DE102011112893A1

DE102011112893A1 - Verfahren und Vorrichtung zur zeitaufgelösten Messung von Messsignalen

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Publication number: DE102011112893A1
Application number: DE102011112893A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-09-06
Filing date: 2011-09-06
Publication date: 2013-03-07

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur zeitaufgelösten Messung von Messsignalen, die in einer Untersuchungseinheit nach Anregung mittels Pulsen und nach Abtastung mit zeitlich nachfolgenden Pulsen erzeugt werden. Aufgabe der Erfindung ist es, den Zeitabstand zwischen Anregungs- und Abtastpuls eines pump-probe-Systems wiederholt mit hoher Genauigkeit zu messen und die gemessenen Zeitabstände den mit den Abtastpulsen ausgelesenen Messwerten zuzuordnen. Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit einem Verfahren und einer Vorrichtung. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass aus Pulsen von Pulszügen (11, 12) Schmalbandsignale gebildet, abgetastet und digitalisiert, Zeitabstandswerte (17) zwischen den digitalisierten und abgetasteten Schmalbandsignalen bestimmt werden und in einer Untersuchungseinheit (10) ermittelte Signale abgetastet und digitalisiert (15) und dabei entstehende Messwerte(digital) (16) den Zeitabstandswerten (17) zugeordnet werden, wobei die Abtastung der Schmalbandsignale und die Abtastung der Messsignale (14) auf eine gemeinsame Zeitbasis bezogen werden. Die Vorrichtung ist gekennzeichnet durch ein Messgerät (1), das mindestens einen Eingang für Pulszüge (11, 12), mindestens einen Eingang für Messsignale (14) und mindestens einen Ausgang für eine Datenweiterleitung an eine Verarbeitungseinheit (19), das eine Zeitabstandsmesseinheit (13) für die Aufnahme der Pulszüge (11, 12), das eine Signalerfassungseinheit (15) für die Aufnahme der Messsignale (14), das eine Taktgeneratoreinheit (20) mit Verbindungen zur Signalerfassungseinheit (15) und zur Zeitabstandsmesseinheit (13) für die Übertragung von Taktsignalen (21, 22) und das eine Zuordnungseinheit (18) mit Ausgängen zur Verarbeitungseinheit (19) und für die Zuordnung von Zeitabstandswerten (17) zu Messwerten(digital) (16) aufweist. Die Erfindung macht es möglich die Zeitabstandswerte mit großer Genauigkeit zu ermitteln.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur zeitaufgelösten Messung von Messsignalen gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 10.
Mit sogenannten Pump-Probe Techniken wird der Zeitverlauf physikalischer oder chemischer Vorgänge gemessen. Das Gemeinsame dieser Techniken ist stets, dass ein Untersuchungsobjekt wiederholt durch einen Strahlungs- oder Teilchenpuls angeregt wird (Anregungspuls, pump-Puls) und die zeitabhängige Reaktion des Systems nach einer variablen Zeitdauer mit einem zweiten Puls ausgelesen wird (Abtastpuls, probe-Puls). Häufig werden als Pulsquellen modengekoppelte Laser mit Pulsdauern von unter einer Picosekunde bis hinab zu wenigen Femtosekunden verwendet. Andere Pulsquellen sind Beschleunigeranlagen, die Teilchenpulse erzeugen, oder Freie-Elektronen-Laser, welche kohärente Röntgenstrahlung erzeugen. Anwendungsgebiete dieser Technik sind die Untersuchung der Relaxationsdynamik in Festkörpern, Flüssigkeiten und Gasen, die Erzeugung und Abtastung von Terahertz-Strahlung, sowie Konzentrationsmessungen in turbulenten Verbrennungsvorgängen.
Eine bekannte Vorrichtung zur Erzeugung von kurzen Laserpulsen mit variablem Zeitabstand besteht aus einem Strahlteiler, der einen Laserstrahl in zwei Teilstrahlen aufteilt, und einer einstellbaren mechanischen Verzögerungsstrecke in einem der Teilstrahlen. (L. Miaja-Avila, C. Lei, M. Aeschlimann, J. L. Gland, M. M. Murnane, H. C. Kapteyn, G. Saathoff, Laser-Assisted Photoelectric Effect from Surfaces, Physical Review Letters, Vol. 97, Seite 113604, 2006) Nachteilig daran ist die langsame Verstellung des Zeitabstandes durch die mechanische Verzögerungsstrecke, der begrenzte Einstellbereich des Zeitabstandes, der durch den Verfahrweg der Verzögerungsstrecke und die Lichtgeschwindigkeit gegeben ist, sowie unvermeidliche Variationen des Strahldurchmessers und des Auftreffpunkts des Strahls auf dem System, wenn die mechanische Verzögerungstrecke verfahren wird.
Die bekannte Methode des ”Asynchronous Optical Sampling” (ASOPS) verwendet zwei Laser-Pulsquellen mit leicht unterschiedlichen Pulswiederholraten der beiden Laser-Pulsquellen. (Paul A. Elzinga, Ronald J. Kneisler, Fred E. Lytle, Yanan Jiang, Gasen B. King, Normand M. Laurendeau, Pump/probe method for fast analysis of visible spectral signatures utilizing asynchronous optical sampling, Applied Optics, Vol. 26, Seite 4303, 1987) Dadurch ergibt sich ein periodisch variierender Zeitversatz zwischen den Pulsen der beiden Laser-Pulsquellen. Die Pulswiederholrate der ersten Pulsquelle sei f_rep1, jene der zweiten Pulsquelle f_rep2. Die Differenz der Pulswiederholraten ist f_diff = f_rep2 – f_rep1. Für das n-te Pulspaar betrage der Zeitabstand zwischen Anregungs- und Abtastpuls τ_n und für das darauffolgende (n + 1)-te Pulspaar τ_n+1. Für die Änderung des Zeitabstandes pro Pulspaar gilt dann
Um mit dieser Methode gute Zeitauflösungen zu erreichen, muss die Änderung des Zeitabstandes pro Pulspaar, Δτ, klein sein, wozu entweder die Pulswiederholraten der Pulsquellen f_rep1, f_rep2 groß sein müssen, oder die Differenz der Wiederholraten f_diff klein. Um beispielsweise mit einer für modengekoppelte Laser üblichen Pulswiederholrate von 100 MHz eine Änderung des Zeitabstandes zwischen zwei Pulspaaren von 10 fs zu erreichen, müsste die Differenz der Pulswiederholraten 100 Hz betragen. Bei diesen geringen Frequenzen ist das technische Rauschen der Laser sehr groß und das Signal-zu-Rauschverhältnis der Messung entsprechend schlecht. Die Verwendung von Pulsquellen mit höheren Wiederholraten führt zu guten Zeitauflösungen bei ausreichend großen Differenzfrequenzen, z. B. f_rep1 = 1 GHz, Δτ = 10 fs → f_diff ≅ 10 kHz, bringt aber andere Nachteile: Der maximale Zeitabstand zwischen den Pulsen beträgt bei f_rep = 1 GHz nur noch 1 ns, was für viele Anwendungen, beispielsweise bei der Untersuchung der Lebensdauer von Ladungsträgern in Halbleitern, nicht ausreichend ist. Die Beschränkung der Zeitauflösung durch die genannte Beziehung für die Änderung des Zeitabstandes pro Pulspaar ist also ein wesentlicher Nachteil der ASOPS-Methode.
Aus dem US-Patent Nr. 5258612 sind zwei Methoden bekannt, den Zeitabstand zwischen Anregungs- und Abtastpuls zu messen und die Zeitabstände den Messwerten, die mit den Abtastpulsen ausgelesen wurden, zuzuordnen. Beide in dieser Patentschrift vorgeschlagenen Messvorrichtungen für den Zeitabstand zwischen Anregungs- und Abtastpuls weisen aber gravierende Nachteile auf. Zum einen wird eine Messvorrichtung vorgeschlagen, die über photoleitende Schalter eine Kapazität lädt. Die Zeitspanne, während der die Kapazität geladen wird, entspricht dem Zeitabstand zwischen den Pulsen. Auf diese Weise wird der Zeitabstand zwischen den Pulsen in eine Amplitude, nämlich die Spannung an der Kapazität, umgesetzt. Die Codierung des Zeitabstandes in einer Amplitude ist äußerst nachteilig, wenn der Zeitabstand mit hoher Genauigkeit gemessen werden soll. Wenn die Pulswiederholrate der Pulsquellen beispielsweise den gängigen Wert von 100 MHz hat, beträgt der maximale Zeitabstand zwischen den Pulsen der beiden Pulsquellen 10 ns. Um diesen maximalen Zeitabstand mit einer Genauigkeit von 10 fs in einer Amplitude zu kodieren, müsste diese Amplitude mit einer relativen Genauigkeit von 10 fs/10 ns = 10^–6 erzeugt und weiterverarbeitet werden. Eine zweite in der genannten Patentschrift vorgeschlagene Messvorrichtung für den Zeitabstand zwischen den Pulsen besteht darin, die Strahlen von zwei gepulsten Lasern aufzuweiten und unter einem Winkel auf einem nichtlinearen optischen Material zu überlagern. Der Ort im nichtlinearen optischen Material, an dem die Pulse der beiden Laser überlagern, ändert sich mit dem Zeitabstand zwischen den Pulsen. Die Zeitinformation wird so in eine Ortsinformation umgesetzt. Der maximale mit dieser Messvorrichtung messbare Zeitabstand ist durch den Strahldurchmesser der aufgeweiteten Laserstrahlen und durch die Abmessung des nichtlinearen optischen Materials gegeben. Die praktisch realisierbaren Abmessungen liegen bei wenigen Zentimetern weil die benötigten nichtlinearen optischen Kristalle zur Frequenzverdopplung nicht mit größeren Abmessungen hergestellt werden. Beträgt der Strahldurchmesser z. B. drei Zentimeter, kann der Zeitabstand der Pulse nur in einem Bereich von 100 ps gemessen werden, was nur ein Bruchteil des maximal möglichen Zeitabstandes der Pulse von beispielsweise 10 ns bei einer Pulswiederholrate der Laserpulse von 100 MHz ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, den Zeitabstand zwischen Anregungs- und Abtastpuls eines pump-probe-Systems wiederholt mit hoher Genauigkeit zu messen und die gemessenen Zeitabstände den mit den Abtastpulsen ausgelesenen Messwerten zuzuordnen.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und 10 gelöst.
So ist das erfindungsgemäße Verfahren zur zeitaufgelösten Messung von Messsignalen, die in einer Untersuchungseinheit nach Anregung mittels Pulsen und nach Abtastung mit zeitlich nachfolgenden Pulsen erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, dass aus Pulsen von Pulszügen Schmalbandsignale gebildet, abgetastet und digitalisiert, Zeitabstandswerte zwischen den digitalisierten und abgetasteten Schmalbandsignalen bestimmt werden und in einer Untersuchungseinheit ermittelte Messsignale abgetastet und digitalisiert und dabei entstehende Messwerte(digital) den Zeitabstandswerten zugeordnet werden, wobei die Abtastung der Schmalbandsignale und die Abtastung der Messsignale auf eine gemeinsame Zeitbasis bezogen werden.
Innerhalb der Untersuchungseinheit wird ein Untersuchungsobjekt, beispielsweise eine Materialprobe, wiederholt durch einen Puls eines Pulszugs angeregt und durch den zeitlich nachfolgenden Puls eines weiteren Pulszugs abgetastet. Die durch die Abtastung mit Pulsen erzeugten Signale können elektrische Signale sein, welche dann direkt die Messsignale darstellen. Dies ist beispielsweise bei der Detektion von Terahertz-Strahlung mit photoleitenden Antennen der Fall. Wenn die innerhalb der Untersuchungseinheit durch die Abtastung mit Pulsen erzeugten Signale keine elektrischen Signale sind, müssen diese Signale durch geeignete Detektoren in die Messsignale gewandelt werden. Ein Beispiel hierfür ist die Detektion einer Änderung der Reflexion am Untersuchungsobjekt mit Laserpulsen, welche mit einem Photodetektor in das Messsignal gewandelt werden.
Die Messsignale hängen vom Zeitabstand zwischen dem Puls, mit dem das Untersuchungsobjekt angeregt wurde, und dem nachfolgendem Puls, mit dem das Untersuchungsobjekt abgetastet wurde, ab.
Die Messsignale werden in Analog-digital-Wandlern abgetastet und digitalisiert. Zu den so entstehenden Messwerten(digital) werden Zeitabstandswerte ermittelt. Die Ermittlung der Zeitabstandswerte umfasst die Verfahrensschritte der Wandlung der Pulszüge in Schmalbandsignale, der Abtastung und Digitalisierung der Schmalbandsignale in Analog-digital-Wandlern und die Berechnung von Zeitabstandswerten aus den digitalisierten Signalen. Unter einem Schmalbandsignal ist hier ein Signal zu verstehen, dessen Leistung bei einer Frequenz mehr als das Vierfache der Summe der Leistungen bei allen anderen Frequenzen beträgt.
Durch dieses Verfahren können die Zeitabstandswerte mit großer Genauigkeit ermittelt werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur zeitaufgelösten Messung abgetasteter Signale, die in Untersuchungsobjekten nach Anregung mittels Pulsen und nach Abtastung mit zeitlich nachfolgenden Pulsen erzeugt werden, ist gekennzeichnet durch ein Messgerät (1), das mindestens einen Eingang für Pulszüge, mindestens einen Eingang für Messsignale und mindestens einen Ausgang für eine Datenweiterleitung an eine Verarbeitungseinheit,
das eine Zeitabstandsmesseinheit für die Aufnahme der Pulszüge,
das eine Signalerfassungseinheit für die Aufnahme der Messsignale,
das eine Taktgeneratoreinheit mit Verbindungen zur Signalerfassungseinheit und zur Zeitabstandsmesseinheit für die Übertragung von Taktsignalen
und das eine Zuordnungseinheit mit Ausgängen zur Verarbeitungseinheit und für die Zuordnung von Zeitabstandswerten zu Messwerten(digital) (16)
aufweist.
Die Taktsignale der Taktgeneratoreinheit bestimmen die Abtastzeitpunkte von Analog-digital-Wandlern innerhalb der Zeitabstandsmesseinheit und der Signalerfassungseinheit. Die Taktsignale sind auf eine gemeinsame Zeitsignalquelle referenziert. Dadurch ist die Zeitbeziehung zwischen den Abtastzeitpunkten der Analog-digital-Wandler in der Signalerfassungseinheit und der Zeitabstandsmesseinheit bekannt und die in der Zeitabstandsmesseinheit ermittelten Zeitabstandswerte und die in der Signalverarbeitungseinheit ermittelten Messwerte(digital) können in der Zuordnungseinheit einander zugeordnet werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden ein erster Pulszug und ein zweiter Pulszug vor der Bildung der Schmalbandsignale geteilt und abgeteilte Pulszüge für eine Anregung und Abtastung in eine Untersuchungseinheit und weitere abgeteilte Pulszüge in eine Zeitabstandsmesseinheit geführt.
Weil die abgeteilten Pulszüge jeweils aus demselben Pulszug hervorgehen, unterscheidet sich der Zeitabstand zwischen den Pulsen der abgeteilten Pulszüge am Untersuchungsobjekt und in der Zeitabstandsmesseinheit nur durch einen Offset. Deshalb sind die derart abgeteilten Pulszüge vorteilhaft, um in der Zeitabstandsmesseinheit Zeitabstände zu ermitteln, die sich nur durch einen Offset von den Zeitabständen am Untersuchungsobjekt unterscheiden. Durch eine Korrektur des Offsets bei der Ermittlung der Zeitabstände können ferner direkt die Zeitabstände am Untersuchungsobjekt ermittelt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Pulswiederholraten zwischen 0,0012 und 10,5 GHz angewendet. Innerhalb des genannten Bereichs für die Pulswiederholraten lässt sich das Verfahren mit hoher Genauigkeit der ermittelten Zeitabstandswerte und im Vergleich zur Realisierung bei höheren Pulswiederholraten als 10,5 GHz geringerem Schaltungsaufwand realisieren. So hat sich gezeigt, dass sich mit Pulswiederholraten zwischen 0,0012 und 10,5 GHz Zeitabstandwerte mit hoher Genauigkeit ermitteln lassen. Als besonders vorteilhaft haben sich Pulswiederholraten zwischen 0,01 und 1 GHz erwiesen.
In einer Weiterbildung erfolgt die Erzeugung der Schmalbandigkeit der Schmalbandsignale stufenweise.
In einer weiteren Ausgestaltung werden Schmalbandfilter eingesetzt, deren Bandbreite des Durchlassbereiches kleiner als 550 kHz ist. Durch den Einsatz von Schmalbandfiltern werden Rauschen und/oder Störsignale außerhalb des Durchlassbereichs der Schmalbandfilter unterdrückt und so die Streuung der ermittelten Zeitabstandswerte reduziert. So hat sich gezeigt, dass sich mit Schmalbandfiltern, deren Bandbreite des Durchlassbereiches kleiner als 550 kHz ist, Zeitabstandswerte mit hoher Genauigkeit ermitteln lassen. Als besonders vorteilhaft haben sich Schmalbandfilter mit einer Breite des Durchlassbereichs kleiner als 50 kHz erwiesen.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass aus Pulsen eines ersten Pulszugs und eines zweiten Pulszugs ein Triggersignal gebildet wird, das in der Zeitabstandsmesseinheit verarbeitet wird. Der Vorteil der Verwendung eines Triggersignalgenerators besteht darin, dass Drifts bei der Ermittlung der Zeitabstandswerte mit dem Signal des Triggersignal-Generators als Referenzsignal korrigiert werden können.
In einer weiteren Ausgestaltung wird aus den Zeitabstandswerten und einem Sollwert ein Stellsignal gebildet, das die momentane Pulswiederholrate mindestens einer Pulsquelle regelt.
Eine Weiterbildung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die in der Untersuchungseinheit ermittelten Signale, sofern sie keine elektrischen Signale sind, in elektrische Messsignale gewandelt werden.
Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitabstandsmesseinheit eine Pulswandlungseinheit zur Wandlung in Schmalbandsignale, eine Analog-digital-Wandlungseinheit zur Wandlung in Digitalsignale und eine Signalverarbeitungseinheit (Zeitabstand) zur Berechnung der Zeitabstandswerte aufweist. Durch die Ermittlung der Zeitabstandswerte mittels einer Pulswandlungseinheit, einer Analog-digital-Wandlungseinheit und einer Signalverarbeitungseinheit (Zeitabstand) können die Zeitabstandswerte mit hoher Genauigkeit ermittelt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung weist die Zeitabstandsmesseinheit Schmalbandfilter mit einer Bandbreite des Durchlassbereichs kleiner als 550 kHz auf, die in der Pulswandlungseinheit und/oder in der Analog-digital-Wandlungseinheit und/oder in der Signalverarbeitungseinheit (Zeitabstand) angeordnet sind.
Eine Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Pulswandlungseinheit der Zeitabstandsmesseinheit des Messgerätes mindestens einen Photodetektor und mindestens ein Tiefpassfilter und die Analog-digital-Wandlungseinheit mindestens einen A/D-Wandler aufweisen, dass die Signalerfassungseinheit des Messgerätes mindestens einen A/D-Wandler aufweist, dass die Taktgeneratoreinheit mindestens einen Taktgenerator und eine Zeitsignalquelle aufweist, wobei der Taktgenerator mit den A/D-Wandlern verbunden ist und dass die Zuordnungseinheit mindestens ein Verzögerungsglied aufweist, das mit den A/D-Wandlern der Signalerfassungseinheit signalübertragungsmäßig verbunden ist. Hier werden vorteilhafterweise die Abtastzeitpunkte der A/D-Wandler in der Signalerfassungseinheit und der Analog-digital-Wandlungseinheit durch dasselbe Taktsignal bestimmt, was den Aufbau und die Zuordnung der Zeitabstandswerte zu den Messwerten(digital) in der Zuordnungseinheit vereinfacht.
In einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung umfasst die Signalverarbeitungseinheit (Zeitabstand) die folgenden Baugruppen, die die eintretenden Digitalsignale weiterleiten und weiterverarbeiten:

– Frequenzzähler
– Multiplizierer
– Lokaloszillator
– Schmalbandfilter
– Signalverarbeitung
– Signalverarbeitung
– Offset-Korrektur mit einem Ausgang für die Zeitabstandswerte.

Der Vorteil dieser Weiterbildung liegt darin, dass erstens durch die Schmalbandfilter Rauschen und/oder Störsignale außerhalb des Durchlassbereichs der Schmalbandfilter unterdrückt und so die Streuung der ermittelten Zeitabstandswerte reduziert wird und zweitens durch die Offset-Korrektur direkt der Zeitabstandswert am Untersuchungsobjekt berechnet wird.
In einer weiteren Ausgestaltung weist die Pulswandlungseinheit Photodetektoren, Tiefpassfilter und Bandpassfilter auf. Durch die Verwendung von Tiefpassfiltern und Bandpassfiltern kann die Pulswandlungseinheit Schmalbandsignale bei der Grundfrequenz und einer Harmonischen der Pulswiederholraten erzeugen. Durch die Ermittlung der Zeitabstandswerte aus einer Harmonischen der Pulswiederholraten lässt sich eine höhere Genauigkeit der ermittelten Zeitabstandswerte erzielen.
In einer Weiterbildung der Vorrichtung weist die Signalverarbeitungseinheit (Zeitabstand) der Digitalsignale Schmalbandfilter und einen Frequenzzähler auf, wobei die Schmalbandfilter mit dem Frequenzzähler signalübertragungsmäßig verbunden sind. Der Vorteil dieser Weiterbildung liegt darin, dass durch die Schmalbandfilter Rauschen und/oder Störsignale außerhalb des Durchlassbereichs der Schmalbandfilter unterdrückt und so die Streuung der ermittelten Zeitabstandswerte reduziert wird.
Eine weitere Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Regler, der mit einem Sollwertgenerator und mit der Signalverarbeitungseinheit (Zeitabstand) datenübertragungsmäßig verbunden ist, Stellsignale übertragend, mit der Anregungspulsquelle verknüpft ist. Durch die Erweiterung um einen Regelkreis, dessen Ist-Signal die ermittelten Zeitabstandswerte sind und der die momentane Pulswiederholrate mindestens einer der Pulsquellen regelt, können beliebige Zeitverläufe des Zeitabstands zwischen den zur Anregung und den zur Abtastung verwendeten Pulsen erzeugt werden.
Eine Weiterbildung der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Signalerfassungseinheit mindestens einen Verstärker und ein Antialiasing-Filter aufweist.
Derzeit kommerziell verfügbare Analog-digital-Wandler (A/D-Wandler) weisen Rauschleistungsdichten auf, die es ermöglichen, mit dem beschriebenen Verfahren quadratische Mittelwerte der Streuungen der ermittelten Zeitabstandswerte zwischen Anregungs- und Abtastpuls von wenigen 10^–14 s oder darunter bei einer Messbandbreite von 10 kHz zu erreichen. Durch diese hohe Genauigkeit der ermittelten Zeitabstandswerte lassen sich mit der Erfindung erstmals Pump-probe-Systeme realisieren, bei denen die Pulsdauer der zur Verfügung stehenden Pulsquellen, insbesondere die Pulsdauer modengekoppelter Laser, die Zeitauflösung des Systems bestimmt, und nicht die Ungenauigkeit der Stabilisierung oder die Ungenauigkeit der Messung des Zeitabstandes zwischen Anregungs- und Abtastpuls.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch die Analog-digital-Wandlung und weitere digitale Signalverarbeitung aller zu verarbeitender Signale Fehler durch Drifts und Toleranzen analoger Bauteile vermieden werden.
Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung innerhalb eines Pump-probe-Messsystems,
2 ein Diagramm mit der zeitlichen Abfolge von Anregungs- und Abtastpulsen,
3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Direktabtastung,
4 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Signalverarbeitungseinheit (Zeitabstand),
5 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit n-ten Harmonischen
6 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Signalverarbeitungseinheit (Zeitabstand),
7 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zusätzlichem Regelkreis und
8 eine schematische Darstellung der Vorrichtung mit Triggersignal-Generator.
1 zeigt schematisch ein Messgerät 1 innerhalb eines Pump-probe-Systems. Eine Anregungspulsquelle 2 sendet einen Anregungspulszug 4 aus. Eine Abtastpulsquelle 3 sendet einen Abtastpulszug 5 aus. Die Anregungspulsquelle 2 und die Abtastpulsquelle 3 sind modengekoppelte Laser. Die Pulszüge 4 und 5 werden jeweils durch Teiler 6 aufgeteilt, so dass Pulszüge 8 und 9 auf eine Untersuchungseinheit 10 und Pulszüge 11 und 12 auf eine Zeitabstandsmesseinheit 13 gerichtet werden. Die Teiler 6 sind als teildurchlässige Spiegel ausgeführt. Die Pulszüge 4, 5, 8, 9, 11 und 12 werden mittels Freistrahl-Optiken oder in Lichtleitern oder einer Kombination aus beiden geführt. Justagevorrichtungen erlauben die Justage des Strahlverlaufs der Pulszüge 4, 5, 8, 9, 11 und 12. Die Untersuchungseinheit 10 besteht aus einem Untersuchungsobjekt, beispielsweise einer Materialprobe, welches durch den Anregungspulszug 8 angeregt und durch den Abtastpulszug 9 abgetastet wird, und einem Detektor, welcher das bei der Abtastung entstehende Signal in ein elektrisches Messsignal 14 wandelt, sofern das bei der Abtastung entstehende Signal nicht bereits ein elektrisches Signal ist. Das Messsignal 14 wird wiederholt von einer Signalerfassungseinheit 15 abgetastet und digitalisiert. Die Signalerfassungseinheit 15 besteht nur aus der Abtastung und Digitalisierung in Form eines Analog-digital-Wandlers oder sie besteht aus der Abtastung und Digitalisierung und weiteren analogen oder digitalen Signalverarbeitungskomponenten, beispielsweise Filtern oder Verstärkern, insbesondere digitalen Filtern zur Weiterverarbeitung nach der Digitalisierung. Das Ausgangssignal der Signalerfassungseinheit 15 sind Messwerte (digital) 16. Die Zeitabstandsmesseinheit 13 ermittelt wiederholt Zeitabstandswerte 17. Die Zeitabstandsmesseinheit 13 besteht aus einer Pulswandlungseinheit 23, einer Analog-digital-Wandlungseinheit 24 und einer Signalverarbeitungseinheit (Zeitabstand) 25. Die Pulswandlungseinheit 23 wandelt die Pulszüge 11 und 12 in elektrische Schmalbandsignale 26. Unter einem Schmalbandsignal ist hier ein Signal zu verstehen, dessen Leistung bei einer Frequenz mehr als das Vierfache der Summe der Leistungen bei allen anderen Frequenzen beträgt. Die Schmalbandsignale 26 bestehen aus einem Signal oder aus mehreren Signalen. Die Analog-digital-Wandlungseinheit 24 tastet die Schmalbandsignale 26 wiederholt ab und digitalisiert sie. Die Signalverarbeitungseinheit (Zeitabstand) 25 ermittelt wiederholt die Zeitabstandswerte 17 aus Digitalsignalen 27. Die Digitalsignale 27 bestehen aus einem Signal oder aus mehreren Signalen. Taktsignale 21 und 22 der Taktgeneratoreinheit 20 bestimmen die Abtastzeitpunkte der in der Analog-digital-Wandlungseinheit 24 und der Signalerfassungseinheit 15 enthaltenen Abtaster. Die Taktsignale 21 und 22 der Taktgeneratoreinheit 20 weisen dieselbe Taktrate auf oder die Taktraten sind unterschiedlich. Die Taktgeneratoreinheit 20 referenziert die Taktsignale 21 und 22 auf eine gemeinsame Zeitsignalquelle, wodurch die Abtaster in der Analog-digital-Wandlungseinheit 24 und der Signalerfassungseinheit 15 auf eine gemeinsame Zeitbasis zurückgreifen. Die Messwerte (digital) 16 werden in einer Zuordnungseinheit 18 mit den Zeitabstandswerten 17 zusammengeführt und Mess- und zugehörige Zeitabstandswerte an eine Verarbeitungseinheit 19 zur weiteren Verarbeitung, beispielsweise zur Anzeige, Speicherung oder Mittelung übermittelt.
Die Pulsquellen 2 und 3 sind freilaufend, d. h. die Pulswiederholrate variiert im Verlauf der Zeit entsprechend der intrinsischen Stabilität der Pulsquellen, oder die Pulswiederholraten einer oder beider Pulsquellen 2 und 3 werden mittels bekannter Stabilisierungsverfahren stabilisiert. Insbesondere können auch die gemessenen Zeitabstandswerte 17 als Ist-Werte einer Regelschleife, die eine oder beide Pulsquellen 2 und 3 regelt, verwendet werden. In der Regel werden zur Stabilisierung von Pulsquellen Phasenregelkreise verwendet. Zur Stabilisierung der Pulswiederholraten der Pulsquellen 2 und 3 werden beide Pulsquellen auf dieselbe Referenzfrequenz stabilisiert oder die Anregungspulsquelle 2 und die Abtastpulsquelle 3 werden auf unterschiedliche Referenzfrequenzen stabilisiert. Alternativ wird eine der beiden Pulsquellen 2 oder 3 auf die Pulswiederholrate der jeweils anderen Pulsquelle 2 oder 3 bzw. eine daraus abgeleitete Frequenz stabilisiert (Master-Slave Anordnung).
Die Pulszüge 8 und 9 werden in einem Punkt des Untersuchungsobjekts innerhalb der Untersuchungseinheit 10 zur Überlagerung gebracht, wie es typischerweise bei Materialuntersuchungen der Fall ist, oder der Anregungsspulszug 8 regt das Untersuchungsobjekt an einem ersten Ort an und der Abtastpulszug 9 liest die zeitabhängige Reaktion des Untersuchungsobjekts an einem zweiten Ort aus, wie es bei der Erzeugung und Abtastung von Terahertz-Strahlung mit ultrakurzen Laserpulsen der Fall ist. Bei der Erzeugung und Abtastung von Terahertz-Strahlung wird der Anregungspulszug 8 auf einen Terahertz-Emitter gerichtet und der Abtastpulszug 9 auf einen Terahertz-Detektor.
2 zeigt ein Diagramm mit der zeitlichen Abfolge von Anregungspulsen 30 und Abtastpulsen 31 über der Zeitachse 34 sowie beispielhaft einem Zeitverlauf des Messsignals 14 in Abhängigkeit vom Zeitabstand τ zwischen einem Anregungspuls 30 und dem nachfolgenden Abtastpuls 31. Der Zeitabstand des n-ten Pulspaares aus einem Anregungspuls 30.1 und einem nachfolgendem Abtastpuls 31.1 beträgt τ_n. Der Zeitabstand zwischen einem Anregungspuls 30.2 und einem Abtastpuls 31.2 ist der maximal mögliche Zeitabstand τ_max = 1/max (f_rep1, f_rep2), wobei f_rep1, f_rep2 die momentanen Pulswiederholraten der Pulszüge der Anregungspulse 30 bzw. der Abtastpulse 31 sind. Unter einer momentanen Pulswiederholrate f_rep ist der Quotient aus der Anzahl von Pulsperioden n innerhalb eines Zeitintervalls Δt und dem Zeitintervall Δt selbst zu verstehen, wobei die Dauer des Zeitintervalls Δt groß gegenüber der Periodendauer 1/f_rep sein sollte, um einen präzisen Wert für f_rep zu erhalten. Die Verwendung des Begriffs der momentanen Pulswiederholrate soll klarstellen, dass die Pulswiederholraten und die Frequenzen der daraus abgeleiteten Signale nicht notwendig als konstant angenommen werden dürfen, sondern entsprechend der Stabilität der Pulsquellen mit der Zeit variieren. In diesem Diagramm ist der Fall dargestellt, dass sich der Zeitabstand r zwischen den Pulsen monoton bis zum Maximalwert τ_max erhöht, wie es der Fall ist, wenn sich die momentanen Pulswiederholraten f_rep1, f_rep2 um eine Differenzfrequenz f_diff unterscheiden. Auf der Zeitabstandsachse 35 ist der Zeitabstand τ zwischen einem Anregungspuls 30 und dem nachfolgenden Abtastpuls 31 aufgetragen. Die Amplitude des Messsignals 14 hängt vom Zeitabstand τ ab. Linien 36 verdeutlichen diesen Zusammenhang. Bei dem hier gezeigten Bespiel für ein Messsignal 14 werden die einzelnen Abtastpulse im Messsignal 14 nicht mehr aufgelöst. Ob einzelne Abtastpulse im Messsignal 14 aufgelöst werden oder nicht hängt von der Bandbreite der bei der Erzeugung des Messsignals 14 beteiligten Komponenten ab.
3 zeigt eine Ausführungsform des Messgeräts 1, bei der die Schmalbandsignale 26.1 und 26.2 an den Eingängen der Analog-digital-Wandlungseinheit (Direktabtastung) 24.1 die gleiche Frequenz wie die momentanen Pulswiederholraten der jeweiligen Pulszüge 11 und 12 aufweisen. Die Zeitabstandsmesseinheit 13 ist hier als Zeitabstandsmesseinheit (Direktabtastung) 13.1 ausgeführt. Die Signalerfassungseinheit 15 ist hier als Signalerfassungseinheit (Direktabtastung) 15.1 ausgeführt. Die Zuordnungseinheit 18 ist hier als Zuordnungseinheit (Direktabtastung) 18.1 ausgeführt. Die Taktgeneratoreinheit 20 ist hier als Taktgeneratoreinheit (Direktabtastung) 20.1 ausgeführt. Die Pulswandlungseinheit 23 ist hier als Pulswandlungseinheit (Direktabtastung) 23.1 ausgeführt. Die Analog-digital-Wandlungseinheit 24 ist hier als Analog-digital-Wandlungseinheit (Direktabtastung) 24.1 ausgeführt. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, einfach aufgebaut zu sein.
Der Anregungspulszug 11 mit der momentanen Pulswiederholrate f_rep1 wird auf einen Photodetektor 41 gerichtet und der Abtastpulszug 12 mit der momentanen Pulswiederholrate f_rep2 wird auf einen Photodetektor 42 gerichtet. Die Photodetektoren 41 und 42 sind als Photodioden gefolgt von einem Transimpedanzverstärker ausgeführt. Die Bandbreite von Photodetektorsignalen 42 und 43 ist durch die Pulsdauer der Pulse der Pulszüge 11 und 12 und die Bandbreite der Photodetektoren 40 und 41 gegeben. In der Regel sind die Pulse der Pulszüge 11 und 12 so kurz (< 1 ps), dass die Bandbreite der Photodetektoren 40 und 41 die Bandbreite der Photodetektorsignale 42 und 43 begrenzt. Das Spektrum der Photodetektorsignale 42 und 43 enthält Harmonische der momentanen Pulswiederholraten f_rep1, f_rep2 der Pulszüge 11 und 12 entsprechend der Bandbreite der Photodetektorsignale 42 und 43. Die Bandbreite der Photodetektoren 40 und 41 muss mindestens gleich der maximal auftretenden Pulswiederholrate der Pulszüge 11 und 12 sein. Tiefpassfilter 44 und 45 selektieren die erste Harmonische der momentanen Pulswiederholrate der Pulszüge 11 und 12 mit den Frequenzen f_rep1, f_rep2 aus den Photodetektorsignalen 42 und 43 und unterdrücken höhere Harmonische. Die Tiefpassfilter 44 und 45 sind so zu dimensionieren, dass in den Schmalbandsignalen 26.1 und 26.2 die Leistung bei den Frequenzen f_rep1, f_rep2 mehr als das Vierfache der Summe der Leistungen bei allen anderen Frequenzen beträgt. Wenn die Spektren der Photodetektorsignale 42 und 43 nur die erste Harmonische der momentanen Pulswiederholraten f_rep1, f_rep2 enthalten, können die Tiefpassfilter 44 und 45 entfallen.
A/D-Wandler 46 tasten wiederholt die Schmalbandsignale 26.1 und 26.2 ab und digitalisieren die Abtastwerte. Die Abtastzeitpunkte der A/D-Wandler 46 und 48 werden durch das Signal des Taktgenerators 54 bestimmt. Der Taktgenerator 54 ist auf die Zeitsignalquelle 56 referenziert, wodurch die Abtaster der A/D-Wandler 46 und 48 auf eine gemeinsame Zeitbasis zurückgreifen. Der Taktgenerator 54 ist als integrierter Halbleiterbaustein ausgeführt, der das Taktsignal über einen Phasenregelkreis aus dem Signal der Zeitsignalquelle 56 erzeugt. Die Zeitsignalquelle 56 ist als Quarzoszillator ausgeführt. Die Zeitsignalquelle 56 ist eine interne Zeitbasis, d. h. sie bildet eine Einheit mit dem Taktgenerator 54 oder sie ist eine externe Zeitbasis, welche mittels einer lösbaren Verbindung an den Taktgenerator 54 angeschlossen wird. Die Signalverarbeitungseinheit (Zeitabstand) 25 ermittelt wiederholt den Zeitabstand zwischen einem Digitalsignal (f_rep1) 27.1 und einem Digitalsignal (f_rep2) 27.2. (Siehe 4 für eine Ausführungsform der Signalverarbeitungseinheit (Zeitabstand) 25).
Der Verstärker 49 passt den Signalpegel des Messsignals 14 an den Eingangsbereich des A/D-Wandlers 48 an. Das Antialiasing-Filter 50 ist ein Tiefpassfilter, das Frequenzen oberhalb f_sample/2 unterdrückt, wobei f_sample die Abtastrate des A/D-Wandlers 48 ist. Der A/D-Wandler 48 tastet wiederholt das Eingangssignal 57 ab und digitalisiert die Abtastwerte.
Durch Laufzeitunterschiede zwischen der Signalverarbeitungseinheit (Zeitabstand) 25 und der Signalerfassungseinheit 15 ist der i-te Zeitabstandswert des Signals 17 im Allgemeinen nicht der zum i-ten Messwert (digital) 16 zugehörige Wert. Um diese Laufzeitunterschiede auszugleichen wird, das Signal mit der kürzeren Laufzeit mittels eines Verzögerungsglieds 58 um j Werte verzögert. Wenn die Messwerte (digital) 16 den Zeitabstandswerten 17 um j Werte vorauseilen, verzögert das Verzögerungsglied 58 die Messwerte (digital) 16 um j Werte. Das Verzögerungsglied 58 wird als first-in-first-out-Speicher ausgeführt. Hinter dem Verzögerungsglied 58 ist dann der i-te Zeitabstandswert des Signals 17 der zu einem i-ten Wert der Messwerte (verzögert) 59 gehörende Wert. Diese Zeitabstandswerte 17 und Messwerte (verzögert) 59 werden zur weiteren Verarbeitung ausgegeben. Die Berechnungen in der Signalverarbeitungseinheit (Zeitabstand) 25 und der Zuordnungseinheit 18 können als Software auf einem Mikrocontroller, einem digitalen Signalprozessor oder einem Computer ausgeführt oder in Hardware (FPGA, ASIC) realisiert werden.
Eine Erweiterung dieser Ausführungsform besteht darin, jedes der Schmalbandsignale 26.1 und 26.2 nicht durch einen A/D-Wandler 46 sondern durch mehrere A/D-Wandler abzutasten und zu digitalisieren. Mit Hilfe der Kreuzkorrelationsfunktion wird dann unkorreliertes Rauschen zwischen den digitalisierten Signalen zweier A/D-Wandler, welche dasselbe Signal digitalisieren, unterdrückt.
Eine weitere Ausführungsform besteht darin, beide Pulszüge 11 und 12 auf denselben Photodetektor 44 oder 45 zu richten. Die weitere Signalverarbeitung muss dann entsprechend angepasst werden, um den Zeitabstand aus dem Signal von diesem einen Photodetektor zu bestimmen. Beispielsweise kann das Signal vom Photodetektor auf eine Zwischenfrequenz umgesetzt werden und dann mit schmalbandigen Filtern die beiden aus den momentanen Pulswiederholraten f_rep1, f_rep2 entstandenen momentanen Zwischenfrequenzen f_IF1, f_IF2 separiert werden. Der Zeitabstand wird aus diesen Signalen analog zu dem in 6 gezeigten Vorgehen mittels Hilbert-Transformatoren bestimmt.
In 4 ist die Signalverarbeitungseinheit (Zeitabstand) 25 aus 3 als Signalverarbeitung (Zeitabstand) für Direktabtastung 25.1 ausgeführt. Die Digitalsignale 27.1 und 27.2 mit den jeweiligen momentanen Frequenzen f_rep1 und f_rep2 werden mit dem Signal eines Lokaloszillators 72 mit der Frequenz f_L0 multipliziert. Die Lokaloszillatorfrequenz f_L0 wird so gewählt, dass die durch die Multiplikationen entstehenden Zwischenfrequenzen f_IF1 = |f_rep1 – f_L0|, f_IF2 = |f_rep2 – f_L0| wesentlich kleiner als die jeweiligen momentanen Pulswiederholraten f_rep1, f_rep2 sind. Der Lokaloszillator erzeugt ein Sinus-Signal 73 und ein Cosinus-Signal 74, beide mit der Frequenz f_L0. Multiplizierer 75 multiplizieren das Digitalsignal (f_rep1) 27.1 mit dem Sinus-Signal 73 und dem Cosinus-Signal 74. Multiplizierer 76 multiplizieren das Digitalsignal (f_rep2) 27.2 mit dem Sinus-Signal 73 und dem Cosinus-Signal 74. Die Ergebnisse der Multiplikationen werden durch Schmalbandfilter 79 und 80 von den Summenfrequenzen f_rep1 + f_L0 bzw. f_rep2 + f_L0 getrennt und Rauschen und/oder Störsignale außerhalb des jeweiligen Durchlassbereichs der Filter werden unterdrückt, wodurch sich die Streuung der berechneten Zeitabstandswerte verringert. Unter einem Schmalbandfilter ist hier ein Filter zu verstehen, dessen Bandbreite des Durchlassbereichs kleiner als 550 kHz ist. Die Schmalbandfilter 79 und 80 werden als Tiefpassfilter oder als Bandpassfilter ausgeführt, wobei die Zwischenfrequenz f_IF1 innerhalb des Durchlassbereichs der Schmalbandfilter 79 und die Zwischenfrequenz f_IF2 innerhalb des Durchlassbereichs der Schmalbandfilter 80 liegen muss. Signalverarbeitungseinheiten 83 und 84 berechnen wiederholt die momentane Phase φ₁ bzw. φ₂ aus einem Signal (Q₁) 85 und einem Signal (I₁) 86 bzw. einem Signal (Q₂) 87 und einem Signal (I₂) 88 mittels der atan2-Funktion φ_i = atan2(Q_i, I_i), i = 1,2.
Unter der momentanen Phase versteht man den gesamten Ausdruck einer Winkelfunktion. Der Ausdruck (ωt + φ₀) wäre also beispielsweise die momentane Phase der Winkelfunktion sin(ωt + φ₀).
Ein Frequenzzähler 89 bestimmt wiederholt die jeweiligen momentanen Frequenzen f_rep1, f_rep2 der Digitalsignale 27.1 und 27.2. Die Verwendung des Begriffs der momentanen Frequenz soll klarstellen, dass die Frequenzen f_rep1, f_rep2 nicht notwendig als konstant angenommen werden dürfen, sondern entsprechend der Stabilität der Pulsquellen 2 und 3 mit der Zeit variieren. Der Frequenzzähler 89 gibt wiederholt die größere der beiden momentanen Frequenzen f_rep1, f_rep2 als Signal (f_max) 90 aus. Der Frequenzzähler 89 wird derart ausgeführt, dass die Anzahl der Nulldurchgänge der Digitalsignale 27.1 und 27.2 in einem hinreichend langen Zeitraum, beispielsweise einer Sekunde, detektiert und gezählt werden und die gezählte Anzahl der Nulldurchgänge durch das Doppelte der Länge des Zeitraums geteilt wird.
Eine Signalverarbeitungseinheit 91 berechnet wiederholt den Zeitabstand τ aus den Werten eines Signals (φ₁) 92, den Werten eines Signals (φ₂) 93 und den Werten des Signals (f_max) 90 mittels der Zusammenhänge
Eine Offset-Korrektureinheit 94 korrigiert wiederholt den berechneten Zeitabstand τ um den Zeitversatz τ_offset. Der berechnete Zeitabstand τ ist der Zeitabstand zwischen den Schmalbandsignalen 26.1 und 26.2 an den jeweiligen Orten der Abtastung durch die A/D Wandler 46. Um den Zeitversatz zwischen diesem Zeitabstand und dem Zeitabstand zwischen dem jeweiligen Puls des Anregungspulszugs 8 und dem gleichzeitigen oder zeitlich nachfolgenden Puls des Abtastpulszugs 9 am Untersuchungsobjekt innerhalb der Untersuchungseinheit 10 zu berücksichtigen, wird der Zeitversatz τ_offset vom Zeitabstand τ subtrahiert. Weil das Ergebnis dieser Subtraktion außerhalb des Wertebereichs der möglichen Zeitabstände 0..1/f_max liegen kann, wird das Ergebnis der Subtraktion mittels der Modulo-Funktion auf den genannten Wertebereich abgebildet, was zu folgendem Zusammenhang für den Ausgangswert τ' der Offset-Korrektureinheit 94 führt:
Der Zeitversatz τ_offset wird ermittelt, indem an Stelle des Untersuchungsobjekts innerhalb der Untersuchungseinheit 10 (1) eine Vorrichtung installiert wird, die die gleichzeitige Ankunft der Pulse der Pulszüge 8 und 9 detektiert. Die gleichzeitige Ankunft der Pulse wird detektiert, indem die Pulse fokussiert werden und die Fokusse in einem nichtlinearen optischen Material überlagert werden. Das nichtlineare optische Material wird als nichtlinearer optischer Kristall, welcher für Summenfrequenzbildung bei den Wellenlängen der Pulszüge 8 und 9 angepasst ist, ausgeführt. Das durch die Überlagerung der Pulse erzeugte Signal wird mit einem geeigneten Photodetektor detektiert und auf demselben Weg wie die Messsignale 14 an die Signalerfassungseinheit 15 übertragen. Der Zeitversatz τ_offset ist der Zeitabstandswert, der von der Zeitabstandsmesseinheit 13 gemessen wird, wenn das durch die Überlagerung der Pulse erzeugte Signal maximal ist.
5 zeigt eine Ausführungsform des Messgeräts 1, die den Zeitabstand aus der n-ten Harmonischen der momentanen Pulswiederholraten f_rep1, f_rep2 berechnet. Weil die n-te Harmonische einer Pulswiederholrate f_rep während der Periodendauer 1/f_rep der fundamentalen Pulswiederholrate n mal schwingt, lässt sich von der Phase der harmonischen Schwingung nicht ohne zusätzliche Information auf die Phase des Signals bei der fundamentalen Pulswiederholrate f_rep schließen. Eine Möglichkeit, diese zusätzlich benötigte Information zu erhalten, besteht darin, das Signal bei der fundamentalen momentanen Pulswiederholrate f_rep zusätzlich zur n-ten Harmonischen zu erfassen. Diese Option liegt der Ausführungsform in 5 zugrunde. Das Signal mit der fundamentalen momentanen Pulswiederholrate kann dabei mit geringerer Genauigkeit erfasst werden als das Signal bei der n-ten Harmonischen. Die Zeitabstandsmesseinheit 13 ist hier als Zeitabstandsmesseinheit (n-te Harmonische) 13.2 ausgeführt. Die Signalerfassungseinheit 15 ist hier als Signalerfassungseinheit (n-te Harmonische) 15.2 ausgeführt. Die Pulswandlungseinheit 23 ist hier als Pulswandlungseinheit (n-te Harmonische) 23.2 ausgeführt. Die Analog-digital-Wandlungseinheit 24 ist hier als Analog-digital-Wandlungseinheit (n-te Harmonische) 24.2 ausgeführt. Ein Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass die Zeitabstandswerte 17 im Vergleich zu einer Ausführungsform, die die Zeitabstandswerte aus der ersten Harmonischen berechnet, mit einer höheren Genauigkeit ermittelt werden können.
Der Anregungspulszug 11 mit der momentanen Pulswiederholrate f_rep1 wird auf einen Photodetektor 202 gerichtet und der Abtastpulszug 12 mit der momentanen Pulswiederholrate f_rep2 wird auf einen Photodetektor 203 gerichtet. Die Photodetektoren 202 und 203 sind als Photodioden gefolgt von einem Transimpedanzverstärker ausgeführt. Die Bandbreite der Photodetektorsignale 42 und 43 ist durch die Pulsdauer der Pulse der Pulszüge 11 und 12 und die Bandbreite der Photodetektoren 202 und 203 gegeben. In der Regel sind die Pulse der Pulszüge 11 und 12 so kurz (< 1 ps), dass die Bandbreite der Photodetektoren 202 und 203 die Bandbreite der Photodetektorsignale 42 und 43 begrenzt. Das Spektrum der Photodetektorsignale 42 und 43 enthält Harmonische der momentanen Pulswiederholraten f_rep1, f_rep2 der Pulszüge 11 und 12 entsprechend der Bandbreite der Photodetektorsignale 42 und 43. Die Bandbreite der Photodetektoren 202 und 203 muss mindestens gleich dem n-fachen der maximal auftretenden Pulswiederholrate der Pulszüge 11 und 12 sein, wobei n die Zahl der für die Zeitabstandsmessung verwendeten Harmonischen ist. Die Tiefpassfilter 44 und 45 selektieren die erste Harmonische der momentanen Pulswiederholrate der Pulszüge 11 und 12 mit den Frequenzen f_rep1, f_rep2 aus den Photodetektorsignalen 42 und 43 und unterdrücken höhere Harmonische. Die Tiefpassfilter 44 und 45 sind so zu dimensionieren, dass in den Schmalbandsignalen 26.1 und 26.2 die Leistung bei den Frequenzen f_rep1, f_rep2 mehr als das Vierfache der Summe der Leistungen bei allen anderen Frequenzen beträgt. Bandpassfilter 214 und 215 selektieren jeweils die n-te Harmonische der momentanen Pulswiederholrate der Pulszüge 11 und 12 mit den Frequenzen nf_rep1, nf_rep2 aus den Photodetektorsignalen 42 und 43 und unterdrücken alle anderen Harmonischen. Die Bandpassfilter 214 und 215 sind so zu dimensionieren, dass in den Schmalbandsignalen 26.3 und 26.4 die Leistung bei den Frequenzen nf_rep1, nf_rep2 mehr als das Vierfache der Summe der Leistungen bei allen anderen Frequenzen beträgt.
Die A/D-Wandler 46 tasten wiederholt die Schmalbandsignale 26.1–26.4 ab und digitalisieren die Abtastwerte. Der A/D-Wandler 48 tastet wiederholt das Messsignal 14 ab und digitalisiert die Abtastwerte. Die Abtastzeitpunkte der A/D-Wandler 46 und 48 werden durch die Signale der Taktgeneratoreinheit 20 bestimmt. Die Taktgeneratoreinheit 20 wird analog zur Ausführungsform Taktgeneratoreinheit (Direktabtastung) 20.1 in 3 ausgeführt.
Die Signalverarbeitungseinheit (Zeitabstand) 25 ermittelt wiederholt die zu den Messwerten (digital) 16 gehörenden Zeitabstandswerte aus den Digitalsignalen 27.1–27.4. (Siehe 6 für eine Ausführungsform der Signalverarbeitungseinheit (Zeitabstand) 25). Die Messwerte (digital) 16 werden in der Zuordnungseinheit 18 mit den Zeitabstandswerten 17 zusammengeführt und Mess- und zugehörige Zeitabstandswerte zur Weiterverarbeitung ausgegeben. Die Zuordnungseinheit 18 wird analog zur Ausführungsform Zuordnungseinheit (Direktabtastung) 18.18 (3) ausgeführt.
In 6 ist die Signalverarbeitungseinheit (Zeitabstand) 25 (5) als Signalverarbeitung (Zeitabstand) für die n-te Harmonische 25.1 ausgeführt. Das Digitalsignal (f_rep1) 27.1 ist das digitalisierte Schmalbandsignal der ersten Harmonischen der momentanen Pulswiederholrate des Anregungspulszugs 11 mit der momentanen Frequenz f_rep1. Das Digitalsignal (f_rep2) 27.2 ist das digitalisierte Schmalbandsignal der ersten Harmonischen der momentanen Pulswiederholrate des Abtastpulszugs 12 mit der momentanen Frequenz f_rep2. Das Digitalsignal (nf_rep1) 27.3 ist das digitalisierte Schmalbandsignal der n-ten Harmonischen der momentanen Pulswiederholrate des Anregungspulszugs 11 mit der momentanen Frequenz nf_rep1. Das Digitalsignal (nf_rep2) 27.4 ist das digitalisierte Schmalbandsignal der n-ten Harmonischen der momentanen Pulswiederholrate des Abtastpulszugs 12 mit der momentanen Frequenz nf_rep2.
Die Schmalbandfilter 244–247 unterdrücken Rauschen und/oder Störsignale außerhalb des Durchlassbereichs des jeweiligen Filters, wodurch sich die Streuung der berechneten Zeitabstandswerte verringert. Unter einem Schmalbandfilter ist hier ein Filter zu verstehen, dessen Bandbreite des Durchlassbereichs kleiner als 550 kHz ist. Die Schmalbandfilter 244–247 werden als Bandpassfilter ausgeführt. Die momentane Frequenz f_rep1 muss im Durchlassbereich des Schmalbandfilters 244 liegen, die momentane Frequenz nf_rep1 muss im Durchlassbereich des Schmalbandfilters 245 liegen, die momentane Frequenz f_rep2 muss im Durchlassbereich des Schmalbandfilters 246 liegen und die momentane Frequenz nf_rep2 muss im Durchlassbereich des Schmalbandfilters 247 liegen.
Die Phase der Ausgangssignale der Schmalbandfilter 244–247 wird durch Hilbert-Transformatoren 249 jeweils um –π/2 verschoben. Die Hilbert-Transformatoren 249 werden als FIR (Finite Impulse Response) Filter ausgeführt. Verzögerungsglieder 248 verzögern die Ausgangssignale der Schmalbandfilter 244–247 um dieselbe Anzahl von Werten wie die Hilbert-Transformatoren 249. Die Verzögerungsglieder 248 werden als first-in-first-out-Speicher ausgeführt Signalverarbeitungseinheiten 258 und 259 berechnen wiederholt die momentane Phase φ'₁ bzw. φ'₂ aus einem Signal (I₁) 250 und einem Signal (Q₁) 251 bzw. einem Signal (I₂) 254 und einem Signal (Q₂) 255 mittels der atan2-Funktion φ'_i = atan2(Q_i, I_i), i = 1,2.
Aus den Phasen φ'₁ bzw. φ'₂ wird in den Signalverarbeitungseinheiten 258 und 259 der Wert k gemäß
gebildet, wobei die Klammer ⌊x⌋ die Abrundungsfunktion darstellt und n die Zahl der für die Zeitabstandsmessung verwendeten Harmonischen ist.
Ferner berechnen die Signalverarbeitungseinheiten 258 und 259 wiederholt die momentane Phase φ_n1 bzw. φ_n2 aus einem Signal (I_n1) 252 und einem Signal (Q_n1) 253 bzw. einem Signal (I_n2) 256 und einem Signal (Q_n2) 257 mittels der atan2-Funktion φ_ni = atan2(Q_ni, I_ni), i = 1,2.
Die momentanen Phasen φ₁, φ₂ bei den fundamentalen momentanen Pulswiederholraten werden in den Signalverarbeitungseinheiten 258 und 259 wiederholt aus den Phasen φ_n1 bzw φ_n2, der Zahl der Harmonischen n, sowie den jeweiligen Werten k₁ bzw k₂ gemäß φ_i = 1 / n(2πk_i + φ_ni), i = 1,2 berechnet. Diese Phasenwerte bilden jeweils die Ausgangssignale der Signalverarbeitungseinheiten 258 und 259.
Der Frequenzzähler 89 bestimmt wiederholt die momentanen Frequenzen f_rep1, f_rep2 der Ausgangssignale der Schmalbandfilter 244 und 246. Der Frequenzzähler 89 gibt wiederholt die größere der beiden momentanen Frequenzen f_rep1, f_rep2 als Signal (f_max) 90 aus. Der Frequenzzähler 89 wird derart ausgeführt, dass die Anzahl der Nulldurchgänge der Ausgangssignale der Schmalbandfilter 244 und 246 in einem hinreichend langen Zeitraum, beispielsweise einer Sekunde, detektiert und gezählt werden und die gezählte Anzahl der Nulldurchgänge durch das doppelte der Länge des Zeitraums geteilt wird.
Eine Signalverarbeitungseinheit 264 berechnet wiederholt den Zeitabstand τ aus den Werten eines Signals (φ₁) 265, den Werten eines Signals (φ₂) 266 und den Werten des Signals (f_max) 90 mittels der Zusammenhänge
und gibt die Zeitabstände τ als Signal der Zeitabstandswerte 17 aus.
7 zeigt eine Ausführungsform des Messgeräts 1 innerhalb eines Pump-probe-Systems, erweitert um einen Regelkreis, der beliebige Zeitverläufe des Zeitabstands zwischen den Pulsen τ(t) erzeugen kann. Dadurch kann z. B. der Zeitabstand zwischen den Pulsen auf Werte innerhalb eines Bereichs (τ₁, τ₂) beschränkt werden, der kleiner als der maximal mögliche Bereich der Zeitabstände 0..max(1/f_rep1, 1/f_rep2) ist, wobei f_rep1 und f_rep2 die momentanen Pulswiederholraten der jeweiligen Pulszüge 11 und 12 sind.
Die gemessenen Zeitabstandswerte 17 bilden die Ist-Werte eines Reglers 282. Ein Sollwertgenerator 283 erzeugt Sollwerte τ_S(t). Insbesondere können die Sollwerte τ_S(t) Sinus-Werte mit einem Offset sein, so dass der Wertebereich der Sollwerte ausschließlich positive Werte umfasst oder die Sollwerte können konstant sein. Der Regler 282 erzeugt aus den Soll- und Ist-Werten ein Stellsignal 284, dass auf die Anregungspulsquelle 2 zurückgeführt wird und dort die Wiederholrate der Pulse verändert, wodurch die Ist-Werte den Sollwerten folgen.
8 zeigt eine Ausführungsform des Messgeräts 1 innerhalb eines Pump-probe-Systems und um einen Triggersignal-Generator 304 erweitert.
Pulszüge 292 und 293 werden durch die Teiler 6 aufgeteilt, so dass Pulszüge 307 und 308 auf den Triggersignal-Generator 304 gerichtet werden. Der Triggersignal-Generator 304 erzeugt ein Ausgangssignal, wenn die Pulse der auf ihn gerichteten Pulszüge 307 und 308 zeitgleich auf dem Triggersignal-Generator eintreffen. Der Ausgang des Triggersignal-Generators 304 ist mit der Zeitabstandsmesseinheit 13 verbunden und kann dazu dienen, Drifts des gemessenen Zeitabstands zu korrigieren. Die gleichzeitige Ankunft der Pulse der Pulszüge 307 und 308 im Triggersignal-Generator 304 wird detektiert, indem die Pulszüge 307 und 308 fokussiert werden und die Fokusse in einem nichtlinearen optischen Material überlagert werden. Das nichtlineare optische Material wird als nichtlinearer optischer Kristall, welcher für Summenfrequenzbildung bei den Wellenlängen der Pulszüge 307 und 308 angepasst ist, ausgeführt.
Bezugszeichenliste

1: Messgerät
2: Anregungspulsquelle
3: Abtastpulsquelle
4: Anregungspulszug
5: Abtastpulszug
6: Teiler
8: Anregungspulszug
9: Abtastpulszug
10: Untersuchungseinheit
11: Anregungspulszug
12: Abtastpulszug
13: Zeitabstandsmesseinheit
13.1: Zeitabstandsmesseinheit (Direktabtastung)
13.2: Zeitabstandsmesseinheit (n-te Harmonische)
14: Messsignal
15: Signalerfassungseinheit
15.1: Signalerfassungseinheit (Direktabtastung)
15.2: Signalerfassungseinheit (n-te Harmonische)
16: Messwerte (digital)
17: Zeitabstandswerte
18: Zuordnungseinheit
18.1: Zuordnungseinheit (Direktabtastung)
19: Verarbeitungseinheit
20: Taktgeneratoreinheit
20.1: Taktgeneratoreinheit (Direktabtastung)
21: Taktsignal
22: Taktsignal
23: Pulswandlungseinheit
23.1: Pulswandlungseinheit (Direktabtastung)
23.2: Pulswandlungseinheit (n-te Harmonische)
24: Analog-digital-Wandlungseinheit
24.1: Analog-digital-Wandlungseinheit (Direktabtastung)
24.2: Analog-digital-Wandlungseinheit (n-te Harmonische)
25: Signalverarbeitungseinheit (Zeitabstand)
25.1: Signalverarbeitungseinheit (Zeitabstand) (Direktabtastung)
25.2: Signalverarbeitungseinheit (Zeitabstand) (n-te Harmonische)
26: Schmalbandsignale
26.1: Schmalbandsignal (f_rep1)
26.2: Schmalbandsignal (f_rep2)
26.3: Schmalbandsignal (nf_rep1)
26.4: Schmalbandsignal (nf_rep2)
27: Digitalsignale
27.1: Digitalsignal (f_rep1)
27.2: Digitalsignal (f_rep2)
27.3: Digitalsignal (nf_rep1)
27.4: Digitalsignal (nf_rep2)
30: Anregungspuls
30.1: Anregungspuls
30.2: Anregungspuls
31: Abtastpuls
31.1: Abtastpuls
31.2: Abtastpuls
34: Zeitachse
35: Zeitabstandsachse
36: Linie
37: Linie
40: Photodetektor
41: Photodetektor
42: Photodetektorsignal
43: Photodetektorsignal
44: Tiefpassfilter
45: Tiefpassfilter
46: A/D-Wandler
48: A/D-Wandler
49: Verstärker
50: Antialiasing-Filter
54: Taktgenerator
55: Taktgenerator
56: Zeitsignalquelle
57: Eingangssignal
58: Verzögerungsglied
59: Messwerte (verzögert)
60: Pulszug (optisch)
61: Photodiode
62: Photostrom
63: Transimpedanzverstärker
64: Ausgangssignal (Transimpedanzverstärker)
65: Tiefpassfilter
66: Ausgangssignal (Photodetektor)
72: Lokaloszillator
73: Sinus-Signal
74: Cosinus-Signal
75: Multiplizierer
76: Multiplizierer
79: Schmalbandfilter
80: Schmalbandfilter
83: Signalverarbeitungseinheit
84: Signalverarbeitungseinheit
85: Signal (Q1)
86: Signal (I1)
87: Signal (Q2)
88: Signal (I2)
89: Frequenzzähler
90: Signal (f_max)
91: Signalverarbeitungseinheit
92: Signal (φ₁)
93: Signal (φ₂)
94: Offset-Korrektureinheit
202: Photodetektor
203: Photodetektor
214: Bandpassfilter
215: Bandpassfilter
244: Schmalbandfilter
245: Schmalbandfilter
246: Schmalbandfilter
247: Schmalbandfilter
248: Verzögerungsglied
249: Hilbert-Transformator
250: Signal (I₁)
251: Signal (Q1)
252: Signal (In1)
253: Signal (Qn1)
254: Signal (I2)
255: Signal (Q2)
256: Signal (In2)
257: Signal (Qn2)
258: Signalverarbeitungseinheit
259: Signalverarbeitungseinheit
264: Signalverarbeitungseinheit
265: Signal (φ₁)
266: Signal (φ₂)
282: Regler
283: Sollwertgenerator
284: Stellsignal
292: Anregungspulszug
293: Abtastpulszug
304: Triggersignal-Generator
307: Teilpulszug Anregungspulse
308: Teilpulszug Abtastpulse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5258612 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

L. Miaja-Avila, C. Lei, M. Aeschlimann, J. L. Gland, M. M. Murnane, H. C. Kapteyn, G. Saathoff, Laser-Assisted Photoelectric Effect from Surfaces, Physical Review Letters, Vol. 97, Seite 113604, 2006 [0003]
Paul A. Elzinga, Ronald J. Kneisler, Fred E. Lytle, Yanan Jiang, Gasen B. King, Normand M. Laurendeau, Pump/probe method for fast analysis of visible spectral signatures utilizing asynchronous optical sampling, Applied Optics, Vol. 26, Seite 4303, 1987 [0004]

Claims

Verfahren zur zeitaufgelösten Messung von Messsignalen, die in einer Untersuchungseinheit nach Anregung mittels Pulsen und nach Abtastung mit zeitlich nachfolgenden Pulsen erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, dass aus Pulsen von Pulszügen (11, 12) Schmalbandsignale gebildet, abgetastet und digitalisiert, Zeitabstandswerte (17) zwischen den digitalisierten und abgetasteten Schmalbandsignalen bestimmt werden und in einer Untersuchungseinheit (10) ermittelte Messsignale abgetastet und digitalisiert (15) und dabei entstehende Messwerte(digital) (16) den Zeitabstandswerten (17) zugeordnet werden, wobei die Abtastung der Schmalbandsignale und die Abtastung der Messsignale (14) auf eine gemeinsame Zeitbasis bezogen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Pulszug (4) und ein zweiter Pulszug (5) vor der Bildung der Schmalbandsignale geteilt (6) und abgeteilte Pulszüge (8, 9) für eine Anregung und Abtastung in eine Untersuchungseinheit (10) und weitere abgeteilte Pulszüge (11, 12) in eine Zeitabstandsmesseinheit (13) geführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Pulswiederholraten zwischen 0,0012 und 10,5 GHz angewendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung der Schmalbandigkeit der Schmalbandsignale stufenweise erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Schmalbandfilter eingesetzt werden, deren Bandbreite des Durchlassbereiches kleiner als 550 kHz ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Schmalbandfilter mit einer Breite des Durchlassbereiches kleiner als 50 kHz eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass aus Pulsen eines ersten Pulszugs und eines zweiten Pulszugs ein Triggersignal gebildet wird, das in der Zeitabstandsmesseinheit (13) verarbeitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Zeitabstandswerten (17) und Sollwerten ein Stellsignal gebildet wird, das die momentane Pulswiederholrate mindestens einer Pulsquelle (2, 3) regelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Untersuchungseinheit (10) ermittelten Signale, sofern sie keine elektrischen Signale sind, in elektrische Messsignale (14) gewandelt werden.
Vorrichtung zur zeitaufgelösten Messung abgetasteter Signale, die in Untersuchungsobjekten nach Anregung mittels Pulsen und nach Abtastung mit zeitlich nachfolgenden Pulsen erzeugt werden, gekennzeichnet durch ein Messgerät (1), das mindestens einen Eingang für Pulszüge (11, 12), mindestens einen Eingang für Messsignale (14) und mindestens einen Ausgang für eine Datenweiterleitung an eine Verarbeitungseinheit (19), das eine Zeitabstandsmesseinheit (13) für die Aufnahme der Pulszüge (11, 12), das eine Signalerfassungseinheit (15) für die Aufnahme der Messsignale (14), das eine Taktgeneratoreinheit (20) mit Verbindungen zur Signalerfassungseinheit (15) und zur Zeitabstandsmesseinheit (13) für die Übertragung von Taktsignalen (21, 22) und das eine Zuordnungseinheit (18) mit Ausgängen zur Verarbeitungseinheit (19) und für die Zuordnung von Zeitabstandswerten (17) zu Messwerten(digital) (16) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitabstandsmesseinheit (13) eine Pulswandlungseinheit (23) zur Wandlung in Schmalbandsignale (26), eine Analog-digital-Wandlungseinheit (24) zur Wandlung in Digitalsignale (27) und eine Signalverarbeitungseinheit (Zeitabstand) (25) zur Berechnung der Zeitabstandswerte (17) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitabstandsmesseinheit (13) Schmalbandfilter (79, 80, 244–247) mit einer Bandbreite des Durchlassbereichs kleiner als 550 kHz aufweist, die in der Pulswandlungseinheit (23) und/oder in der Analog-digital-Wandlungreinheit (24) und/oder in der Signalverarbeitungseinheit (Zeitabstand) (25) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulswandlungseinheit (23) der Zeitabstandsmesseinheit (13) des Messgerätes (1) mindestens einen Photodetektor (40, 41) und mindestens ein Tiefpassfilter (44, 45) und die Analog-digital-Wandlungreinheit (24) mindestens einen A/D-Wandler (46, 47) aufweisen, dass die Signalerfassungseinheit (15) des Messgerätes (1) mindestens einen Verstärker (49), ein Antialiasing-Filter (50) und einen A/D-Wandler (48) aufweist, dass die Taktgeneratoreinheit (20) einen Taktgenerator (54) und eine Zeitsignalquelle (56) aufweist, wobei der Taktgenerator (54) mit den A/D-Wandlern (46, 47, 48,) verbunden ist und dass die Zuordnungseinheit (18) mindestens ein Verzögerungsglied (58) aufweist, das mit den A/D-Wandlern (48) der Signalerfassungseinheit (15) signalübertragungsmäßig verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungseinheit (Zeitabstand) (25) die folgenden Baugruppen umfasst, die die eintretenden Digitalsignale (27) weiterleiten und weiterverarbeiten: – Frequenzzähler (89) – Multiplizierer (75, 76) – Lokaloszillator (72) – Schmalbandfilter (79, 80) – Signalverarbeitung (83, 84) – Signalverarbeitung (91) – Offset-Korrektur (94) mit einem Ausgang für die Zeitabstandswerte (17).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulswandlungseinheit (23) Photodetektoren (202, 203), Tiefpassfilter (44, 45) und Bandpassfilter (214, 215) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungseinheit (Zeitabstand) (25) der Digitalsignale (27) Schmalbandfilter (244–247) und einen Frequenzzähler (89) aufweist, wobei die Schmalbandfilter (244) und (246) mit dem Frequenzzähler (89) signalübertragungsmäßig verbunden sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Regler (282), der mit einem Sollwertgenerator (283) und mit der Signalverarbeitungseinheit (Zeitabstand) (25) datenübertragungsmäßig verbunden ist, Stellsignale (284) übertragend, mit der Anregungspulsquelle (2) verknüpft ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalerfassungseinheit (15) mindestens einen Verstärker (49) und ein Antialiasing-Filter (48) aufweist.