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Die Erfindung betrifft einen Terahertz-Strahlungsempfänger. Für eine präzise Leistungs- oder Energiemessung besteht er aus mehreren Detektoren, die hintereinander im Strahlengang angeordnet sind, damit ein mehrfacher Absorptionsprozess der Terahertz-Strahlung stattfindet. Dies ist erforderlich, weil im Vergleich zu optischer oder infraroter Strahlung bei der viel größeren Wellenlänge von Terahertz-Strahlung die Absorption geringer und die gerichtete Reflexion größer ist. Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter einem Detektor insbesondere jedes Bauteil verstanden, das auf seine Oberfläche einfallende Terahertz-Strahlung in eine messbare Größe, insbesondere in eine messbare elektrische Größe, umwandelt.
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So besteht zum Beispiel der Leistungsmesskopf Rkp575 des amerikanischen Herstellers LaserProbe Inc. http://www.laserprobeinc.com/Rkp575.pdf aus zwei Detektorelementen in einer „Cavity” Konfiguration mit 60° Öffnungswinkel. Aus Optics Express, Vol. 18, Issue 21, p. 21810 (2010) geht hervor, dass bei dieser Anordnung die unvollständige Absorption der Terahertz-Strahlung zu einer 12% unterschiedlichen Leistungs-Empfindlichkeit für s und p Polarisation bei 2.52 THz führt.
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Aus der
DE 10 2009 039 198 B3 ist eine polarisation-kompensierende Anordnung mit zwei Detektoren und einem dritten End-Element bekannt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das End-Element ein refokussierender Hohlspiegel, um der großen Divergenz der Terahertz-Strahlung entgegen zu wirken.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Leistung oder Energie eines Terahertz-Strahlenbündels präzise, d. h. mit hoher Genauigkeit, in einer Strahlungsfalle mit mehreren Detektoren ohne störende zusätzliche Abbildungsoptik zu messen.
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Die Erfindung löst das Problem durch abbildende Formgebung der absorbierenden Oberfläche der Detektoren. Der Terahertz-Strahlungsempfänger besteht aus mehreren, hinter einer Apertur angeordneten Detektoren, wobei mindestens ein Detektor eine konkave Oberfläche hat, so dass der reflektierte Teil des einfallenden Strahlenbündels von dieser Oberfläche auf den nachfolgenden Detektor fokussiert wird.
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Vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen Terahertz-Strahlungsempfänger ist, dass die Terahertz-Strahlung nahezu vollständig über mehrere Teil-Absorptionen der Detektoren nachgewiesen werden kann, ohne dass die Detektorflächen wesentlich größer als die Eingangsapertur sein müssen. Durch die fokussierende Eigenschaft der konkaven Oberfläche eines Detektors wird der Durchmesser des reflektierten Strahlenbündels im Terahertz-Strahlungsempfänger reduziert und die quantitative Messung kleiner Strahlungsleistungen ermöglicht.
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Es ist ein weiterer Vorteil, dass der Terahertz-Strahlungsempfänger so aufgebaut werden kann, dass auch beugungsbedingt stark divergente Strahlenbündel mit hoher Genauigkeit messbar sind.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der letzte Detektor im Strahlengang als Retroreflektor angeordnet, d. h. er reflektiert genau zum vorletzten Detektor zurück. Das hat den Vorteil, dass ein durch die Apertur einfallendes Strahlenbündel von n mit n > 1 Detektoren 2n – 1 mal absorbiert wird, bevor ein eventuell vorhandener kleiner Rest den Terahertz-Strahlungsempfänger durch die Apertur wieder verlässt.
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Bevorzugt ist der dritte Detektor der Retroreflektor. In anderen Worten besteht der Terahertz-Strahlungsempfänger aus drei Detektoren mit fünf Teilabsorptionen. Dadurch wird ein besonders kompakter Aufbau realisiert, was wichtig für die Messung kleiner Leistungen oder Energien ist.
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Besonders bevorzugt sind der erste und zweite Detektor so angeordnet, dass die optische Achsen der ein- und auslaufenden Strahlenbündel zueinander senkrecht sind, also ein kartesisches Koordinatensystem im dreidimensionalen Raum bilden. Diese orthogonale Anordnung der beiden Detektoren bedeutet, dass s polarisierte Strahlung am ersten Detektor zu p Polarisation am zweiten Detektor wird und umgekehrt, also die Kombination polarisationsunabhängig ist, wenn beide Detektoren baugleich und gleich empfindlich für Terahertz-Strahlung sind. Auf diese Weise lässt sich die Strahlung besonders genau, ohne Kenntnis ihres Polarisationszustandes messen.
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Vorzugweise sind die Detektoren thermische Sensoren, die das Wärmeäquivalent der absorbierten Terahertzstrahlung nachweisen. Dabei erwärmt die absorbierte Strahlung den Detektor und die Temperaturänderung wird detektiert. Nur die primäre Strahlungsabsorption ist wellenlängenabhängig.
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Bevorzugte thermische Sensoren sind pyroelektrische Detektoren, wobei das pyroelektrische Material ein dünner polarisierter Kristall oder eine polarisierte Folie ist. Beidseitig sind Elektroden aufgebracht und ggf. auf einer Seite eine spezielle Beschichtung zur Strahlungsabsorption. Erwärmt absorbierte Strahlung das pyroeletrische Material, ändert sich dessen Polarisation und ein elektrisches Signal wird erzeugt. Charakteristisch für diese Art thermischer Sensoren ist, dass sie nur auf Änderung des Strahlungsflusses ansprechen, also die Strahlungsenergie über einen großen Dynamikbereich linear messen.
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Soll die Strahlungsleistung von kontinuierlich emittierenden Terahertz-Quellen mit einem pyroelektrischen Detektor gemessen werden, wird der Strahlungsfluss mit einem Chopper zeitlich rechteckförmig moduliert. Günstig für eine genaue Messung sind eine optimal gewählte Modulationsfrequenz und ein 50:50 Teilerverhältnis.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind alle Detektoren von gleicher Bauart und haben die gleiche spektrale Empfindlichkeit. Dann ist die Messgröße einfach die Summe der elektrischen Detektorsignale, was eine einfache Signalerfassung und ein besonders genaues Messergebnis ermöglicht.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines exemplarischen Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen Schnitt entlang der optischen Achse des Terahertz-Strahlenbündels durch die ersten zwei Detektoren eines erfindungsgemäßen Terahertz-Strahlungsempfänger.
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2 einen entfalteten Schnitt entlang der optischen Achse des Terahertz-Strahlenbündels einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Terahertz-Strahlungsempfängers mit drei Detektoren.
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1 zeigt einen erfindungsgemäßen Terahertz-Strahlungsempfänger 10 mit einer Apertur 12, einem ersten Detektor 16 und einem nachfolgenden zweiten Detektor 22. Weitere Detektoren folgen, sind aber in dieser Schnittzeichnung weggelassen, um zu erläutern, wie es durch abbildende Formgebung der absorbierenden Oberfläche von Detektor 16 gelingt, den reflektierten Anteil 20 eines divergent einfallenden Strahlenbündels 18 ohne störende zusätzliche Abbildungsoptik auf den nachfolgenden Detektor 22 zu fokussieren. Dafür hat der Detektor 16 wie die nachfolgenden Detektoren eine konkav geformte Oberfläche.
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Strahlenbündel werden beschrieben durch einen Pfeil für seine optische Achse und durch zwei gepunktete Linien für die äußeren beiden Begrenzungsstrahlen, die sich bei einem zentralen Schnitt durch das Strahlenbündel ergeben. Das zu messende divergente Strahlenbündel 14 wird hinter der Apertur 12 zum einfallenden Strahlenbündel 18, das zum größten Teil von Detektor 16 absorbiert wird. Der verbleibende Rest wird in Form des Strahlenbündels 20 reflektiert. Der Detektor steht nicht senkrecht im Strahlengang. So definieren die optischen Achsen der ein- und auslaufenden Strahlenbündel die Einfallsebene.
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Bedingt durch die konkave Formgebung der Oberfläche von Detektor 16 ändert sich die Divergenz von ein- und auslaufenden Strahlenbündel. Der reflektierte Rest 20 ist konvergent. Gezeichnet ist der Fall mit einem Fokus vor dem nachfolgenden Detektor 22. Erfindungsgemäß kann die Brennweite der konkaven Oberfläche aber auch schwächer sein mit einem Fokus hinter Detektor 22. Auf jeden Fall muss die Brennweite so gewählt werden, dass das Strahlenbündel 20 nicht mehr divergent ist. Dadurch verkleinert sich der Durchmesser des Strahlenbündels, und die Oberfläche des nachfolgenden Detektors kann klein sein. Das ist ein entscheidender Vorteil im Vergleich zu der ebenen Anordnung von Detektoren, denn eine kleinere Fläche ergibt eine größere Empfindlichkeit des Detektors.
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2 zeigt einen entfalteten Schnitt durch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Terahertz-Strahlungsempfängers 10 mit Eingangsapertur 12 und drei Detektoren 16, 22, und 24, letzterer in Retroreflektoranordnung. Die Schnittfläche folgt den optischen Achsen 28, 30, 32 der Strahlenbündel. Die Begrenzungsstrahlen der Strahlenbündel sind zur Klarheit einer einfacheren Abbildung weggelassen.
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Charakteristisch für langwellige Terahertz-Strahlung sind Stehwellen durch Rückreflexe von Oberflächen und Beugüng an Kanten. Deshalb ist die das Strahlenbündel begrenzende Eingangsapertur 12 um einen kleinen Winkel von typisch 10° aus der Senkrechten zur optischen Achse 28 des einfallenden Strahlenbündels verkippt und die runde Kante der Aperturblende 12 als Schneide ausgebildet.
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Die konkave Oberfläche des ersten Detektors 16 hinter der Apertur 12 ist größer als die Öffnung der Apertur, damit er das einfallende Terahertz-Strahlbündel mit der optischen Achse 28 den Detektor 16 vollständig trifft und nicht überstrahlt. Der Einfallswinkel beträgt 45°, so dass die optische Achse des reflektierten Rests des Strahlenbündels 30 senkrecht auf der optischen Achse des einfallenden Strahlenbündels 28 steht.
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Die konkave Form der Oberfläche des ersten Detektors 16 ist für 45° Einfallswinkel angepasst, damit das unter 90° off-axis reflektierte restliche Strahlenbündel die runde Form der Eingangsapertur beibehält. Die Brennweite bestimmt sich aus der einlaufenden Divergenz und der Forderung, dass das reflektierte Strahlungsbündel 30 am Ort des zweiten Detektors 22 vergleichbar groß ist wie das auf dem ersten Detektor 16 einfallende Strahlenbündel 28.
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Der zweite Detektor 22 wird ebenfalls unter einem Einfallswinkel von 45° vom reflektierten Strahlungsbündel 30 bestrahlt und nicht überstrahlt. Allerdings ist der zweite Detektor 22 um 90° um die Einfallsachse gedreht, dass die optische Achse des vom zweiten Detektor reflektierten Strahlenbündels 32 senkrecht auf der Einfallsebene vom ersten Detektor 16 steht.
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Die im dreidimensionalen Raum orthogonale Anordnung der Detektoren 16 und 22 hat zur Folge, dass die Polarisation der einfallenden Strahlung gleichmäßig bewertet wird. Mit anderen Worten, s und p polarisierte Anteile eines Terahertz-Strahlenbündels 28 werden bei 45° Einfallswinkel vom ersten Detektor 16 unterschiedlich stark absorbiert. Die folglich unterschiedlich großen Anteile im restlichen reflektierten Strahlenbündel 30 treffen auf den zweiten Detektor 22. Durch die räumliche gedrehte Anordnung ist aber s polarisierte Strahlung beim ersten Detektor 16 beim zweiten Detektor 22 p polarisiert und wird entsprechend absorbiert. Der nach dem zweiten Detektor verbleibende kleine Rest 32 nach zwei Absorptionen ist einmal als s und einmal als orthogonale p polarisierte Strahlung absorbiert worden.
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Das hat den Vorteil, dass die Gesamtabschwächung für alle Polarisationszustände gleich ist, wenn Detektor 16 und 22 gleich empfindlich sind.
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Das vom zweiten Detektor reflektierte Strahlenbündel 32 trifft auf den dritten Detektor 24, der senkrecht auf der optischen Achse steht. Die Oberfläche von Detektor 24 ist so geformt und orientiert, dass das ganze Strahlenbündel unter 0° Einfallswinkel einfällt und der Detektor 24 als absorbierender Retroreflektor wirkt. Die optische Achse des weiter verkleinerten Rests des Strahlenbündels 34 ist deshalb genau gegenläufig zur Achse 32.
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Vorteilhaft ergibt sich daraus, dass das vom dritten Detektor reflektierte Strahlenbündel 34 noch einmal von Detektorpaar 22, 16 absorbiert wird, bevor er aus dem Terahertz-Strahlungsempfänger 10 durch die Eingangsapertur 12 wieder austritt. Auf dem Weg innerhalb des Strahlungsempfängers 10 wird das Terahertz-Strahlenbündel fünf Mal absorbiert. Wenn dabei im Mittel ein Detektor 60% der Terahertz-Strahlung absorbiert, also 40% reflektiert, ergeben die fünf Absorptionsschritte hinter einander eine Gesamtabsorption von 99%. Lediglich 1% des einfallenden Strahlenbündels wird zurückreflektiert, was wenig genug ist, dass Stehwellen zu vernachlässigen sind.
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Ein präziser Nachweis von 99% der Strahlung ist bei einem erfindungsgemäßen Terahertz-Strahlungsempfänger mit mehreren Detektoren möglich, weil keine zusätzliche verlustbehaftete Abbildungsoptik verwendet wird, sondern die notwendige Refokussierung der intrinsisch divergenten Terahertz-Strahlung durch die abbildend wirkende Formgebung der nicht-ebenen Detektoroberflächen bewirkt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Terahertz-Strahlungsempfänger
- 12
- Apertur
- 14
- Strahlenbündel
- 16
- Detektor mit konkaver Oberfläche
- 18
- einfallendes Strahlenbündel
- 20
- reflektierter Rest des Strahlenbündels
- 22
- nachfolgender Detektor
- 24
- letzter Detektor
- 28
- optische Achse des einfallenden Strahlenbündels
- 30
- optische Achse des reflektierten Rests des Strahlenbündels
- 32
- optische Achse des vom zweiten Detektor reflektierten Strahlenbündels
- 34
- optische Achse des vom dritten Detektor reflektierten Strahlenbündels
