DE102010042469A1

DE102010042469A1 - Terahertzwellen-Vorrichtung

Info

Publication number: DE102010042469A1
Application number: DE102010042469A
Authority: DE
Inventors: Min Yong Jeon; Kyung Hyun Park; Dae-Su Yee
Original assignee: Electronics and Telecommunications Research Institute ETRI; Korea Research Institute of Standards and Science KRISS
Current assignee: Electronics and Telecommunications Research Institute ETRI; Korea Research Institute of Standards and Science KRISS
Priority date: 2010-02-11
Filing date: 2010-10-14
Publication date: 2011-08-11
Also published as: JP2011164578A; US8476592B2; US20110192978A1; JP5096543B2

Abstract

Eine Terahertzwellen-Vorrichtung wird vorgeschlagen. Die Terahertzwellen-Vorrichtung enthält: einen wellenlängenfesten Laser, der ein erstes Laserlicht ausgibt, das eine feste erste Wellenlänge aufweist; einen wellenlängengewobbelten Laser, der ein zweites Laserlicht ausgibt, das eine durchstimmbare zweite Wellenlänge aufweist; einen Koppler, der das erste Laserlicht mit dem zweiten Laserlicht koppelt; und einen Generator, der ein von dem Koppler ausgegebenes gemischtes Licht in eine Terahertzwelle umwandelt, wobei eine Frequenz der Terahertzwelle kontinuierlich durchstimmbar ist.

Description

QUERVERWEIS ZU VERWANDTEN ANMELDUNGEN
Diese Patentanmeldung beansprucht Priorität der koreanischen Patentanmeldungen Nr. 10-2010-0012893 , die am 11. Februar 2010 eingereicht wurde, und Nr. 10-2010-0055614 , die am 11. Juni 2010 eingereicht wurde, deren vollständige Inhalte hiermit durch Bezugnahme einbezogen werden.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die hierin offenbarte vorliegende Erfindung betrifft eine Terahertzwellen-Vorrichtung und insbesondere eine Wellenlängendurchstimmungs-Terahertzwellen-Vorrichtung.
In Bezug auf ein Terahertzwellenband (z. B. in einem Bereich von etwa 0,1 THz bis etwa 3 THz) können Terahertzwellen nichtmetallische und nichtpolare Substanzen durchdringen. Außerdem sind Resonanzfrequenzen von verschiedenen Molekülen in dem Terahertzwellenband verteilt. Da jene Moleküle in Echtzeit durch ein nicht zerstörendes, nicht offenes und kontaktloses Verfahren erfasst werden, können sie daher als eine neue konzeptionelle Analysetechnologie auf verschiedenen Gebieten, wie zum Beispiel im medizinischen Dienst, in der Medizin, in der Landwirtschaft, bei Lebensmitteln, bei Umweltmessungen, auf biologischem Gebiet und zur erweiterten Materialprüfung, verwendet werden. Entsprechend dringen Terahertzwellentechnologien rasch in verschiedene Arten von Anwendungen vor. Weil Terahertzwellen auf Grund eines sehr geringen Energiepegels von wenigen meV meist keinen Effekt auf den menschlichen Körper haben, ist die Nachfrage nach Terahertzwellen als wesentliche Kerntechnologie zur Verwirklichung einer human-orientierten allgegenwärtigen Gesellschaft drastisch angestiegen. Terahertzwellentechnologien, die Echtzeit verfahrbare und ökonomische Eigenschaften erfüllen, wurden jedoch noch nicht entwickelt.
Beispiele für gegenwärtig verwendete kontinuierliche Terahertzwellen-erzeugende Verfahren beinhalten ein Frequenzmultiplizierungsverfahren, ein Rückwärtswellen-Emissionsverfahren, ein Lichtmischverfahren, ein CO₂-gepumptes Gas-Laser-Verfahren, ein Quantum-Kaskaden-Laser-Verfahren und ein Freies-Elektron-Laser-Verfahren. Viele Studien werden schon durchgeführt, um eine Terahertzwellenquelle zu entwickeln, die in einem Frequenzband von etwa 0,1 THz bis etwa 10 THz, einem sogenannten Terahertzlückenband, betriebsfähig ist. Eine der Größe nach kleine, nicht kühlende Hochleistungs-Wellenquellen-Technologie, die zur Kommerzialisierung geeignet ist, wurde jedoch noch nicht entwickelt. Außerdem wurde auch noch keine Technologie zur Durchstimmung von Terahertzwellen in einem breiten Frequenzband entwickelt. Wenn Terahertzwellen bei hoher Geschwindigkeit in einem breiten Frequenzband durchgestimmt werden, ist es möglich, eine Vielfalt von physikalischen Phänomenen innerhalb eines Terahertzwellenbandes in Echtzeit zu überwachen.
Die bis vor kurzem am häufigsten verwendete Terahertzwellen-Vorrichtung ist eine Time-Domain-Spektroskopie-Vorrichtung, die Terahertzpulswellen durch Projizierung eines Ultrakurz-Laserpulses im Femtosekunden-Bereich auf eine lichtleitende Antenne, die auf einem Halbleiter mit einer Hochgeschwindigkeitsantwortzeit basiert, erzeugt und erfasst. Eine Terahertzwellen-Vorrichtung, die den Femtosekunden-Bereich-Ultrakurz-Pulslaser und die lichtleitende Antenne umfasst, weist Vorteile, wie zum Beispiel ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) aber auch Beschränkungen bei der Entwicklung zu einem Messinstrument hinsichtlich des Preises und der Größe auf, weil es einen Femtosekunden-Bereich-Pulslaser und ein hochpräzises optisches System erfordert.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt eine Terahertzwellen-Vorrichtung bereit, die bezüglich der Frequenz kontinuierlich durchstimmbare Terahertzwellen erzeugt und erfasst.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sehen Terahertzwellen-Vorrichtungen vor, die enthalten: einen wellenlängenfesten Laser, der ein erstes Laserlicht ausgibt, das eine feste erste Wellenlänge aufweist; einen wellenlängengewobbelten Laser, der ein zweites Laserlicht ausgibt, das eine durchstimmbare zweite Wellenlänge aufweist; einen Koppler, der das erste Laserlicht mit dem zweiten Laserlicht koppelt; und einen Generator, der ein von dem Koppler ausgegebenes gemischtes Licht in eine Terahertzwelle umwandelt, wobei eine Frequenz der Terahertzwelle kontinuierlich durchstimmbar ist.
In einigen Ausführungsformen kann der Generator eine Terahertzwelle erzeugen, die eine Frequenz aufweist, die einem Differenzwert zwischen der ersten Wellenlänge und der zweiten Wellenlänge entspricht.
In anderen Ausführungsformen kann der wellenlängengewobbelte Laser enthalten: ein Verstärkungsmedium; und ein Wellenlängendurchstimmungsfilter, das von dem Verstärkungsmedium ausgegebenes Licht in die zweite Wellenlänge filtert.
In noch weiteren Ausführungsformen können das Verstärkungsmedium und das Wellenlängendurchstimmungsfilter zu einer optischen Faser kombiniert sein.
In noch anderen Ausführungsformen kann das Verstärkungsmedium einen optischen Halbleiterverstärker enthalten.
In noch weiteren Ausführungsformen kann das Verstärkungsmedium eine Seltenerdelement-dotierte optische Faser enthalten.
In weiteren Ausführungsformen kann das Seltenerdelement Er und/oder Yb enthalten.
In noch weiteren Ausführungsformen kann das Wellenlängendurchstimmungsfilter ein durchstimmbares Faser-Fabry-Pérot-Filter (FFP-TF) enthalten.
In noch weiteren Ausführungsformen kann der wellenlängengewobbelte Laser ferner einen Hochfrequenztreiber enthalten, der eine Spannung in einer Pulsform an das FFP-TF anlegt.
In noch weiteren Ausführungsformen kann das FFT-TF die kontinuierlich durchgestimmte zweite Wellenlänge gemäß der angelegten Spannung filtern.
In noch weiteren Ausführungsformen kann der wellenlängengewobbelte Laser ferner einen optischen Isolator enthalten, der das zweite Laserlicht in eine Richtung weitergibt.
In noch weiteren Ausführungsformen kann der wellenlängengewobbelte Laser ferner einen Ausgangs-optische-Faser-Koppler enthalten, der einen Anteil ausgibt und einen anderen Anteil an das Verstärkungsmedium zurückgibt.
In noch weiteren Ausführungsformen können die Vorrichtungen ferner einen Detektor enthalten, der eine Terahertzwelle erfasst, die von dem Generator ausgegeben und durch eine Probe übertragen ist.
In noch weiteren Ausführungsformen können die Vorrichtungen ferner ein Datengewinnungsgerät enthalten, das mittels eines von dem Hochfrequenztreiber bereitgestellten Synchronisationssignals geschalten ist und kontinuierlich ein Erfassungssignal von dem Detektor gewinnt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die beigefügten Zeichnungen sind enthalten, um ein weiteres Verständnis der vorliegenden Erfindung vorzusehen, und sind in diese Beschreibung einbezogen und bilden einen Teil dieser Beschreibung. Die Zeichnungen stellen beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, Prinzipien der vorliegenden Erfindung zu erklären. In den Zeichnungen:
1A ist eine Ansicht, die eine typische Terahertzwellen-Vorrichtung zur Time-Domain-Spektroskopie darstellt, und 1B ist eine Ansicht, die typische mittels der Terahertzwellen-Vorrichtung von 1B erhaltene Daten darstellt;
2 ist eine Ansicht, die eine Terahertzwellen-Vorrichtung unter Verwendung von zwei modengekoppelten Lasern darstellt, um eine Terahertzwelle zu erzeugen;
3 ist eine Ansicht, die eine zur Erzeugung einer Terahertzwelle verwendete Terahertzwellen-Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
4 ist eine Ansicht, die den wellenlängengewobbelten Laser 320 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
5 ist ein Graph, der einen Filterungsvorgang eines wellenlängengewobbelten Lasers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt; und
6 ist eine Ansicht, die eine Terahertzwellen-Vorrichtung zur Erzeugung und Erfassung einer Terahertzwelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen detaillierter beschrieben. Die vorliegende Erfindung kann jedoch in unterschiedlichen Formen verkörpert werden und soll nicht derart verstanden werden, dass sie durch die nachfolgenden Ausführungsformen beschränkt würde. Vielmehr sind diese Ausführungsformen dazu vorgesehen, dass diese Offenbarung genau und vollständig ist und dass der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung für Fachleute vollständig vermittelt wird. Gleiche Bezugszeichen beziehen sich durchweg auf gleiche Elemente.
Obwohl auch Begriffe wie eine Erste und eine Zweite verwendet werden, um verschiedene Elemente, Komponenten, Gebiete, Schichten und/oder Bereiche in verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu beschreiben, sind die Elemente, Komponenten, Gebiete, Schichten und/oder Bereiche nicht auf diese Begriffe beschränkt.
Die Bedeutung von „enthalten”, „umfassen”, „enthaltend”, oder „umfassend” bestimmt eine Eigenschaft, ein Gebiet, eine feste Zahl, einen Schritt, einen Vorgang, ein Element und/oder eine Komponente, schließt aber andere Eigenschaften, Gebiete, feste Zahlen, Schritte, Vorgänge, Elemente und/oder Komponenten nicht aus.
1A ist eine Ansicht, die eine typische Terahertzwellen-Vorrichtung zur Time-Domain-Spektroskopie (TDS) darstellt. 1B ist eine Ansicht, die typische mittels der Terahertzwellen-Vorrichtung von 1A erhaltene Daten darstellt.
Bezugnehmend auf die 1A und 1B kann die Vorrichtung 10 Terahertzwellen mittels eines Ultrakurz-Pulslasers 110 erzeugen und/oder erfassen. Die Vorrichtung 10 kann ein TDS-System sein. Die Vorrichtung 10 ist durch ein homodynes Erfassungsverfahren zum Erhalten von Daten, dass ausschließlich während einer Gatingzeit in einem Femtosekunden-Bereich erfolgt, zur Erzielung eines hohen Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR) von Vorteil.
Ein Ausgangslicht von dem Ultrakurz-Pulslaser 110 kann seinen Weg mittels eines ersten Spiegels 112 ändern. Das von dem ersten Spiegel 112 reflektierte Ausgangslicht von dem Ultrakurz-Pulslasers 110 kann mittels eines Strahlteilers (oder BS) 114 in zwei Pulse geteilt werden. Ein Ultrakurz-Puls fällt auf einen Terahertzwellen-Generator (oder THz Tx) 130a durch einen zweiten Spiegel 116 ein, wobei eine Terahertzwelle erzeugt wird. Ein anderer Ultrakurz-Puls fällt auf einen Terahertzwellen-Detektor (oder THz Dx) 130b mit einer geeigneten Zeitverzögerung ein und wird daher zum Sampeln einer Terahertzwelle in Bezug auf die Zeit verwendet. Der Terahertz-Generator 130a und der Terahertz-Detektor 130b können eine lichtleitende Antenne sein. Die Zeitverzögerung kann mittels einer Verzögerungslinie (DL) 118 erhalten werden. Ein Ausgangslicht von der DL 118 kann durch einen dritten Spiegel 122 und einen vierten Spiegel 124 an einen Terahertz-Detektor 130b bereitgestellt werden.
Die von dem Terahertzwellen-Generator 130a erzeugte Terahertzwelle kann durch eine erste fokussierende Linse 142 auf eine Probe 146 fokussiert werden. Die durch die Probe 146 übertragene Terahertzwelle kann durch eine zweite fokussierende Linse 144 auf den Terahertz-Detektor 130b einfallen.
Der Terahertzwellen-Detektor 130b kann ein auf einer Zeitverzögerung beruhendes elektrisches Signal erzeugen. Das elektrische Signal kann durch ein Datengewinnungssystem 148 erhalten werden. Das Datengewinnungsgerät 148 kann ein Hochgeschwindigkeits-Analog-Digital(A/D)-Konverter oder ein Hochgeschwindigkeitsoszilloskop sein.
Bezugnehmend auf 1B kann das auf der Zeitverzögerung beruhende elektrische Signal durch Fast-Fourier-Transformation (FFT) in ein Spektrum einer Terahertzwelle umgewandelt werden.
In einer Terahertzwellen-Vorrichtung zur Time-Domain-Spektroskopie kann eine Terahertzwelle durch Beschleunigung eines Trägers erzeugt werden, der durch einen Ultrakurz-Laserpuls im Femtosekunden-Bereich auf einen Halbleiter projiziert wird. Die Terahertzwellen-Vorrichtung zur Time-Domain-Spektroskopie weist den Vorteil der Erzielung eines hohen SNR durch ein homodynes Erfassungsverfahren einer Gatingzeit im Femtosekunden-Bereich auf, so dass es weithin für Forschungen verwendet wurde. Ein Ultrakurz-Laserpuls eines Femtosekunden-Bereiches in einem Wellenlängenband von etwa 800 nm wird in zwei geteilt. Einer davon fällt auf den Terahertzwellen-Generator (oder THz Tx) ein und wird danach zur Erzeugung einer Terahertzwelle verwendet. Der andere fällt mit einer geeigneten Zeitverzögerung auf den Terahertzwellen-Detektor (oder THz Dx) ein. Das Datengewinnungsgerät gewinnt die auf einer Zeitverzögerung beruhenden Daten von dem Terahertzwellen-Detektor und die Daten sollen durch FFT auf ein Spektrum einer Terahertzwelle umgewandelt werden. Die FFT kann Echtzeitanwendungen der Terahertzwellen-Vorrichtung abgesehen von deren Größe und Preis begrenzen.
Eine bezüglich der Frequenz durchstimmbare Terahertzwellenquelle, die zur Frequenz-Domain-Spektroskopie verwendet wird, ist erforderlich, um die obigen Beschränkungen der Terahertzwellen-Vorrichtung zur Time-Domgin-Spektroskopie zu überwinden. Außerdem wird erwartet, dass eine Nachfrage nach einer bezüglich der Frequenz durchstimmbaren Terahertzwellenquelle auf äußerst verschiedenen Gebieten, wie zum Beispiel Gefahrstofferfassung, erweiterte Materialeigenschaftsmessung und Frischemessung von landwirtschaftlichen und maritimen Produkten, schrittweise ansteigt.
2 ist eine Ansicht, die eine Terahertzwellen-Vorrichtung mit zwei modengekoppelter Lasern zur Erzeugung einer Terahertzwelle darstellt.
Bezugnehmend auf 2 weist eine Seite der Laserdioden 220 und 250 eine Anti-Reflexionsbeschichtung auf und kann eine Wellenlänge mittels Gittern 210 und 240 durchstimmen. Die Laserdioden 220 und 250 geben ein Laserlicht aus, das zwei verschiedene Wellenlängen λ1 bzw. λ2 aufweist. Die Terahertzwellen-Vorrichtung von 2 projiziert zwei Hochleistungslaser, die verschiedene Wellenlängen λ1 bzw. λ2 aufweisen, auf einen Lichtmischer 270, der eine Hochgeschwindigkeitsanwortzeit aufweist, um eine Terahertzwelle zu erzeugen.
Um eine bezüglich der Wellenlänge durchstimmbare kontinuierliche Terahertzwelle mittels des Lichtmischers 270 zu erzeugen, werden zwei separate Lichtquellen benötigt. Die Lichtquellen können Hochleistungs-Wellenlängendurchstimmungslaser sein. Eine Frequenzdifferenz zwischen den Wellenlängendurchstimmungslasern kann einer Frequenz einer Terahertzwelle entsprechen. Eigenschaften der jeweils verschiedenen Wellenlängen können unmittelbare Wirkung auf die Rauscheigenschaft der Terahertzwelle haben.
Der Lichtmischer 270 kann die folgende Umwandlungseffizienz aufweisen. [Gleichung 1]
wobei P₁ und P₂ optische Leistungen der zwei Laser sind, die jeweils unterschiedliche Wellenlängen aufweisen, P₀ eine durchschnittliche optische Leistung ist, I₀ ein DC-Photostrom ist, R_A ein Abstrahlungswiderstand einer Antenne ist, c eine elektrostatische Kapazität eines Lichtmischers ist, τ eine Trägerlebenszeit eines Lichtmischers ist und m ein Mischverhältnis von zwei Wellenlängen ist.
Um eine Terahertzwelle effizient zu erzeugen, müssen Parameter, welche die Umwandlungseffizienz des Lichtmischers 270 beeinflussen, eingestellt werden. Die Umwandlungseffizienz des Lichtmischers 270 kann durch eine Trägerlebenszeit eines Lichtmischers, ein Abstrahlungswiderstand einer Antenne und ein Mischverhältnis von zwei Wellenlängen beeinflusst werden.
Bezogen auf das Terahertzerzeugungs- und -erfassungssystem mittels eines Lichtmischverfahrens werden Verfahren mittels Erregungslicht von Bändern mit etwa 1,5 μm und etwa 1,3 μm vorgeschlagen. Weil viele Kerntechnologien, wie zum Beispiel die Ultrakompakt-Modularisierungstechnologie und die Ultrahochgeschwindigkeits-Signalverarbeitungstechnologie, bereits derart entwickelt sind, dass diese relativ einfach benutzt werden können, und weil ein optischer Verstärker für Bänder mit etwa 1,5 μm und etwa 1,3 μm bereits entwickelt ist, kann eine hohe Umwandlungseffizienz verglichen mit einer kurzen Wellenlänge auch bei einer langen Wellenlänge erhalten werden.
Eine Wellenlängendifferenz (Δλ) zwischen zwei Lasern bezieht sich auf eine Frequenz einer Terahertzwelle durch f = cΔλ/λ². Wellenlängeneigenschaften von den zwei Lasern können die Eigenschaft einer Terahertzwelle unmittelbar beeinflussen. Die Frequenz f einer Terahertzwelle kann durch eine Differenz zwischen Frequenzen f₁ = c/λ₁ und f₂ = c/λ₂ bestimmt werden, welche den Wellenlängen λ₁ und λ₂ entsprechen. Das heißt, eine Wellenlängendurchstimmungseigenschaft eines Erregungslasers wird sehr wichtig. Zur Terahertzfrequenzdurchstimmung im Umfang von 1 THz muss ein Wellenlängendurchstimmungslaser entwickelt werden, von dem eine Wellenlänge in einem Bereich von etwa 8 nm in einen Wellenlängenbereich von 1,5 μm und in einem Bereich von etwa 6 nm in einen Wellenlängenbereich von 1,3 μm durchstimmbar ist. Eine Lasertechnik, die eine Breitband-Wellenlängendurchstimmungseigenschaft und eine sehr enge Wellenlängenlinienbreite aufweist, wird benötigt.
3 ist eine Ansicht, die eine zur Erzeugung einer Terahertzwelle verwendete Terahertzwellen-Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
Bezugnehmend auf 3 enthält die Terahertzwellen-Vorrichtung 300 einen wellenlängenfesten Laser 310, einen wellenlängengewobbelten Laser 320, einen Hochfrequenztreiber 325, einen Koppler 330, einen Generator 340 und eine DC-Spannungseinheit 345. Der Generator 340 kann ein Lichtmischer sein.
Der wellenlängenfeste Laser 310 gibt ein erstes Laserlicht aus, das eine feste erste Wellenlänge aufweist. Der wellenlängenfeste Laser 310 kann eine Laserlichtquelle und einen Hohlraum enthalten. Der Hohlraum kann ein Bragg-Gitter aufweisen und das Bragg-Gitter kann Licht einer bestimmten Wellenlänge selektiv reflektieren. Das Bragg-Gitter kann eine Resonanz für erstes Laserlicht aufweisen, das eine erste Wellenlänge λ₁ aufweist. Der wellenlängenfeste Laser 310 kann ein modengekoppelter Laser sein. Aufgrund dessen kann das erste Laserlicht ein gekoppeltes Laserlicht sein und eine Slave-Mode mit Ausnahme einer Master-Mode wird derart reduziert, dass ein Spektrum eines schmalen Bandes erhalten werden kann. Das heißt, die erste Wellenlänge kann mit einer Wellenlänge der Master-Mode bestimmt werden. Das erste Laserlicht, welches das Spektrum eines schmalen Bandes aufweist, kann zum Erzeugen eines Terahertzlasers beitragen.
Der wellenlängengewobbelte Laser 320 gibt ein zweites Laserlicht aus, das eine durchstimmbare zweite Wellenlänge λ₂ aufweist. Der wellenlängengewobbelte Laser 320 ist ein Laser, der eine Wellenlänge kontinuierlich wobbelt oder scannt. Der wellenlängengewobbelte Laser 320 kann die zweite Wellenlänge λ₂ mittels eines Hochfrequenztreibers oder eines Funktionsgenerators 325 wobbeln. Der Hochfrequenztreiber 325 kann eine Spannung V in einer Pulsform anlegen.
Der wellenlängengewobbelte Laser 320 kann hinsichtlich eines Filterverfahrens in zwei unterteilt werden. Eines ist Nachfiltern und das andere ist Hohlraumdurchstimmungsfiltern. In Bezug auf das Nachfiltern wird ein Wellenlängendurchstimmungsfilter in einen Breitband-Lichtquellen-Ausgangsanschluss eingefügt, um zu filtern, und, weil ein Anteil des Ausgangs nicht zum Verstärkungsmedium zurückgegeben wird, ist der Verlust einer Lichtquelle auf Grund eines Filters derart groß, dass die Ausgangsleistung gering ist. In Bezug auf das Hohlraumdurchstimmungsfiltern wird ein Filter in einen Laserhohlraum eingefügt, um zu filtern, und ein Anteil eines Ausgangs wird zum Verstärkungsmedium zurückgegeben. Ein wellenlängengewobbelter Laser, der das Hohlraumdurchstimmungsfiltern verwendet, wird mit Bezug auf 4 detaillierter beschrieben.
Der Koppler 330 koppelt das erste Laserlicht und das zweite Laserlicht. Der Koppler 330 kann das erste Laserlicht und das zweite Laserlicht mischen und kann das gemischte Licht ausgeben. Der Generator 340 (z. B. ein Lichtmischer) wandelt das von dem Koppler 330 ausgegebene gemischte Licht in eine Terahertzwelle um. Falls der Generator 340 ein Lichtmischer ist, kann der Generator 340 einen Lichtleiter und eine Antenne enthalten. Der Lichtleiter wandelt das gemischte Licht in einen Photostrom um und der Photostrom kann eine Terahertzwelle durch die Antenne erzeugen. Der Generator 340 kann das gemischte Licht empfangen, während eine Spannung durch die DC-Spannungseinheit 345 angelegt wird.
Der Generator 340 kann eine Terahertzwelle erzeugen, die eine Frequenz entsprechend einer Wellenlängendifferenz zwischen der ersten Wellenlänge und der zweiten Wellenlänge aufweist. Die Wellenlängendifferenz wird durch die feste erste Wellenlänge und die durchstimmbare zweite Wellenlänge entsprechend kontinuierlich geändert und eine Frequenz der Terahertzwelle kann sich somit kontinuierlich ändern. Im Einzelnen kann der Lichtmischer 340 eine Terahertzwelle erzeugen, die eine Frequenz aufweist, die einer Wellenlängendifferenz zwischen der ersten Wellenlänge und der zweiten Wellenlänge entspricht. Eine Geschwindigkeit zum Ändern des Wellenlängenunterschiedes kann von einer Scan-(Wobbel-)Geschwindigkeit des wellenlängengewobbelten Lasers 320 abhängen. Als ein Ergebnis kann eine Frequenzdurchstimmungsgeschwindigkeit einer Terahertzwelle von einer Wellenlängenwobbelgeschwindigkeit des wellenlängengewobbelten Lasers 320 abhängen. Die Scanrate kann einige kHz oder einige zehn kHz betragen. Zum Beispiel kann, wenn die erste Wellenlänge etwa 1530 nm und die zweite Wellenlänge etwa 1530 nm bis etwa 1562 ist, eine Terahertzwelle von etwa 0 bis etwa 4 THz bei einer Scanrate von etwa 40 kHz durchstimmbar sein.
4 ist eine Ansicht, die einen wellenlängengewobbelten Laser 320 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
Bezugnehmend auf 4 kann der wellenlängengewobbelte Laser 320 ein Verstärkungsmedium 321 und ein Wellenlängendurchstimmungsfilter 322 zum Filtern des ausgegebenen Lichtes von dem Verstärkungsmedium 321 in die zweite Wellenlänge enthalten. Das Verstärkungsmedium 321 und das Wellenlängendurchstimmungsfilter 322 können an eine optische Faser 327 gekoppelt sein. Das Verstärkungsmedium 321 kann einen optischen Halbleiterverstärker enthalten. Der optische Halbleiterverstärker kann eine Verstärkung in einem 1300 nm-Band aufweisen. Das Verstärkungsmedium 321 kann andererseits ein Seltenerdelement-dotierter Faserverstärker sein. Zum Beispiel kann das Verstärkungsmedium 321 ein Erbium-dotierter Faserverstärker oder ein Ytterbium-dotierter Faserverstärker sein.
Das Wellenlängendurchstimmungsfilter 322 kann ein durchstimmbares Faser-Fabry-Pérot-Filter (FFP-TF) sein. Das Wellenlängendurchstimmungsfilter 322 und das Verstärkungsmedium 321 sind derart integral an eine optischen Faser gekoppelt, dass der wellenlängengewobbelte Laser 320 mit einem bezüglich der Länge kurzen Hohlraum realisiert werden kann. Im Unterschied dazu kann der wellenlängengewobbelte Laser 320 mit einem Polygon-Wellenlängenfilter, das einen Polygonspiegel enthält, der mit Hochgeschwindigkeit rotierbar ist, und einem Beugungsgitter realisiert werden. Der wellenlängengewobbelte Laser 320 kann andererseits eine Technik zum Einstellen einer Zeit, in der Licht in einem Hohlraum zirkuliert, durch eine in einer optischen Faser eingerichteten Verzögerungslinie verwenden. Wenn die Zeit, in der Licht in einem Hohlraum zirkuliert, ein Vielfaches einer Wobbelperiode eines Filters ist, durchdringt in diesem Fall jede Wellenlängenkomponente einen Filter derart, dass eine Zirkulierung in einem Hohlraum aufrecht erhalten wird, wobei Resonanz auftritt.
Ein erster optischer Isolator 323 und ein zweiter optischer Isolator 324 sind zwischen dem Verstärkungsmedium 321 und dem Wellenlängendurchstimmungsfilter 322 angeordnet. Der erste optische Isolator 323 und der zweite optische Isolator 324 geben ein Laserlicht in einer Richtung weiter. Das heißt, der erste optische Isolator 323 und der zweite optische Isolator 324 lassen ein Laserlicht in eine Richtung hindurch und blockieren ein Laserlicht in einer entgegengesetzten Richtung. Der wellenlängengewobbelte Laser kann das zweite Laserlicht durch den Ausgangsfaserkoppler 326 ausgeben. Der Ausgangsfaserkoppler 326 führt ungefähr 70% von dem zweiten Laserlicht an das Verstärkungsmedium 321 zurück und gibt ungefähr 30% von dem zweiten Laserlicht aus. Das ausgegebene zweite Laserlicht kann mittels eines Sampling-Oszilloskops und eines optischen Spektrumanalysators (OSA) gemessen und analysiert werden.
Der wellenlängengewobbelte Laser 320 kann das oben genannte Hohlraumdurchstimmungsfilterverfahren anwenden. Das Hohlraumdurchstimmungsfilterverfahren, wie in 4 gezeigt, fügt das Wellenlängendurchstimmungsfilter 322 in einen Laserhohlraum ein, um eine vorbestimmte Wellenlänge zu filtern und einen Anteil eines Ausgangs wieder in das Verstärkungsmedium 321 zurückzugeben. Das Optische-Faser-Fabry-Pérot-Durchstimmungsfilter kann ein piezoelektrisches Element (zum Beispiel PZT) enthalten. Falls eine an das piezoelektrische Element angelegte Spannung V geändert wird, stellt sich ein Intervall einer Filteröffnung derart ein, dass eine Filterungswellenlänge durchgestimmt werden kann. Aufgrund dessen kann sich ein von dem Wellenlängendurchstimmungsfilter 322 bestimmtes Fenster zur Filterung in einem von dem Verstärkungsmedium 321 erhaltenen Wellenlängenband bewegen.
5 ist ein Graph, der einen Filterungsvorgang eines wellenlängengewobbelten Lasers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
Bezugnehmend auf 5 kann der wellenlängengewobbelte Laser 320 eine Wellenlänge des zweiten Laserlichtes gemäß einer Änderung von einer Spannung V ändern. Das Wellenlängendurchstimmungsfilter 322 kann eine Filterungsbandpass-Wellenlänge während einer Periode scannen, wenn es einmal als eine Sinusfunktion bei einer Frequenz moduliert ist. Im Einzelnen wird ein Vorwärtsscan (von einer kurzen Wellenlänge zu einer langen Wellenlänge in einem vorbestimmten Wellenlängenbereich) mit einer erhöhten Spannung durchgeführt und ein Rückwärtsscan (von einer langen Wellenlänge zu einer kurzen Wellenlänge in einem vorbestimmten Wellenlängenbereich) durch eine verringerte Spannung durchgeführt. Falls beide Wellenlängenscans verwendet werden, kann eine effektive Scanfrequenz das Doppelte einer Modulationsfrequenz sein.
Das Wellenlängendurchstimmungsfilter 322 kann in einem vorbestimmten Wellenlängenbereich bei einer hohen Scanrate gemäß einer durch einen Hochfrequenztreiber 325 angelegten Spannung V scannen. Zum Beispiel kann die Wellenlängenscanrate einige kHz sein. Gemäß einem Wellenlängenscan des Wellenlängendurchstimmungsfilters 322 oder einer Bewegung des Filterfensters kann die zweite Wellenlänge λ₂ in einem von dem Verstärkungsmedium 321 erhaltenen Wellenlängenband gescannt werden.
Im Allgemeinen ist die maximale Wellenlängenscanrate des wellenlängengewobbelten Lasers 320 auf eine Zeitkonstante beschränkt, bei der ein Laser durch eine verstärkte spontane Emission gebildet ist, und diese Zeitkonstante von einer Filtereigenschaft, einer Intensität der verstärkten spontanen Emission, einem gesättigten Ausgang, einer Laserverstärkung und einer Hin- und Rückzeit des Lasers abhängt. Der wellenlängengewobbelte Laser 320, der das Hohlraumdurchstimmungsfilterverfahren verwendet, weist eine Sättigungsbegrenzung und eine Hin-und-Rückbegrenzung bezogen auf eine Scaneigenschaft einer Wellenlängenscanrate auf. Falls die Scanrate gering ist, kann durch eine Wellenlänge gefiltertes Licht einmal oder mehrmals in einem Laserhohlraum bei einer Periode hin- und zurücklaufen. In diesem Fall ist die Emissionszeit derart länger als die Zeitkonstante eines Lasers, dass der Laser eine ausreichende Lichtintensität von der verstärkten spontanen Emission aufweist, und wobei diese als Lichtsättigungsbegrenzung bezeichnet wird. Außerdem wird, falls die Wellenlängenscanfrequenz wesentlich erhöht wird, die Stehzeit des durch eine Wellenlänge gefilterten Lichts in dem Laserhohlraum kürzer und daher tritt plötzlich eine Frequenz auf, die identisch mit einer Hin- und Rückzeit eines Lasers ist. An dieser Stelle wird ein Laserausgang drastisch verringert und dieser Fall wird als eine Einmal-Hin-und-Zurück-Beschränkungswobbelfrequenz bezeichnet. In jenen zwei Fällen kann die Wobbelgeschwindigkeitsbeschränkung gemäß Eigenschaften eines Verstärkungsmediums eines Lasers und eines Hohlraums variieren.
6 ist eine Ansicht, die eine Terahertzwellen-Vorrichtung zum Erzeugen und Erfassen einer Terahertzwelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Die Terahertzwellen-Vorrichtung von 6 ist zu der von 3 weitgehend ähnlich und deren sich überlappende Beschreibung wird daher weggelassen.
Bezugnehmend auf 6 enthält die Terahertzwellen-Vorrichtung 400 einen wellenlängenfesten Laser 410, einen wellenlängengewobbelten Laser 420, einen Hochfrequenztreiber 425, einen Koppler 430, einen Generator 440, eine DC-Spannungseinheit 445 und ein Datengewinnungsgerät 470. Der Generator 440 kann ein Lichtmischer sein.
Der wellenlängenfeste Laser 410 gibt ein erstes Laserlicht aus, die eine feste erste Wellenlänge λ₁ aufweist. Der wellenlängenfeste Laser 410 kann ein modengekoppelter Laser sein und kann ein schmales Spektrum aufweisen. Der wellenlängengewobbelte Laser 420 gibt ein zweites Laserlicht aus, die eine durchstimmbare zweite Wellenlänge λ₂ aufweist. Der wellenlängengewobbelte Laser 420 ist ein Laser, der eine Wellenlänge kontinuierlich wobbelt oder scannt. Der wellenlängengewobbelte Laser 420 kann die zweite Wellenlänge scannen, wenn eine Spannung in einer Pulsform von dem Hochfrequenztreiber 425 an den Laser angelegt wird.
Der Koppler 430 koppelt das erste Laserlicht und das zweite Laserlicht. Der Koppler 430 kann das erste Laserlicht und das zweite Laserlicht mischen und kann das gemischte Licht ausgeben. Der Generator 440 ist zum Umwandeln des von dem Koppler 430 ausgegebenen gemischten Lichts in eine Terahertzwelle vorgesehen. Der Generator 440 kann ein Lichtmischer sein. Falls der Generator 440 ein Lichtmischer ist, kann der Generator 440 einen Lichtleiter und eine Antenne enthalten. Der Generator 440 kann das gemischte Licht empfangen, während eine Spannung durch die DC-Spannungseinheit 445 angelegt ist. Der Generator 440 kann eine Terahertzwelle erzeugen, die eine Frequenz aufweist, die einer Wellenlängendifferenz zwischen der ersten Wellenlänge und der zweiten Wellenlänge entspricht. Die Wellenlängendifferenz wird durch die feste erste Wellenlänge und die durchstimmbare zweite Wellenlänge entsprechend kontinuierlich geändert und eine Frequenz der Terahertzwelle kann sich somit kontinuierlich ändern.
Die in dem Generator 440 erzeugte Terahertzwelle wird auf eine Probe 450 projiziert. Die durch die Probe 450 hindurch gegangene Terahertzwelle kann durch den Detektor 460 erfasst werden.
Das Datengewinnungsgerät 470 wird mittels eines von dem Hochfrequenztreiber 425 bereitgestellten Synchronisationssignals geschalten und erhält von dem Detektor 460 kontinuierlich und bei einer hohen Scanrate ein Erfassungssignal. Da die Terahertzwelle, von der eine Frequenz variabel ist, bei einer hohen Scanrate erfasst wird, ist Hochgeschwindigkeits-Terahertzspektroskopie möglich. Das Datengewinnungsgerät 470 kann ein Digitalisierer sein. Das Datengewinnungsgerät 470 kann das SNR durch Mittelung verbessern.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die einen wellenlängenfesten Laser und einen wellenlängengewobbelten Laser verwendet, kann eine Terahertzwelle, von der eine Frequenz variabel ist, bei hoher Scanrate erzeugt werden. Eine Frequenzscanrate der Terahertzwelle kann von einer Wellenlängenscanrate des wellenlängengewobbelten Lasers abhängen. Da eine Terahertzwelle, von der eine Frequenz variabel ist, bei hoher Scanrate erfasst wird, ist außerdem Hochgeschwindigkeits-Terahertzspektroskopie möglich.
Der oben beschriebene Gegenstand ist als illustrierend und nicht beschränkend anzusehen und die beigefügten Ansprüche sind dazu gedacht, jegliche Modifikationen, Erweiterungen und andere Ausführungsformen, welche in den wahren Geist und Bereich der vorliegenden Erfindung fallen, abzudecken. Daher ist der Umfang der vorliegenden Erfindung bis zum maximalen durch Gesetz erlaubten Ausmaß durch die breitest zulässige Interpretation der nachfolgenden Ansprüche und deren Äquivalente zu bestimmen, und soll nicht begrenzt oder beschränkt durch die vorherige detaillierte Beschreibung sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

KR 10-2010-0012893 [0001]
KR 10-2010-0055614 [0001]

Claims

Terahertzwellen-Vorrichtung, umfassend: einen wellenlängenfesten Laser, der ein erstes Laserlicht ausgibt, das eine feste erste Wellenlänge aufweist; einen wellenlängengewobbelten Laser, der ein zweites Laserlicht ausgibt, das eine durchstimmbare zweite Wellenlänge aufweist; einen Koppler, der das erste Laserlicht mit dem zweiten Laserlicht koppelt; und einen Generator, der ein von dem Koppler ausgegebenes gemischtes Licht in eine Terahertzwelle umwandelt, wobei eine Frequenz der Terahertzwelle kontinuierlich durchstimmbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Generator eine Terahertzwelle erzeugt, die eine Frequenz aufweist, die einer Wellenlängendifferenz zwischen der ersten Wellenlänge und der zweiten Wellenlänge entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der wellenlängengewobbelte Laser umfasst: ein Verstärkungsmedium; und ein Wellenlängendurchstimmungsfilter, welches das von dem Verstärkungsmedium ausgegebene Licht in die zweite Wellenlänge filtert.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei das Verstärkungsmedium und das Wellenlängendurchstimmungsfilter zu einer optischen Faser kombiniert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, wobei das Verstärkungsmedium einen optischen Halbleiterverstärker umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei das Verstärkungsmedium eine Seltenerd-dotierte optische Faser umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei das Seltenerdelement Er und/oder Yb umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei das Wellenlängendurchstimmungsfilter ein durchstimmbares Faser-Fabry-Pérot-Filter (FFP-TF) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der wellenlängengewobbelte Laser ferner einen Hochfrequenztreiber umfasst, der eine Spannung in einer Pulsform an das FFT-TF anlegt.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei das FFT-TF die kontinuierlich durchstimmbare zweite Wellenlänge gemäß der angelegten Spannung filtert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 10, wobei der wellenlängengewobbelte Laser ferner einen optischen Isolator umfasst, der das zweite Laserlicht in eine Richtung weitergibt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 11, wobei der wellenlängengewobbelte Laser ferner einen Ausgangs-optische-Faser-Koppler umfasst, der einen Anteil ausgibt und einen anderen Anteil an das Verstärkungsmedium zurückgibt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend einen Detektor, der eine Terahertzwelle erfasst, die von dem Generator ausgegeben und durch eine Probe übertragen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, ferner umfassend ein Datengewinnungsgerät, das mittels eines von dem Hochfrequenztreiber bereitgestellten Synchronisationssignals geschaltet ist und kontinuierlich ein Erfassungssignal von dem Detektor gewinnt.