrieben werden. Die Wahl einer hohen Taktrate und damit verbunden der Amplitude eines Weglängenunterschieds kann bevorzugt in Abhängigkeit einer gewünschten spektralen Auflösung und nach Maßgabe eines Linienabstands bei einem Frequenzkamm gewählt werden. Die Wahl einer niedrigen Taktrate kann Zur weiterbildenden Durchführung eines THz-Spektroskopieverfahrens hat es sich als besonders bevorzugt erwiesen, dass aus einem Photostrom gewonnene Messdaten zur Bestimmung einer Referenz von Phase und Amplitude der THz-Strahlung genutzt werden, d. h. Messdaten mit einer zu untersuchenden Probe werden mit Referenz-Daten (ohne Probe) verglichen. Vorteilhaft kann ein Referenz-Einstrahlspektrum erzeugt werden. Ein Einstrahlspektrum enthält grundsätzlich die spektralen Eigenschaften einer Energieverteilung der Lichtquelle, die Transmissionsfunktion des Spektrometers als auch die Empfindlichkeit des Detektors.
Eine Weiterbildung des THz-Spektroskopieverfahrens sieht vorteilhaft vor, dass aus einem Photostrom gewonnene Messdaten zur Bestimmung der Phase und Amplitude der THz-Strahlung mit der zweiten bzw. dritten THz-Frequenz (als Differenzfrequenz aus der ersten ω1 und dritten ω3 bzw. zweiten ω2 und dritten ω3 optischen Frequenz) zur Erzeugung eines Mess-Einstrahlspektrums genutzt werden. Ein Mess-Einstrahlspektrum enthält grundsätzlich die spektralen Eigenschaften einer Energieverteilung der Lichtquelle, eine Transmissionsfunktion des Spektrometers und die Empfindlichkeit des Detektors und, falls vorhanden, die spektralen Eigenschaften einer Probe. Das so bestimmte Mess-Einstrahlspektrum lässt sich insbesondere für verschiedene Messfrequenzen durchstimmbar erstellen wenn die dritte Frequenz ω3 durchstimmbar gewählt wird.
Ein Mess-Einstrahlspektrum (mit zweiter und/oder dritter THz-Frequenz gewonnen) kann grundsätzlich über die Bezugsdaten (mit erster THz-Frequenz ω1-ω2 gewonnen) hinsichtlich einer thermischen Drift korrigiert werden. Diese Maßnahme erweist sich insbesondere als vorteilhaft, wenn die Aufnahme eines Spektrums (bestehend auf vielen einzelnen, nacheinander gemessenen Mess-Frequenzen) einen längeren Zeitraum in Anspruch nimmt oder wenn ein längerer Zeitraum zwischen der Aufnahme eines Spektrums ohne zu messende Probe und der Aufnahme eines Referenz-Spektrums mit Probe liegt. Die damit verbundene Problematik ist gemäß dem Konzept der Erfindung praktisch beseitigt, da Mess-Daten bei ω1-ω3 und ω2-ω3 sowie Bezugsdaten bei ω1-ω2 als Korrekturmaß zeitgleich aufgenommen werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Diese soll die Ausführungsbeispiele nicht notwendigerweise maßstäblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen betreffend die Form und das Detail einer Ausführungsform vorgenommen werden können, ohne von der allgemeinen Idee der Erfindung abzuweichen. Die in der Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Weiterbildung der Erfindung wesentlich sein. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei Stellen der Beschreibung, der Zeichnung und/oder der in den Ansprüchen offenbarten Merkmale. Die allgemeine Idee der Erfindung ist nicht beschränkt auf die exakte Form oder das Detail der im Folgenden gezeigten und beschriebenen bevorzugten Ausführungsform oder beschränkt auf einen Gegenstand, der eingeschränkt wäre im Vergleich zu dem in den Ansprüchen beanspruchten Gegenstand. Bei angegebenen Bemessungsbereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart und beliebig einsetzbar und beanspruchbar sein.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in:
1 eine erste bevorzugte Ausführungsform eines CW-THz-Spektrometers gemäß dem Konzept der Erfindung mit einem einfachen Modulator zur Modulation eines optischen Weglängenunterschieds (OPD) zwischen einem ersten und zweiten Zweig der optischen Strahlungsführung des CW-THz-Spektrometers – die Ausführungsform kann in zwei Varianten mit einer Single-Mode optischen Quelle zweiter Art (L3) oder einer Multi-Mode optischen Quelle zweiter Art (L4) realisiert sein;
2 eine zweite Ausführungsform eines CW-THz-Spektrometers gemäß dem Konzept der Erfindung, wobei eine Modulatoranordnung zur Modulation eines optischen Weglängenunterschieds (OPD) mittels zwei Faserstretchern gebildet ist, wobei ein erster Faserstretcher in einem ersten Zweig und ein zweiter Faserstretcher in einem zweiten Zweig der optischen Strahlungsführung angeordnet ist und wobei die Faserstretcher asymmetrisch mittels inversen Spannungen betrieben werden – die Ausführungsform kann in zwei Varianten mit einer Single-Mode optischen Quelle zweiter Art (L3) oder einer Multi-Mode optischen Quelle zweiter Art (L4) realisiert sein;
3 ein Beispiel eines mit einer ersten CW-THz-Frequenz detektierten Photostroms bei etwa 103 GHz – in Ansicht A ist der in einem Messaufbau der 2 unter Nutzung eines optischen Weglängenunterschieds (OPD) gemessene Photostrom gezeigt, wobei der optische Weglängenunterschied mit einem Faserstretcher erzeugt ist – in Ansicht B ist der mit einer motorisierten Wegverzögerungseinheit in der CW-THz-Strahlungsführung gemessene Photostrom gezeigt;
4 in Ansicht A eine Spannung bei einem Faserstretcher des Aufbaus der 2 und einen THz-Photostrom am photomischenden THz-Empfänger als Funktion der Zeit für eine THz-Frequenz von 600 GHz – in Ansicht B sind die gleichen Daten gezeigt, wobei der Photostrom des THz-Empfängers gegen die Spannung des Faserstretchers aufgetragen ist; insofern stellt dies ein Interferogramm für eine Bezugsfrequenz ω1-ω2 dar.
In der Frequenzdomäne ist das Photomischen eine besonders attraktive Methode, THz-Strahlung mit einer Differenzfrequenz von vorliegend drei Lasern L1, L2, L3 zu erzeugen. Typischer Weise liegen die optischen Frequenzen ω1, ω2, ω3 der drei Laser L1, L2, L3 im nahen Infrarot (NIR) – bei den vorliegenden Ausführungsformen im Bereich zwischen 850 und 855 nm. Das vorliegend an der Zeichnung beispielhaft erläuterte Konzept der Erfindung kombiniert eine hohe spektrale Auflösung, die praktisch nur eingeschränkt ist durch die Lasercharakteristik der drei Laser L1, L2, L3, als auch eine vergleichsweise große spektrale Bandbreite für eine messbare CW-THz-Strahlung, die bis zu 2 THz reicht – auch letztere ist praktisch nur durch die spektralen Eigenschaften der eingesetzten Laser L1, L2, L3 und der Photomischer, d. h. THz-Sender und Empfänger, begrenzt. In allen Fällen ist eine kohärente homodyne Detektion von CW-THz-Strahlung mit dem hier beschriebenen Interferometer möglich. Vorliegend wird die Amplitude und Phase der CW-THz-Strahlung bei den Frequenzen ω1-ω2, ω1-ω3, und ω2-ω3 unter Superposition mit den Mischfrequenzen ω1-ω2, ω1-ω3, ω2-ω3 aus den drei optischen Frequenzen ω1, ω2, ω3 im photomischenden Empfänger 32 bestimmt. Durch die Überlagerung der Strahlung jeweils zweier Laser L1, L2, L3 entsteht eine ”Schwebung” in der Intensität. Durch ein CW-THz-Spektrometer, wie es in 1 und 2 mit drei Lasern L1, L2, L3 gezeigt ist, ergibt sich die Möglichkeit, Präzisionsmessungen über einen sehr breiten Frequenzbereich zu realisieren. Grundsätzlich ist die Messgenauigkeit durch insbesondere eine thermische Drift der mechanischen Komponenten des Spektrometers 100, 200, 300, 400, insbesondere der Strahlungsführung sowie der optischen Faser, begrenzt. Diese Drift ist von Bedeutung, da typischerweise eine Messung der Probe zur Aufnahme eines Messspektrums und die Messung ohne Probe zur Aufnahme eines Referenzspektrums zeitlich nacheinander durchgeführt werden. Ein Zeitabstand dazwischen kann mit einer Drift des CW-THz-Spektrometers – z. B. der Strahlungsführung oder der Quellenanordnung – verbunden sein, was somit zu fehlerhaften Messdaten führt. Eine gleichzeitige Aufnahme einer Bezugsmessung und Probemessung wird in besonders vorteilhafter Weise durch das in Bezug auf 1 und 2 erläuterte effizient nutzbare Spektrometer 100, 200, 300, 400 erreicht. Dies ist aufgrund der gezeigten Spektrometer unter Einsatz der drei Laser L1, L2 und L3 und Erzeugung von Mischfrequenzen ω1-ω2, ω1-ω3, ω2-ω3 aus den drei optischen Frequenzen ω1, ω2, ω3 möglich. Dabei ist jedenfalls ω1-ω2 hochpräzise und weitgehend stabil, sodass Drifteinflüsse daraus abgeleitet werden können.
Dazu werden die Laser L1 und L2 hochpräzise und stabil vorliegend mit einer DFB-Laserdiode ausgeführt, die zwischen ca. 850 nm und 855 nm durchstimmbar sind. Der dritte Laser L3 liefert eine optische Frequenz ω3, die vergleichsweise breitbandig durchstimmbar ist. So wird bei einer Mischfrequenz ω1-ω2 im THz-Bereich eine besonders stabile und präzise Mischfrequenz erzeugt sowie zwei durchstimmbare CW-THz-Frequenzen ω1-ω3 und ω2-ω3, die als Messfrequenzen dienen und auch als Probefrequenzen bezeichnet sind. Eine etwaige Drift der in 1 und 2 gezeigten CW-THz-Spektrometer 100, 200 und 300, 400 ist somit auf der Bezugs-Frequenz ω1-ω2 erkennbar und kann vollständig für die anderen Mischfrequenzen (Mess- oder Probefrequenzen) kompensiert werden. Der Ansatz eines CW-THz-Spektrometers 100, 200 und 300, 400 mit drei Lasern L1, L2, L3 in der beschriebenen Weise erhöht die Genauigkeit der Bestimmung der durch eine Probe P induzierten Phasenverschiebung und Amplitude bei einer CW-THz-Strahlung, insbesondere auch dadurch, dass immer zeitgleich mit den Messfrequenzen ω1-ω3, ω2-ω3 und der Bezugsfrequenz ω1-ω2 gemessen wird. Damit ist eine vorteilhafte Möglichkeit geschaffen die Drift beim Spektrometer zeitgleich mit einer Messung zu ermitteln.
Im einzelnen Bezug nehmend auf 1 sieht das CW-THz-Spektrometer 100, 200 den vorgenannten, hochpräzisen stabilen Laser L1 sowie den separat davon gebildeten, hochpräzisen stabilen Laser L2 als separate Laser einer Quellenanordnung einer kohärenten optischen Quelle erster Art I vor. Desweiteren sieht das CW-THz-Spektrometer 100 den dritten Laser L3 bzw. das CW-THz-Spektrometer 200 den vierten Laser L4 als breitbandig durchstimmbaren Laser zur Bildung einer kohärenten optischen Quelle zweiter Art II vor. Die so gebildete Quellenanordnung 10 des CW-THz-Spektrometers liefert wenigstens drei diskrete optische Frequenzen ω1, ω2, ω3 bzw. ω3_i, die in eine optische Strahlungsführung in Form einer Faserführung 20 eingekoppelt werden. Dazu weist die Faserführung eine erste optische Koppelstrecke 20.1 zur Einkopplung der ersten optischen Frequenz ω1 und Einkopplung der zweiten optischen Frequenz ω2 auf – daran anschließend eine zweite optische Koppelstrecke 20.2 zur weiteren Einkopplung einer dritten optischen Frequenz ω3 in die Strecke der Faserführung 20 auf. Eine genannte Koppelstrecke kann hier z. B. als sogenannter Faser-Combiner oder Strahlteiler od. dgl. gebildet sein. Des Weiteren sieht die Faserführung 20 eine Freistrahloptik 27 vor, welche die Faserführung an die weitere optische Strahlführung in Form einer Freistrahlführung 29 ankoppelt. Die Freistrahlführung 29 weist einen ersten Zweig 21 sowie einen zweiten Zweig 22 vor. In dem zweiten Zweig 22 ist ein einziger Modulator als eine optische Wegverzögerungseinheit 23 für den optischen Freistrahl gebildet, die in der Lage ist, einen Phasenunterschied zwischen einer Mischfrequenz ω1-ω2, ω1-ω3, ω2-ω3 der optischen Strahlung bei ω1, ω2, ω3 und der CW-THz-Strahlung 40 mittels eines optischen Weglängenunterschieds des ersten Zweigs 21 zum zweiten Zweig 22 zu erzeugen. An den ersten Zweig 21 ist ein die Frequenzen ω1, ω2, ω3 der optischen Strahlung mischender opto-elektronischer Mischer in Form eines Senders 31 zur Erzeugung der CW-THz-Strahlung 40 gekoppelt. Entsprechend ist an den zweiten Zweig 22 ein die Frequenzen der optischen Strahlung in dem zweiten Zweig 22 mischender opto-elektronischer Mischer in Form eines Empfängers 32 gekoppelt. Die opto-elektronischen Mischer sind mittels hochenergie-ionen-implantiertem Galliumarsenid mit einer aktiven Fläche von etwa 9 × 9 μm gebildet. Im Vergleich zu LT-Galliumarsenid hat dies den Vorteil, dass das photokonduktive Material sehr reproduzierbar ist. Die Photomischer werden mit einer selbstkomplementären-log-periodischen Spiralbreitbandantenne mit drei Umdrehungen integriert. Ein solches Design ist ausreichend, um eine nahezu konstante Antennenimpedanz im Frequenzbereich von etwa 100 GHz bis weit oberhalb 1 THz zu erzeugen. Darüber hinaus sind die opto-elektronischen Mischer, d. h. Sender 31 und Empfänger 32, mit einer hyperhemisphärischen Siliziumlinse 33 versehen. Die verbleibende Strahldivergenz der CW-THz-Strahlung 40 am Sender und Empfänger 31, 32 liegt unterhalb von 10°. Die emittierte CW-THz-Strahlung 40 wird über zwei außeraxiale Parabolspiegel 41, 42 mit jeweils 75 mm Brennweite fokussiert. Die Probe P kann in eine Apertur der kollimierten CW-THz-Strahlung 40 eingebracht werden oder aus dieser entfernt werden. Der Photostrom im Empfänger 32 ist geringer als 1 μA und im Bereich eines Absorptionsbandes der Probe P oder im Falle destruktiver Interferenz bei der homodynen kohärenten Detektion des Photostroms nahe des Rauschpegels von etwa 4 pA. Aufgrund der kohärenten Detektion wird ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis (bezogen auf die THz-Intensität) von mehr als 90 dB bei 100 GHz erreicht.
Der in 1 gezeigte Aufbau eines CW-THz-Spektrometers 100, 200 sieht die Aufnahme einer Bezugsmessung unter Nutzung der diskreten Frequenzen ω1, ω2 vor. Dazu wird der Phasenunterschied zwischen der CW-THz-Strahlung 40 und der Mischfrequenz ω1-ω2 über einen optischen Weglängenunterschied OPD zwischen dem ersten Zweig 21 und dem zweiten Zweig 22 moduliert, was mittels der optischen Wegverzögerungseinheit 23 erfolgt. Insbesondere kann in der Bezugsmessung eines Photostroms im Empfänger 32 zur Bestimmung eines Korrekturmaßes die Phase und Amplitude der CW-THz-Strahlung 40 sehr präzise und stabil für die erste Mischfrequenz ω1-ω2, d. h. CW-THz-Frequenz derselben, bestimmt werden. Die Präzision der Mischfrequenz ω1-ω2 wird durch eine besondere Schmalbandigkeit der Laserlinien für die optischen diskreten Frequenzen ω1, ω2 erreicht, sodass auch die Mischfrequenz ω1-ω2 besonders präzise definiert ist. Die Stabilität der Mischfrequenz ω1-ω2 wird durch eine Stabilisierung der DFB-Laserdioden erreicht. Vorliegend kann durch einen entsprechenden Regelkreis entweder jede der optischen Frequenzen ω1, ω2 stabilisiert werden oder der Abstand ω1-ω2 der optischen Frequenzen ω1, ω2 stabilisiert werden. Da die Laser L1 und L2 als DFB-Laserdioden zwischen ca. 850 nm und 855 nm durchstimmbar sind, kann unter Regelung der Temperatur und/oder des Stroms der DFB-Laserdioden die optische diskrete Frequenz ω1, ω2 derselben angepasst werden, um direkt die Mischfrequenz ω1-ω2 auf einen stabilen Wert zu regeln. Die der frequenzstabilisierten Mischfrequenz ω1-ω2 zugeordneten Signalanteile des Photostroms am Empfänger 32 – zugeordnet einer Phase φ und Amplitude A der CW-THz-Strahlung – lassen sich in der Auswerteeinheit durch trigonometrische Interpolation des Photostroms als Funktion des optischen Weglängenunterschieds als Empfängersignal ermitteln.
Alle aus den diskreten optischen Frequenzen ω1, ω2, ω3 gebildeten Mischfrequenzen ω1-ω2, ω1-ω3, ω2-ω3 der CW-THz-Strahlung 40 werden im Spektrometer 100, 200 zeitgleich durch eine Probe P in der CW-THz-Strahlungsführung geführt, d. h. im Empfänger werden neben der frequenzstabilisierten Mischfrequenz ω1-ω2 auch die weiteren Mischfrequenzen ω1-ω3, ω2-ω3 der CW-THz-Strahlung 40 empfangen. Messdaten der Probe P bei den weiteren Mischfrequenzen ω1-ω3, ω2-ω3 werden so zeitgleich mit der Bezugsmessung bestimmt. Ein Photostrom der stabilen Mischfrequenz ω1-ω2 wird immerfort mit einem Photostrom der weiteren durchstimmbaren Mischfrequenzen ω1-ω3 und ω2-ω3 bestimmt – d. h. zu jedem Zeitpunkt der Messung steht eine Bezugsmessung für die Messdaten zur Verfügung.
Dem Konzept der Erfindung folgend wird angenommen, dass die zu Beginn T₀ einer Messung bestimmte oder ein Mittelwert der Phase φ₀ und Amplitude A₀ einer CW-THz-Strahlung auf der frequenzstabilisierten Mischfrequenz ω1-ω2 im wesentlichen stabil ist und sich allenfalls aufgrund von Driftänderungen des Spektrometers entwickelt; diese können sich aufgrund von z. B. thermischen oder sonstigen langsam dynamischen Einflüsse auf die mechanischen Komponenten des Spektrometers ergeben. Anders ausgedrückt wird angenommen, dass die zu einem späteren Zeitpunkt T1 einer Messung bestimmte Phase φ1 und Amplitude A1 einer CW-THz-Strahlung auf der frequenzstabilisierten Mischfrequenz ω1-ω2 im wesentlichen langsam dynamische Einflüsse auf die mechanischen Komponenten des Spektrometers widergibt und ausdrücklich keine probenspezifische Entwicklung der Phase φ und Amplitude A einer CW-THz-Strahlung 40 widerspiegelt (bei konstanten Bedingungen für die Probe). Es wird gemäß dem Konzept der Erfindung angenommen, dass diese driftbedingte Entwicklung der Phase φ und Amplitude A einer CW-THz-Strahlung 40 auf der frequenzstabilisierten Mischfrequenz ω1-ω2 auch für die Phase φ und Amplitude A einer CW-THz-Strahlung 40 bei den weiteren Mischfrequenzen ω1-ω3 und ω2-ω3 vorliegt. Die infolge der Messdaten der weiteren Mischfrequenzen ω1-ω3 und ω2-ω3 ermittelten Phasen φ und Amplituden A der CW-THz-Strahlung 40 sind insofern mit der driftbedingten Entwicklung der Phase φ und Amplitude A einer CW-THz-Strahlung 40 auf der frequenzstabilisierten Mischfrequenz ω1-ω2 zu korrigieren. Insbesondere können somit auch bei zeitlich beabstandeten Messungen (z. B. der Probe und der Referenz (ohne Probe)) Drifteinflüsse des CW-THz-Spektrometers 100, 200 korrigiert werden. Das CW-THz-Spektrometer 100, 200 – sowie auch das CW-THz-Spektrometer 300, 400 der 2 – weist dazu eine Auswerteeinheit 50 mit einem Modul zur Bestimmung eines Drifts der Phase und Amplitude φ₀, A₀, φ_i, A_i der THz-Strahlung 40 bei der stabilisierten Mischfrequenz ω1-ω2 auf. Das Modul ist ausgebildet, einen zeitlichen Driftverlauf der Phase und Amplitude φ_i, A_i über die gesamte Messzeit zu bestimmen und anschließend einen Mittelwert der Phase und Amplitude φ₀, A₀ aus dem Driftverlauf zu bestimmen.
Beim CW-THz-Spektrometer 100 mit einem als breitbandig durchstimmbarer Single-Mode-Laser ausgebildeten dritten Laser L3 wird eine durchstimmbare einzige dritte optische diskrete Frequenz ω3 bereitgestellt. Dies kann zur Bildung der weiteren nunmehr durchstimmbaren CW-THz-Frequenzen ω1-ω3 und ω2-ω3 genutzt werden. Mit den zwei unterschiedlichen durchstimmbaren Mischfrequenzen ω1-ω3 und ω2-ω3 zur Bildung je einer CW-THz-Frequenz lässt sich bereits die Messzeit ein einzelnes Spektrum halbieren. Beispielsweise kann die dritte optische Frequenz ω3 zunächst etwa mittig zwischen den Frequenzen ω1 und ω2 gewählt und dann in geeignetem Bereich durchgestimmt werden. Das CW-THz-Spektrometer 100, 200 – sowie auch das CW-THz-Spektrometer 300, 400 der 2 – weist dazu eine mit den Lasern L1, L2, L3 bzw. L1, L2 L4 über eine Steuerleitung S bzw. S' verbundene Justiereinheit 60 auf, die ausgebildet ist, zur Aufnahme eines THz-Spektrums die wenigstens eine weitere Mischfrequenz ω1-ω3 bzw. ω1-ω3_i ω2-ω3 bzw. ω2-ω3_i im Bereich des THz-Spektrums zu verstimmen und dabei die stabilisierte Mischfrequenz ω1-ω2 konstant zu halten.
Die spektrale Auflösung eines CW-THz-Spektrometers 100, 200, 300, 400 hängt grundsätzlich zunächst von den Linienbreiten der Strahlungscharakteristik der Laser L1, L2 und L4 ab. In einer die Ausführungsform der 1 variierenden Ausführungsform des CW-THz-Spektrometers 200 ist vorgesehen, den Laser L3 durch einen als Multi-Mode-Laser ausgebildeten Laser L4 zu ersetzen, der eine Vielzahl von diskreten optischen Frequenzen erzeugt. Der Aufbau eines solchen alternativen CW-THz-Spektrometers 200 sieht einen multimodalen Laser L4 vor, der die Vielzahl von diskreten optischen Frequenzen als gleichbeabstandete Stimmfrequenzen ω3_i = ω3 +/– n·Δω mit i = 1 ... n erzeugt. Üblicherweise müsste im Falle der Verwendung eines kontinuierlichen (weißen) Spektrums um eine Schwerpunktfrequenz ω3 eine Amplitude und Phase einer CW-THz-Strahlung verschiedener Frequenzbeiträge bestimmt werden; dies im Rahmen einer vergleichsweise aufwändigen Fourier-Transformation eines durch den Photostrom dargestellten Interferogramms. Für eine ausreichende Auflösung im Bereich von z. B. 1 GHz kann dann durchaus eine erhebliche Verzögerungsstrecke bei der Wegverzögerungseinheit 23 zur Variation eines optischen Weglängenunterschieds OPD von 30 cm oder mehr erforderlich sein. Durch die vorliegende vorteilhafte Verwendung des Lasers L4 als optisch kohärente Quelle mit einer Vielzahl von diskreten optischen Frequenzen ω3_i kann dieses Problem umgangen werden. So lassen sich beispielsweise eine Reihe von Frequenzen ω3_i mit einem äquidistanten Linienabstand von z. B. Δω = 25 GHz vorsehen. In dem Fall kann ein von der optischen Wegverzögerungseinheit 23 erzeugter optischer Weglängenunterschied OPD im Bereich von etwa 1 cm ausreichend sein, um die den einzelnen Frequenzen ω3_i zugeordneten Signalinformationen im Photostrom spektral zu trennen. Insgesamt kann die Ausführungsform eines CW-THz-Spektrometers 200 – wie es in 1 mit einem zum Laser L3 alternativen Laser L4 dargestellt ist – genutzt werden, um bei moderater Amplitude des Weglängenunterschieds (von z. B. 1 cm) eine von dieser Amplitude dann unabhängige spektrale Auflösung zu erhalten, die nur noch von den Charakteristika der Laser abhängt. Bereits mit einem optischen Weglängenunterschied OPD von 1 cm und der Verwendung eines Frequenzkamms ω3_i durch den Laser L4 mit einem Linienabstand von 25 GHz können Messwerte im vollen Bereich einer spektralen Breite bis zu 2 THz erzielt werden; dies mit hoher Auflösung unter Bestimmung der Phase φ und Amplitude Ader THz-Strahlung 40. Darüberhinaus kann dieser Umstand genutzt werden, um eine Amplitude eines Weglängenunterschieds an der Wegverzögerungseinheit 23 zu verringern, wenn die Beabstandung der Stimmfrequenzen im Frequenzkamm angemessen erhöht wird. Die Messzeit für ein gesamtes Spektrum verringert sich entsprechend.
Wenn zusätzlich der Laser L4 durchstimmbar ausgeführt ist, kann dies genutzt werden den Frequenzkamm mit allen Frequenzen leicht zu verstimmen, z. B. im Bereich um 1 MHz. In dem Fall kann im Prinzip auch eine weit unter 1 GHz liegende hohe Auflösung im MHz-Bereich oder sogar darunter erreicht werden, obwohl ein Hub der Wegverzögerungseinhiet 23 womöglich nur zur spektralen Trennung des Linienabstands von 25 Ghz ausreichend ist.
Die Verwendung von äquidistanten Stimmfrequenzen eines Frequenzkamms bestehend aus Stimmfrequenzen ω3_i = ω3 +/– n·Δω mit i = 1 ... n erlaubt darüber hinaus die Bestimmung einzelner Beiträge im Interferogramm des Photostroms durch trigonometrische Interpolation. Diese erweist sich im Rechenaufwand als sehr viel einfacher im Vergleich zu einer Fourier-Transformation.
2 zeigt CW-THz-Spektrometer 300, 400 die – wie die CW-THz-Spektrometer 100, 200 der 1 – nach dem Prinzip ähnlich eines Mach-Zehnder-Interferometers für eine dispersive Fourier-Transformations-Spektroskopie ausgelegt sind. Auch die Variante eines CW-THz-Spektrometers 300 ist mit einem einfach durchstimmbaren Laser L3 möglich. Die Variante eines CW-THz-Spektrometers 400 ist mit einem Laser L4 möglich, der durchstimmbar einen Frequenzkamm von Stimmfrequenzen ω3_i = ω3 +/– n·Δω mit i = 1 ... n, wie anhand von 1 beschrieben, liefert. Betreffend diese Gemeinsamkeiten wird auf die Beschreibung der 1 verwiesen.
Im Unterschied zu den Ausführungsformen der 1, ist der optische Teil des Aufbaus der CW-THz-Spektrometer 300, 400 vollständig faserbasiert und aufgrund der kompletten Faserführung 20 vergleichsweise kompakt. Darüberhinaus erlaubt der Aufbau eine besonders kurze Messzeit mit großer Bandbreite und guter spektraler Auflösung – birgt also ein hohes Anwendungspotenzial. Der Aufbau ist robust und stabil, da insbesondere in den Freistrahl der CW-THz-Strahlung 40 nicht eingegriffen wird. Soweit die Frequenzen des Lasers L4 diskrete äquidistante Frequenzen sind, kann zudem eine Fourier-Transformation im Rahmen der nicht näher dargestellten Auswerteeinheit 50 durch trigonometrische Interpolation oder Regression ersetzt werden. Damit ist bei gleicher Verzögerungsstrecke eine höhere Auflösung möglich.
Das CW-THz-Spektrometer 300 sieht die Verwendung von drei Single-Mode-Lasern, L1, L2, L3 bzw. das CW-THz-Spektrometer 400 sieht die Verwendung von zwei Single-Mode-Lasern, L1, L2 und einem Multi-Mode-Laser L4 vor, wobei in beiden Fällen eine Bezugsmessung bzw. ein Korrekturmaß einer Amplitude und Phase einer CW-THz-Strahlung mit hoher Präzision immerfort gleichzeitig mit einem Messpektrum aufgenommen werden kann. Die CW-THz-Spektrometer 300, 400 nutzen jedoch im Vergleich zu den CW-THz-Spektrometern 100, 200 eine Modulatoranordnung 25 mit einem erste Faserstretcher 25.1 im ersten Zweig 21 des CW-THz-Spektrometers 300, 400 und mit einem zweiten Faserstretcher 25.2 im zweiten Zweig 22 des CW-THz-Spektrometers 300, 400 – diese ersetzen den Modulator in Form der optischen Wegverzögerungseinheit 23 bei den CW-THz-Spektrometeren 100, 200.
Konkret wird vorliegend die Phase der durch Mischen der optischen diskreten Frequenzen ω1, ω2, ω3 der optischen Strahlung erzeugten Mischfrequenzen ω1-ω2 bzw. ω1-ω3 bzw. ω2-ω3 durch einen piezogetriebenen Faserstretcher 25.1, 25.2 der Modulatoranordnung 25 variiert. Die Länge einer Lichtfaser der Faserführung 20 liegt bei etwa 60 m, welche zum allergrößten Teil auf einem zylindrischen Piezokörper aufgewickelt ist. Eine Umfangslängenänderung des Piezokörpers erzeugt eine Änderung der optischen Weglänge OPD der Faser. Prinzipiell ist eine solche Änderung der optischen Weglänge in der oben beschriebenen Weise auch mit der optischen Verzögerungsstrecke der Wegverzögerungseinheit 23 möglich, jedoch nicht mit der vorliegend hohen Scanrate. Z. B. ist bei den Ausführungsformen der CW-THz-Spektrometer 300, 400 in 2 eine Variation und/oder Modulation der optischen Weglänge OPD von 3 mm mit einer Modulationsrate von ca. 1 kHz möglich. Dies entspricht einem Hub der Faserstretcher 25.1, 25.2 von 1 cm bei 300 Hz. Für jeden Datenpunkt des Photostroms kann so in relativ kurzer Zeit über viele Perioden gemittelt werden, was einer effektiven Datenrate von ca. 3 Hz entspricht. Insgesamt führt dies zu einer vergleichsweise kurzen Messdauer bei dennoch hoher Auflösung bzw. geringem Frequenzabstand der aufgenommenen Messpunkte für den Photostrom. Diese können auch auf den jeweiligen Bedarf angepasst werden. Es hat sich gezeigt, dass die Aufnahme eines CW-THz-Spektrums bis zu 2 THz mit einer Auflösung von 1 GHz nur rund 10 Minuten an Messzeit benötigt. Wird dagegen eine relativ grobe Auflösung von 20 GHz genügen, so sind bereits 30 Sekunden ausreichend.
Der asymmetrische Betrieb der Faserstretcher 25.1, 25.2 erhöht zusätzlich den im ersten Zweig 21 und im zweiten Zweig 22 erzeugten Weglängenunterschied. Darüber hinaus wird die Empfindlichkeit in Bezug auf thermische Schwankungen reduziert, da sich diese in beiden Pfaden gleich auswirken – thermische Schwankungen oder sonstige langsam dynamische Drifts in den Faserstretchern sind nahezu vollständig kompensierbar. Konkret lassen sich die Faserstretcher mit einer bipolaren Spannung bis zu ±400 V bei 300 Hz betreiben. Höhere Modulationsraten sind bei geringeren Amplituden möglich. Insbesondere ist der erste Zweig 21 und der zweite Zweig 22 exakt symmetrisch aufbaubar, so dass die Faserstretcher 25.1, 25.2 mit invertierter Spannung betreibbar sind. Insgesamt führt dies dazu, dass eine Stretchrate von 12,77 μm/V bei einem Brechungsindex von n = 1,38 zu einer optischen Weglängenverzögerung pro Volt OPD(V) = n·12,77 μm/V = 17,7 μm/V führt. Dies entspricht der vorerwähnten Weglängendifferenz von 3 mm – benötigt wird dafür eine Spannungsamplitude von ±85 V, die je nach Bedarf eine Stretchrate von bis zu 1200 Hz erlaubt.
Grundlage der 3 ist ein Phasenunterschied zwischen einer CW-THz-Strahlung 40 und einer optischen Schwebung, die durch einen Weglängenunterschied erzeugt ist: δφ = 2π/λ·OPD(V)·V, wobei λ die THz-Wellenlänge, V die Spannung für den Faserstretcher und OPD(V) der optische Weglängenunterschied pro Volt ist. Gezeigt ist der detektierte Photostrom bei etwa 103 GHz in Ansicht (A) für einen Scan mit einem Faserstretcher gemäß Aufbau 2 und in Ansicht (B) mittels einer motorisierten Verzögerungseinheit in einer THz-Freistrahlführung. Die Abweichung von einem cos-Verlauf in 3 Ansicht (B) wird durch stehende Wellen in der Freistrahlführung der THz-Strahlung 40 erzeugt. Dieser Umstand verdeutlicht die zusätzlichen messtechnischen erheblichen Vorteile der Nutzung eines Faserstretchers bei den Ausführungsformen der 2.
4 zeigt in Ansicht (A) und Ansicht (B) ein Messergebnis, bei dem die Faserstretcher 25.1, 25.2 mit einer Frequenz von etwa 800 Hz bei einer bipolaren Spannungsamplitude von 85 V moduliert sind, also einen optischen Weglängenunterschied OPD von 3 mm produzieren. Bei einer CW-THz-Frequenz von 1 THz erlaubt dies einen Phasenshift von 10·2·π, d. h. eine effektive Modulationsfrequenz von etwa 8 kHz. 4 Ansicht (A) zeigt die Spannung der Faserstretcher 25.1, 25.2 und den THz-Photostrom beim Empfänger 32 als eine Funktion der Zeit für eine THz-Frequenz von 600 GHz. Hier wurde die Rate der Spannungsmodulation für 800 Hz gewählt und der Photostrom wurde über 240 Perioden entsprechend einer Periodenzeit von 300 ms gemittelt. Die Daten wurden bei einer geöffneten Apertur mit einem Durchmesser von 10 mm, d. h. ohne Probe, aufgenommen. Die sinusartige Spannung V des Faserstretchers und der detektierte THz-Photostrom ist in beiden Fällen als Funktion der Zeit gezeigt. Bei den Extrema der Spannung V wird die Länge, also der Photostrom, nur vergleichsweise langsam moduliert, was sich im Bild der 4 Ansicht (A) deutlich zeigt. Im Übrigen ist in 4 Ansicht (B) das erwartete exakte Cosinus-Verhalten des Photostroms ersichtlich, wenn dieser gegenüber der Spannung der Faserstretcher aufgetragen wird. Die Amplitude und Phase der cos-Funktion der 4 Ansicht (B) kann mit einer Funktion der niedrigsten Fehlerquadrate angepasst werden – die Frequenz ist über die optische Wellenlänge der THz-Strahlung bestimmt. Es hat sich gezeigt, dass diese Vorgehensweise auch zu einem exakten Verhalten selbst für niedrige Frequenzen der CW-THz-Strahlung führt, bei welcher stehende Wellen in der Freistrahlführung der CW-THz-Strahlung 40 – wie aus 3 Ansicht (B) ersichtlich – üblicherweise ein Problem darstellen würden; dies ist beim vorliegenden Ansatz beseitigt.
Im Rahmen einer besonders bevorzugten Ausführungsform ermöglicht zusammenfassend insbesondere beim CW-THz-Spektrometer 400 die Kombination eines Multi-Mode-Lasers L4 mit diskreten äquidistanten Stimmfrequenzen – vorzugsweise mit einem Linienabstand von ca. 25 GHz – sowie den zwei Faserstretchern 25.1, 25.2 eine Erfassung eines breitbandigen CW-THz-Spektrums mit einer Rate von einigen hundert Hz bis hin zu 1,2 kHz. Je nach gewünschter spektraler Auflösung ist diese Rate begrenzt durch den eingestellten Hub der Modulatoranordnung zum Erreichen der gewünschten Amplitude der optischen Weglängenverzögerung OPD und die gewünschte Auflösung. Die beiden Faserstretcher 25.1, 25.2 können asymmetrisch zur Verkürzung der Messzeit und Erhöhung der spektralen Auflösung angeordnet sein. Die beiden Faserstretcher 25.1, 25.2 können auch symmetrisch betrieben werden. Insgesamt erlaubt ein CW-THz-Spektrometer 300, 400 eine mittels den Faserstretchern 25.1, 25.2 um bis zwei Größenordnungen verringerte Messzeit im Vergleich zu einem CW-THz-Spektrometer 100, 200 mit einer optischen Wegverzögerungseinheit 23 der 1.
5 zeigt eine besonders bevorzugte Ausführungsform eines – ähnlich einem Mach-Zehnder-Inferferometer aufgebauten – THz-Spektrometers 500 gemäß einer ersten Variante der Erfindung, bei welcher kohärente THz-Strahlung 40 direkt bei einer THz-Frequenz Ω₁, Ω₂ erzeugt wird. Die THz-Strahlung 40 ist vorliegend symbolisch mit als Linie gestricheltem Strahlungsverlauf in einer Strahlungsführung 520 dargestellt. Ω₁, Ω₂ bezeichnen zwei von gegebenenfalls auch mehreren diskreten THz-Frequenzen, welche im Unterschied zu den Ausführungsformen der 1 und 2 direkt durch die THz-Quelle 531 erzeugt werden. Die THz-Quelle 531 weist vorliegend eine Quelle I erster Art zur Erzeugung der THz-Frequenz Ω₁ und eine Quelle II zweiter Art zur Erzeugung der THz-Frequenz Ω₂ auf. Die THz-Quelle 531 – vorliegend mehrere BWO-Oszillatoren – hat die Funktion eines Senders 31, der ebenso wie weitere identische oder ähnliche Merkmale bzw. Merkmale identischer oder ähnlicher Funktion mit gleichem Bezugszeichen wie in 1 und 2 versehen ist. Die THz-Strahlung bei den THz-Frequenzen Ω₁, Ω₂ wird in einer symbolisch dargestellten Strahlungsführung 520 einem Strahlteiler 521 zugeführt, welcher die THz-Strahlung 40 bei den THz-Frequenzen Ω₁, Ω₂ einem ersten Zweig 21 und einem zweiten Zweig 22 des THz-Spektrometers 500 zuführt. Die THz-Strahlungsführung 520 mit dem ersten und zweiten Zweig 21, 22 ist vorliegend als Freistrahlführung mit Strahlteilern 521, 522 und Spiegeln 41, 42 ausgeführt. Im ersten Zweig 21 kann eine Probe P angeordnet sein, die von der THz-Strahlung 40 bei THz-Frequenzen Ω₁, Ω₂ durchleuchtet wird. Die THz-Strahlung 40 des ersten Zweigs 21 21 nach der Probe P trägt Information über die dielektrische Funktion der Probe P und wird in Durchgangsrichtung eines weiteren Strahlteilers 522 auf einen Empfänger 32 geführt. Im Strahlteiler 522 wird die THz-Strahlung 40 des ersten Zweiges mit der THz-Strahlung 40 der THz-Frequenzen Ω₁, Ω₂ des zweiten Zweigs 22 homodyn überlagert. Im zweiten Zweig 22 ist ein Modulator 23 als Wegverzögerungseinheit PD vorgesehen, mittels dem ein Phasenunterschied zwischen der THz-Strahlung 40 aus dem zweiten Zweig 22 und der THz-Strahlung 40 aus dem ersten Zweig 21 variierbar ist. Auf diese Weise lässt sich in dem mit einem Detektor ausgestatteten Empfänger 32 ein Empfängersignal in Abhängigkeit des variierten Phasenunterschieds detektieren. Der Detektor ist vorliegend als ein Intensitätsdetektor gebildet, z. B. in Form eines Bolometers mittels dem eine interferenz-abhängige Intensität am Empfänger 32 zur Bildung des Empfängersignals detektierbar ist. In Abhängigkeit des variierten Phasenunterschieds wird eine Phase und Amplitude der THz-Strahlung 40 detektiert, um die vollständige Information über die dielektrische Funktion der Probe P zu erhalten. Dazu ist der Detektor mit einer Auswerteeinheit 50 verbunden, die ausgebildet ist, die Phase und Amplitude der THz-Strahlung 40 bei der frequenzstabilisierten THz-Frequenz Ω₁ als Bezugsfrequenz und der wenigstens einen weiteren THz-Frequenz Ω₂ aus dem Empfängersignal zu bestimmen und miteinander zu vergleichen.
Ähnlich wie bei den in Bezug auf 1 und 2 erläuterten CW-THz-Spektrometern ist vorliegend ein Frequenzstabilisierungsmittel vorgesehen, das in der Lage ist die frequenzstabilisierte THz-Frequenz Ω₁ als Bezugsfrequenz wenigstens über einen Messzeitraum konstant zu halten. Dazu kann, muss aber nicht, die THz-Quelle 531 eine aktive oder passive Frequenzstabilisierung aufweisen, um die frequenzstabilisierte THz-Frequenz Ω₁ über den gesamten Messzeitraum als Bezugsfrequenz konstant zu halten. Dagegen kann die wenigstens eine weitere THz-Frequenz Ω₂ zur Aufnahme eines THz-Spektrums für die Probe P beispielsweise in einem Bereich zwischen 0,05 und 1,8 THz variiert werden. Die Breite des messbaren THz-Spektrums hängt von der über die THz-Quelle 531 verfügbaren Variationsbreite der THz-Frequenz Ω₂ ab. Sowohl die durchgestimmte – und damit entsprechend veränderte – THz-Frequenz Ω₂ als auch die – jeweils konstant gehaltene – frequenzstabilisierte THz-Frequenz Ω₁ werden somit in der THz-Strahlungsführung 520 des CW-THz-Spektrometers 500 gleichzeitig geführt Für jede Probe-Messung bei der weiteren THz-Frequenz Ω₂ steht damit eine zeitgleiche Bezugsmessung bei der frequenzstabilisierten THz-Frequenz Ω₁ zur Verfügung. Im Falle einer schnellen oder langsamen Drift des CW-THz-Spektrometers 500 kann – unter der Annahme, dass die Drift für die weitere THz-Frequenz Ω₂ und die frequenzstabilisierte THz-Frequenz Ω₁ gleich bzw. annähernd gleich ist – die Bezugsmessung als Korrekturmaß genutzt werden. Konkret wird eine bei der weiteren THz-Frequenz Ω₂ gemessene Phase bzw. Amplitude mittels einem zeitabhängigen Wert der Phase φ_i bzw. Amplitude A_i bei der frequenzstabilisierten THz-Frequenz Ω₁ oder einem Mittelwert φ₀, A₀ derselben korrigiert.
Ähnlich einem mit den CW-THz-Spektrometern 100, 200, 300, 400 durchgeführten Spektroskopieverfahren wird auch bei dem THz-Spektroskopieverfahren mit dem THz-Spektrometer 500 über die Bezugsmessung insbesondere eine zeitgleich ermittelte Driftkorrektur ermöglicht. Gleichzeitig mit einer durchgestimmten THz-Frequenz Ω₂, die als Messfrequenz dient, wird eine konstante, insbesondere frequenzstabilisierte THz-Frequenz Ω₁ im Spektrometer 500 geführt, die als Bezugsfrequenz zur Bestimmung eines Korrekturmaßes für Amplitude und Phase zur Verfügung steht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6348683 B1 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Verghese et al. in Appl. Phys. Lett. 73, 3824 (1998) [0004]
Roggenbuck et al. schlagen in New Journal of Physics, 12 (2010) 043017 ein Spektroskopieverfahren unter Nutzung zweier durchstimmbarer DFB(Distributed Feed Back)-Laserdioden vor [0004]
Deninger et al. in Rev. Sci. Instr. 79, 044702 (2008) [0005]
Göbel et al. schlagen in Electr. Lett. 45, 65 (2009) den Einsatz eines Faserstretchers als Phasenmodulator in CW-photomischenden Systemen vor [0006]
Tani et al. in Semiconductor Scientific Technology 20 (2005), S. 151–163 [0007]
Scheller und Koch in Optics Express 17, 17723 (2009) [0008]
Roggenbuck et al. [0009]
Deninger et al. [0009]
Göbel et al. [0009]

Claims

THz-Spektrometer (100, 200, 300, 400) aufweisend: – eine Quellen-Anordnung (10) zur Erzeugung von optischer Strahlung wenigstens einer ersten und einer zweiten optischen Frequenz (ω1, ω2), – eine an die Quellen-Anordnung (10) gekoppelte optische Strahlungsführung, die zur Führung der optischen Strahlung aller Frequenzen, einen ersten und einen zweiten Zweig (21, 22) aufweist, wobei der erste Zweig (21) einen opto-elektronischen Mischer in Form eines Senders (31) aufweist, mit dem THz-Strahlung (40) aus den Mischfrequenzen der optischen Frequenzen des ersten Zweigs (21) erzeugbar ist, der zweite Zweig (22) einen opto-elektronischen Mischer in Form eines Empfängers (32) aufweist, mit dem die THz-Strahlung (40) empfangbar ist, – eine Modulator-Anordnung (25) mit wenigstens einem Modulator (23) mittels dem ein Phasenunterschied zwischen einem Mischfrequenzsignal einer Mischfrequenz der optischen Frequenzen des zweiten Zweigs (22) und der THz-Strahlung (40) variierbar ist, – einen Detektor mittels dem ein Empfängersignal in Abhängigkeit des variierten Phasenunterschieds zur Bestimmung wenigstens einer Phase, insbesondere einer Phase und/oder Amplitude der THz-Strahlung (40) detektierbar ist, insbesondere mit einem Photostromdetektor mittels dem ein Photostrom am Empfänger (32) zur Bildung des Empfängersignals detektierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass – die Quellen-Anordnung (10) eine optische Quelle erster Art (I) zur Erzeugung der optischen Strahlung wenigstens der ersten und der zweiten optischen Frequenz (ω1, ω2) als diskrete Frequenzen aufweist, wobei ein Frequenzstabilisierungsmittel derart vorgesehen ist, dass wenigstens eine frequenzstabilisierte Mischfrequenz (ω1-ω2) bildbar ist, und eine optische Quelle zweiter Art (II) zur Erzeugung von optischer Strahlung wenigstens einer dritten optischen Frequenz (ω3, ω3i) als wenigstens eine weitere diskrete Frequenz ausgebildet ist; – der Sender (31) und Empfänger (32), insbesondere eine THz-Strahlungsführung, zur gleichzeitigen Führung von THz-Strahlung (40) aus den Mischfrequenzen (ω1-ω2, ω1-ω3 od. ω3_i, ω2-ω3 od. ω3_i) der ersten und der zweiten optischen diskreten Frequenz (ω1, ω2) und der wenigstens einen weiteren dritten optischen diskreten Frequenz (ω3, ω3_i) ausgebildet sind; und – der Detektor ausgebildet ist, ein Empfängersignal bei der stabilisierten Mischfrequenz (ω1-ω2) und wenigstens einer, insbesondere zwei, weiteren Mischfrequenz(en) (ω1-ω3 od. ω3_i, ω2-ω3 od. ω3_i) zu detektieren, und – eine mit dem Detektor verbundene Auswerteinheit ausgebildet ist, wenigstens die Phase, insbesondere die Phase und/oder und Amplitude, der THz-Strahlung (40) bei der stabilisierten Mischfrequenz (ω1-ω2) und der wenigstens einen weiteren Mischfrequenz (ω1-ω3 od. ω3_i, ω2-ω3 od. ω3_i) aus dem Empfängersignal zu bestimmen und miteinander zu vergleichen.
THz-Spektrometer (100, 200, 300, 400) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit ein Modul zur Bestimmung einer Drift wenigstens der Phase, insbesondere der Phase und/oder Amplitude (φ₀, A₀, φ_i, A_i), der THz-Strahlung (40) bei der stabilisierten Mischfrequenz (ω1-ω2) aufweist, insbesondere das Modul ausgebildet ist, einen zeitlichen Driftverlauf wenigstens der Phase, insbesondere der Phase und/oder Amplitude (φ_i, A_i), zu bestimmen und/oder einen Mittelwert wenigstens der Phase, insbesondere der Phase und/oder Amplitude (φ₀, A₀), aus dem Driftverlauf zu bestimmen.
THz-Spektrometer (100, 200, 300, 400) nach Anspruch 1 oder 2 gekennzeichnet durch eine Justiereinheit, die ausgebildet ist, zur Aufnahme eines THz-Spektrums die wenigstens eine weitere Mischfrequenz (ω1-ω3 od. ω3_i, ω2-ω3 od. ω3_i) im Bereich des THz-Spektrums zu verstimmen und dabei die frequenzstabilisierte Mischfrequenz (ω1-ω2) konstant zu halten.
THz-Spektrometer (100, 200, 300, 400) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die optische Quelle erster Art (I) Frequenzstabilisierungsmittel aufweist, die ausgebildet sind, die erste und zweite optische diskrete Frequenz (ω1, ω2) frequenzstabilisiert zu erzeugen, derart, dass eine aus der gebildeten frequenzstabilisierten Mischfrequenz (ω1-ω2) erzeugte THz-Strahlung (40) über einen Messzeitraum frequenzstabiler ist als eine aus den weiteren Mischfrequenzen (ω1-ω3 od. ω3_i, ω2-ω3 od. ω3_i) erzeugte THz-Strahlung (40).
THz-Spektrometer (100, 200, 300, 400) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die optische Quelle zweiter Art (II) zur Erzeugung von optischer Strahlung wenigstens einer dritten optischen diskreten Frequenz (ω3, ω3_i) Frequenz-Durchstimmmittel aufweist mittels dem die dritte Frequenz (ω3, ω3_i) relativ zur ersten und zweiten Frequenz (ω1, ω2) verstimmbar ist.
THz-Spektrometer (100, 200, 300, 400) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die optische Quelle erster Art (I) zur Erzeugung von optischer Strahlung wenigstens der ersten und der zweiten optischen diskreten Frequenz (ω1, ω2) Frequenz-Durchstimmmittel aufweist, mittels dem die erste und zweite Frequenz (ω1, ω2), insbesondere im Gleichmaß, relativ zur dritten Frequenz (ω3, ω3_i) verstimmbar ist.
THz-Spektrometer (100, 200, 300, 400) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass eine optische Einheit einer Quelle eine Laserdiode zur Erzeugung von Strahlung bei wenigstens einer schmalbandigen Linienfrequenz ist, insbesondere eine DFB(Distributed Feed Back)-Laserdiode ist oder ECDL(External Cavity Diode Laser)- oder DBR(Distributed Bragg Reflector)-Laserdiode ist.
THz-Spektrometer (100, 200, 300, 400) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass das Frequenzstabilisierungsmittel ein aktiv geregeltes oder passives Frequenz-Stabilisierungsmittel ist.
THz-Spektrometer (100, 200, 300, 400) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Quellen-Anordnung zwei separate kohärente optische Einheiten der Quelle erster Art (I) und eine kohärente optische Einheit der Quelle zweiter Art (II) aufweist und die optische Strahlungsführung eine jeweils separate Führung der optischen Frequenzen (ω1, ω2, ω3) aufweist.
THz-Spektrometer (100, 200, 300, 400) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass das Spektrometer als ein Interferometer zur homodynen kohärenten Detektion von THz-Strahlung (40) ausgebildet ist, insbesondere ein Fourier-Transformations-Interferometer ist, insbesondere analog eines Mach-Zehnder-Interferometers aufgebaut ist.
THz-Spektrometer (100, 200, 300, 400) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass die kohärente optische Quelle zweiter Art (II) eine Single-Mode-Einheit zur Erzeugung einer einzigen Stimmfrequenz als dritte optische diskrete Frequenz, insbesondere als durchstimmbare dritte optische diskrete Frequenz, ist.
THz-Spektrometer (100, 200, 300, 400) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass die kohärente optische Quelle zweiter Art (II) eine Multi-Mode-Einheit zur Erzeugung eines Frequenzkamms mit einer Vielzahl von optischen diskreten Stimmfrequenzen als dritte optische Frequenzen ist, insbesondere die Stimmfrequenzen durchstimmbare dritte optische Frequenzen bilden.
THz-Spektrometer (100, 200, 300, 400) nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Stimmfrequenzen des Frequenzkamms einen, insbesondere äquidistanten, Linienabstand im Bereich von 5 GHz bis 30 GHz haben.
THz-Spektrometer (100, 200, 300, 400) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 dadurch gekennzeichnet, dass die Modulator-Anordnung (25) wenigstens einen, insbesondere kontinuierlichen, Modulator (23) in der optischen Strahlungsführung und/oder in der Quellen-Anordnung aufweist.
THz-Spektrometer (100, 200, 300, 400) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 dadurch gekennzeichnet, dass die optische Strahlungsführung, insbesondere vollständig, in Form einer Faserführung (20) gebildet ist.
THz-Spektrometer (100, 200, 300, 400) nach einem der Ansprüche 1 bis 15 dadurch gekennzeichnet, dass die optische Strahlungsführung, insbesondere vollständig, in Form einer Freistrahlführung gebildet ist.
THz-Spektrometer (100, 200, 300, 400) nach einem der Ansprüche 1 bis 16 dadurch gekennzeichnet, dass der Modulator (23) in Form eines Weglängenmodulators oder optischen Phasenmodulators gebildet ist mittels dem ein Phasenunterschied einer optischen Frequenz des zweiten Zweigs (22) relativ zum ersten Zweig (21) variierbar ist und/oder ein Phasenunterschied der Mischfrequenz der genannten optischen Frequenzen relativ zu der THz-Strahlung (40) variierbar ist.
THz-Spektrometer (100, 200, 300, 400) nach einem der Ansprüche 1 bis 17 dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Modulator (23) in einer Faserführung (20) derart angeordnet ist, dass der Phasenunterschied mittels eines optischen Weglängenunterschieds des ersten Zweigs (21) zum zweiten Zweig (22) erzeugbar ist, insbesondere der erste und zweite Zweig der Faserführung (20) jeweils einen Modulator (23), insbesondere in Form eines Faserstretchers, aufweist.
THz-Spektrometer (100, 200, 300, 400) nach Anspruch 17 dadurch gekennzeichnet, dass ein Modulator (23) des ersten und zweiten Zweigs der Faserführung zum asymmetrischen Betrieb, insbesondere der Faserstretcher zum Betrieb mit inversen Spannungen, ausgebildet ist.
THz-Spektrometer (100, 200, 300, 400) nach einem der Ansprüche 1 bis 19 dadurch gekennzeichnet, dass ein Faserstretcher mit einer Taktrate zwischen 10 Hz und 100 kHz, insbesondere 100 Hz und 20 kHz, insbesondere 200 Hz und 1.5 kHz, betreibbar ist.
THz-Spektrometer (100, 200, 300, 400) nach einem der Ansprüche 1 bis 20 dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit ein Modul zur trigonometrischen Interpolation und/oder Regression des Empfängersignals aufweist, insbesondere zur Fourier-Transformation des Empfängersignals aufweist.
THz-Spektroskopieverfahren, insbesondere mit einem THz-Spektrometer (100, 200, 300, 400) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend die Schritte: – Erzeugen von optischer Strahlung wenigstens einer ersten und einer zweiten optischen Frequenz – Führen der optischen Strahlung aller Frequenzen in einem ersten und einem zweiten Zweig (21, 22) einer optischen Strahlungsführung – Mischen der Frequenzen der optischen Strahlung zu Mischfrequenzen in dem ersten Zweig (21) unter Erzeugung einer THz-Strahlung (40) bei den Mischfrequenzen in einem Sender (31), – Mischen der Frequenzen der optischen Strahlung zu Mischfrequenzen in dem zweiten Zweig (22) und Überlagern derselben unter Empfang der THz-Strahlung (40) in einem Empfänger (32), – Variieren eines Phasenunterschieds zwischen einem Mischfrequenzsignal einer Mischfrequenz der optischen Frequenzen des zweiten Zweigs (22) und der überlagerten THz-Strahlung (40), – Detektieren eines Empfängersignal in Abhängigkeit des variierten Phasenunterschieds unter Bestimmen wenigstens einer Phase, insbesondere einer Phase und/oder Amplitude der THz-Strahlung (40) dadurch gekennzeichnet, dass – die optische Strahlung wenigstens der ersten und der zweiten optischen Frequenz (ω1, ω2) jeweils als diskrete Frequenz derart zur Verfügung gestellt wird, insbesondere erzeugt wird, dass wenigstens eine frequenzstabilisierte Mischfrequenz (ω1-ω2) bildbar ist; und – die optische Strahlung wenigstens einer dritten optischen Frequenz (ω3, ω3_i) als diskrete Frequenz zur Verfügung gestellt wird; – die THz-Strahlung (40) aus den Mischfrequenzen (ω1-ω2, ω1-ω3 od. ω3_i, ω2-ω3 od. ω3_i) der ersten und der zweiten optischen Frequenz (ω1, ω2) und der dritten optischen Frequenz (ω3, ω3_i) gleichzeitig vom Sender zum Empfänger geführt wird; und – wenigstens die Phase, insbesondere die Phase und/oder Amplitude, der THz-Strahlung (40) bei der stabilisierten Mischfrequenz (ω1-ω2) und wenigstens einer, insbesondere zwei, weiteren Mischfrequenzen (ω1-ω3 od. ω3_i, ω2-ω3 od. ω3_i) bestimmt und miteinander verglichen werden.
THz-Spektroskopieverfahren nach Anspruch 22 dadurch gekennzeichnet, dass ein Drift wenigstens der Phase, insbesondere der Phase und/oder Amplitude (φ₀, A₀, φ_i, A_i), der THz-Strahlung (40) bei der stabilisierten Mischfrequenz (ω1-ω2) bestimmt wird, insbesondere ein zeitlicher Driftverlauf wenigstens der Phase, insbesondere der Phase und/oder Amplitude (φ_i, A_i), und/oder ein Mittelwert der Phase und Amplitude (φ₀, A₀) aus dem Driftverlauf bestimmt wird.
THz-Spektroskopieverfahren nach Anspruch 22 oder 23 dadurch gekennzeichnet, dass ein THz-Spektrum aufgenommen wird indem die wenigstens eine weitere Mischfrequenz (ω1-ω3 od. ω3_i, ω2-ω3 od. ω3_i) im Bereich des THz-Spektrums justiert und verstimmt wird und dabei die stabilisierte Mischfrequenz (ω1-ω2) konstant gehalten wird.
THz-Spektroskopieverfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24 dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite optische diskrete Frequenz (ω1, ω2) frequenzstabilisiert derart erzeugt werden, dass eine aus der gebildeten frequenzstabilisierten Mischfrequenz (ω1-ω2) erzeugte THz-Strahlung (40) über einen Messzeitraum frequenzstabiler ist, als eine aus den weiteren Mischfrequenzen (ω1-ω3 od. ω3_i, ω2-ω3 od. ω3_i) erzeugte THz-Strahlung (40).
THz-Spektroskopieverfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 25 dadurch gekennzeichnet, dass die dritte optische diskrete Frequenz (ω3, ω3_i) verstimmbar erzeugt und relativ zur ersten und zweiten Frequenz (ω1, ω2) verstimmt wird.
THz-Spektroskopieverfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 26 dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Frequenz (ω1, ω2) verstimmbar erzeugt und, insbesondere im Gleichmaß, relativ zur dritten Frequenz (ω3, ω3_i) verstimmt werden.
THz-Spektrometer (500) aufweisend: – einen Sender (31) mit dem THz-Strahlung (40) auf wenigstens zwei THz-Frequenzen (Ω1, Ω2) erzeugbar ist, – einen an den Sender (31) gekoppelten ersten Zweig (21) zur Führung der THz-Strahlung (40), insbesondere zur Einbringung einer Probe (P), und einen an den Sender (31) gekoppelten zweiten Zweig (22) zur Führung der THz-Strahlung (40); – einen Empfänger (32), mit dem de THz-Strahlung (40) des ersten und zweiten Zweigs (21, 22) empfangbar ist, – eine Modulator-Anordnung, insbesondere im zweiten Zweig (22), mit wenigstens einem Modulator (23) mittels dem ein Phasenunterschied zwischen der THz-Strahlung (40) einer THz-Frequenz (Ω1, Ω2) im ersten Zweig (21) und der THz-Strahlung (40) einer THz-Frequenz (Ω1, Ω2) im zweiten Zweig (22) variierbar ist, – einen Detektor mittels dem ein Empfängersignal in Abhängigkeit des variierten Phasenunterschieds zur Bestimmung wenigstens einer Phase, insbesondere einer Phase und/oder Amplitude, der THz-Strahlung (40) detektierbar ist dadurch gekennzeichnet, dass – ein Frequenzstabilisierungsmittel derart vorgesehen ist, dass wenigstens eine frequenzstabilisierte THz-Frequenz (Ω1) als Bezugsfrequenz bildbar ist, und der Sender (31) und Empfänger (32), insbesondere eine THz-Strahlungsführung, zur gleichzeitigen Führung von THz-Strahlung (40) auf der frequenzstabilisierten THz-Frequenz (Ω1) als Bezugsfrequenz und wenigstens einer weiteren THz-Frequenz (Ω2) ausgebildet ist; und der Detektor ausgebildet ist, ein Empfängersignal bei der frequenzstabilisierten THz-Frequenz (Ω1) als Bezugsfrequenz und wenigstens einer weiteren THz-Frequenz (Ω2) zu detektieren, und – eine mit dem Detektor verbundene Auswerteinheit (50) ausgebildet ist, wenigstens die Phase, insbesondere die Phase und/oder Amplitude, der THz-Strahlung (40) bei der frequenzstabilisierten THz-Frequenz (Ω1) als Bezugsfrequenz und der wenigstens einen weiteren THz-Frequenz (Ω2) aus dem Empfängersignal zu bestimmen und miteinander zu vergleichen.
THz-Spektroskopieverfahren, insbesondere mit einem THz-Spektrometer (500) nach Anspruch 28, aufweisend die Schritte: – Variieren eines Phasenunterschieds zwischen einer THz-Strahlung (40) eines ersten Zweigs (21) und eines zweiten Zweigs (22), mit wenigstens zwei THz-Frequenzen (Ω1, Ω2); – Detektieren eines Empfängersignals in Abhängigkeit des variierten Phasenunterschieds unter Bestimmen wenigstens einer Phase, insbesondere einer Phase und/oder Amplitude, der THz-Strahlung (40); dadurch gekennzeichnet, dass – THz-Strahlung (40) auf wenigstens einer frequenzstabilisierten THz-Frequenz (Ω1) als Bezugsfrequenz und wenigstens einer weiteren THz-Frequenz (Ω2) gebildet wird; – die THz-Strahlung (40) auf wenigstens der frequenzstabilisierten THz-Frequenz (Ω1) als Bezugsfrequenz und wenigstens einer weiteren THz-Frequenz (Ω2) gleichzeitig von einem Sender (31) zu einem Empfänger (32) geführt wird; und die Phase, insbesondere die Phase und/oder Amplitude, der THz-Strahlung (40) bei der frequenzstabilisierten THz-Frequenz (Ω1) als Bezugsfrequenz und der wenigstens einen, weiteren THz-Frequenz (Ω2) bestimmt und miteinander verglichen wird.
THz-Spektroskopieverfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine weitere THz-Frequenz (Ω2) im Bereich eines THz-Spektrums verstimmt wird während die frequenzstabilisierte THz-Frequenz (Ω1) konstant gehalten wird.