DE102014105751B3

DE102014105751B3 - Optische Anrege-/Abfrageanordnung

Info

Publication number: DE102014105751B3
Application number: DE201410105751
Authority: DE
Inventors: Daniel Molter; Frank Ellrich
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2014-04-23
Filing date: 2014-04-23
Publication date: 2015-05-13
Anticipated expiration: 2034-04-24

Abstract

Bekannt ist eine optische Anrege-/Abfrageanordnung (2, 2') mit einem Signaleingang (3) und zwei Signalausgängen (4, 5) für eine erste elektromagnetische Strahlung, wobei die Anordnung (2, 2') so eingerichtet ist, dass im Betrieb der Anordnung (2, 2') ein erster Teil der in den Signaleingang (3) eingekoppelten ersten Strahlung zum Anregen eines physikalischen Systems (8, 9) in den ersten Signalausgang (4) geleitet wird und ein zweiter Teil der in den Signaleingang (3) eingekoppelten ersten Strahlung zum Abfragen des physikalischen Systems (8, 9) in den zweiten Signalausgang (5) geleitet wird, und mit einer Verzögerungsstrecke (6) mit einem einstellbaren und veränderbaren optischen Weg, die so eingerichtet und angeordnet ist, dass sie einen definierten zeitlichen Versatz zwischen dem ersten Teil der ersten Strahlung und dem zweiten Teil der ersten Strahlung einfügt. Um eine entsprechende optische Anrege-/Abfrageanordnung bereitzustellen, bei der eine Längenänderung des optischen Wegs der Verzögerungsstrecke während einer Messung genau bekannt ist, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Verzögerungsstrecke (6) in einem von zwei zumindest teilweise räumlich getrennten Strahlpfaden (18, 19) eines zusätzlichen Interferometers (13, 13') angeordnet ist, wobei das Interferometer (13, 13') so eingerichtet ist, dass es im Betrieb der Anordnung eine Änderung der Länge des optischen Wegs der Verzögerungsstrecke (6) erfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Anrege-/Abfrageanordnung mit einem Signaleingang und zwei Signalausgängen für eine erste elektromagnetische Strahlung, wobei die Anordnung so eingerichtet ist, dass im Betrieb der Anordnung ein erster Teil der in den Signaleingang eingekoppelten ersten Strahlung zum Anregen eines physikalischen Systems in den ersten Signalausgang geleitet wird und ein zweiter Teil der in die Anordnung eingekoppelten ersten Strahlung zum Abfragen des physikalischen Systems in den zweiten Signalausgang geleitet wird und mit einer einstellbaren und veränderbaren Verzögerungsstrecke, die so eingerichtet und angeordnet ist, dass sie einen definierten zeitlichen Versatz zwischen dem ersten Teil der ersten Strahlung und dem zweiten Teil der ersten Strahlung einfügt.
Die vorliegende Anmeldung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zum Anregen und Abfragen eines physikalischen Systems mit Hilfe von elektromagnetischer Strahlung mit den Schritten, Einkoppeln einer ersten elektromagnetischen Strahlung in einen Signaleingang einer optischen Anrege-/Abfrageanordnung, Leiten eines ersten Teils der in den Signaleingang eingekoppelten Strahlung in einen ersten Signalausgang zum Anregen eines physikalischen Systems, Leiten eines zweites Teils der in den Signaleingang eingekoppelten ersten Strahlung in einen zweiten Signalausgang zum Abfragen des physikalischen Systems und Variieren eines zeitlichen Versatzes zwischen dem ersten Teil der ersten Strahlung und dem zweiten Teil der ersten Strahlung mit Hilfe einer Verzögerungsstrecke.
Aus dem Stand der Technik sind optische Anrege-/Abfrageanordnungen in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Ein markantes Beispiel für eine Anwendung einer solchen optischen Anrege-/Abfrageanordnung sind zeitaufgelöste spektroskopische Untersuchungen, bei welchen ein erster Teil eines kurzen elektromagnetischen Impulses zum Anregen eines physikalischen Systems, beispielsweise eines Halbleiters, verwendet wird und ein zweiter Teil des gleichen Impulses zum Abfragen des Systems verwendet wird. Beispielsweise ändert sich durch die Anregung mit dem ersten Teil des Impulses die Reflektivität der Probe, deren zeitliche Änderung dann mit dem zweiten, abfragenden Impuls erfasst wird. Ein weiteres Beispiel für eine Anwendung einer solchen optischen Anrege-/Abfrageanordnung ist ein sogenanntes Terahertz-Zeitbereichsspektrometer. Bei diesem wird mit Hilfe eines ersten Teils der elektromagnetischen Impulse beispielsweise ein schneller fotoleitender Schalter geschaltet, um mit dem in dem Schalter generierten Stromfluss ein elektromagnetisches breitbandiges Terahertzsignal zu generieren. Fällt dieses Terahertzsignal auf einen zweiten fotoleitfähigen Schalter, so kann mit Hilfe des zweiten Teils des elektromagnetischen Impulses das elektrische Feld der Terahertz-Strahlung zeitaufgelöst erfasst werden.
Die US 6,665,075 B2 offenbart beispielhaft ein solches Zeitbereichsspektrometer für bildgebende Anwendungen. Das System umfasst einen Sender, einen Strahlteiler, einen Phaseninverter und einen Empfänger. Der Sender strahlt einen Signalimpuls ab, der in einen Messimpuls und einen Referenzimpuls aufgespalten wird. Der Messimpuls wird auf eine Probe gegeben und eine relative Phasenverschiebung von ungefähr π Radian wird zwischen dem Messimpuls und dem Referenzimpuls von dem Phaseninverter eingefügt. Der Messimpuls und der Referenzimpuls werden dann überlagert, um einen kombinierten Impuls zu bilden, der von dem Empfänger erfasst wird.
Kern einer jeden optischen Anrege-/Abfrageanordnung ist eine Verzögerungsstrecke, mit Hilfe derer sich ein zeitlicher Versatz zwischen dem ersten Teil der ersten elektromagnetischen Strahlung, welcher zum Anregen verwendet wird, und dem zweite Teil der ersten Strahlung, welcher zum Abfragen des Systems verwendet wird, einfügen und automatisiert variieren lässt.
Es hat sich herausgestellt, dass beispielsweise die mechanischen Eigenschaften der Einrichtung, welche für eine Translation des Spiegels oder der Spiegel in der Verzögerungsstrecke sorgt, einen erheblichen Einfluss auf das Messergebnis, welches mit der Anrege-/Abfrageanordnung erzielt werden kann, hat. Typischerweise wird für die Verzögerungsstrecke ein spindelgetriebener Linearversteller verwendet, wobei auf einem sich motorisch angetriebenen linear bewegenden Tisch der Spiegel oder die Spiegel der Verzögerungsstrecke angeordnet ist.
Die Position der Spindelmutter auf der Gewindestange lässt sich bei vielen derartigen mechanischen Verschiebeeinheiten, beispielsweise mit Hilfe eines Glasmaßstabs oder auch mit Hilfe einer bloßen Schrittzählung eines antreibenden Schrittmotors, gut bestimmen. Allerdings hat sich herausgestellt, dass insbesondere aufgrund von Nickbewegungen, welche der mit der Spindelmutter verbundene Antriebstisch erfährt, die Position von Elementen, die auf dem Antriebstisch befestigt sind, häufig von der Position der Spindelmutter abweicht und nicht aus dieser ableitbar ist.
Es ist demgegenüber Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optische Anrege-/Abfrageanordnung bereitzustellen, bei der eine Längenänderung des optischen Wegs der Verzögerungsstrecke während einer Messung genau bekannt ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine optische Anrege-/Abfrageanordnung gelöst mit einem Signaleingang und zwei Signalausgängen für eine erste elektromagnetische Strahlung, wobei die Anordnung so eingerichtet ist, dass im Betrieb der Anordnung ein erster Teil der in den Signaleingang eingekoppelten Strahlung zum Anregen eines physikalischen Systems in den ersten Signalausgang geleitet wird und ein zweiter Teil der in die Anordnung eingekoppelten Strahlung zum Abfragen des physikalischen Systems in den zweiten Signalausgang geleitet wird, und mit einer Verzögerungsstrecke mit einem einstellbaren und veränderbaren optischen Weg, die so eingerichtet und angeordnet ist, dass sie einen definierten zeitlichen Versatz zwischen dem ersten Teil der ersten Strahlung und dem zweiten Teil der ersten Strahlung einfügt, und wobei die Verzögerungsstrecke in einem von zwei zumindest teilweise räumlich getrennten Strahlpfaden eines zusätzlichen Interferometers angeordnet ist, wobei das Interferometer so eingerichtet ist, dass es im Betrieb der Anordnung eine Änderung der Länge des optischen Wegs der Verzögerungsstrecke erfasst.
Dabei ist es die Idee, welche der erfindungsgemäßen optischen Anrege-/Abfrageanordnung zu Grunde liegt, während einer Messung mit der optischen Anrege-/Abfrageanordnung Längenänderungen des optischen Wegs der Verzögerungsstrecke zu erfassen, wobei die Verzögerungsstrecke selbst Bestandteil eines Interferometers ist, welches daher unmittelbar Längenänderungen der Verzögerungsstrecke erfassen kann.
Auf diese Weise lassen sich insbesondere Änderungen der Geschwindigkeit, mit der sich die Länge des optischen Wegs der Verzögerungsstrecke während dem Betrieb der optischen Anrege-/Abfrageanordnung ändert, erfassen.
Wenn im Sinne der vorliegenden Erfindung von einer optischen Anrege-/Abfrageanordnung die Rede ist, so umfasst diese zunächst einmal nur diejenigen optischen Komponenten, die notwendig sind, um zwei vorzugsweise phasengekoppelte elektromagnetische Impulse mit einem einstellbaren Zeitversatz in den beiden Signalausgängen der Anrege-/Abfrageanordnung bereitzustellen.
Dabei ist es für die optische Anrege-/Abfrageanordnung zunächst unerheblich, wie die Quelle für die erste elektromagnetische Strahlung aussieht. In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Signaleingang der optischen Anrege-/Abfrageanordnung mit einem Kurzpulslasersystem, vorzugsweise einem Femtosekundenlasersystem, verbunden. Dies kann insbesondere ein Faserlaser, ein Halbleiterlaser oder auch ein Festkörperlaser sein. Der typische Frequenzbereich für die kurzen elektromagnetischen Impulse, die von einem solchen Laser generiert und dann in den Signaleingang der optischen Anrege-/Abfrageanordnung eingekoppelt werden, liegt im sichtbaren und/oder infraroten Spektralbereich des elektromagnetischen Spektrums.
In einer alternativen Ausführungsform ist der Signaleingang mit einem oder zwei Dauerstrichlaserquellen verbunden, die zwei Wellenlängen emittieren.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist die optische Anrege-/Abfrageanordnung genau einen Signaleingang für die erste elektromagnetische Strahlung auf. In diesem Fall verfügt dann die optische Anrege-/Abfrageanordnung zusätzlich über einen Strahlteiler, welcher die in den Signaleingang eingekoppelte elektromagnetische Strahlung in den ersten Teil und den zweiten Teil aufteilt.
In einer alternativen Ausführungsform weist die optische Anrege-/Abfrageanordnung zwei Signaleingänge auf, in welche der erste Teil und der zweite Teil der elektromagnetischen Strahlung eingekoppelt wird, sodass eine Strahlaufteilung in der optischen Anrege-/Abfrageanordnung selbst entfallen kann. Beispielsweise sind optische Kurzpulslaserquellen bekannt, die zwei Resonatoren aufweisen, wobei der erste Resonator erste elektromagnetische Impulse zum Anregen des physikalischen Systems und der zweite Resonator zweite elektromagnetische Impulse zum Abfragen des physikalischen Systems generiert.
Im Sinne der vorliegenden Anmeldung bezeichnet eine erste elektromagnetische Strahlung diejenige Strahlung, welche in der erfindungsgemäßen Anrege-/Abfrageanordnung für das Anregen und Abfragen des physikalischen Systems verwendet wird. Im Gegensatz dazu bezeichnet eine zweite elektromagnetische Strahlung diejenige Strahlung, die in dem Interferometer der Anordnung für die Bestimmung der Ortsänderung des Spiegels der Verzögerungsstrecke verwendet wird.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Verzögerungsstrecke eine optische Glasfaser, deren Länge oder Ausbreitungsgeschwindigkeit für die elektromagnetische Strahlung beispielsweise durch mechanische Dehnung oder thermische Erwärmung einstellbar ist.
In einer alternativen, bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Verzögerungsstrecke, mit welcher der erste Teil gegenüber dem zweiten Teil der ersten Strahlung zeitlich verzögert wird, eine Einrichtung auf, mit welcher sich ein Spiegel entlang einer ersten Richtung automatisiert linear bewegen lässt.
Eine solche automatisierte lineare Bewegung lässt sich insbesondere mit einem herkömmlichen spindelgetriebenen Linearversteller realisieren. Allerdings ist die vorliegende Erfindung nicht auf spindelgetriebene Linearversteller beschränkt, sondern sie lässt sich grundsätzlich auf alle Arten von Linearverstellern übertragen, bei welchen ein Spiegel der Verzögerungsstrecke entlang einer ersten Richtung automatisiert linear bewegbar ist. Beispiele für solche Linearversteller sind beispielsweise Linearversteller mit einem piezoelektrischen Antrieb oder mit einem elektromechanischen Direktantrieb.
Während Ausführungsformen denkbar sind, bei welchen der Spiegel der Verzögerungsstrecke beispielsweise ein Planspiegel ist, ist eine Ausführungsform der Erfindung bevorzugt, bei welcher der Spiegel der Verzögerungsstrecke ein Retroreflektor oder Tripelspiegel ist. Solche Tripelspiegel werden durch zwei oder drei jeweils unter 90° aneinander stoßende Spiegel realisiert. Sie weisen den Vorteil auf, dass jeder auf den Spiegel treffende optische Strahl parallel zu sich selbst von dem Tripelspiegel reflektiert wird.
Während grundsätzlich der Erfindungsgedanke auch dann realisiert werden kann, wenn für das Interferometer beispielsweise die Rückseite des Spiegels der Verzögerungsstrecke als Spiegel dient, ist eine Ausführungsform der Erfindung zweckmäßig, bei welcher die spiegelnden Flächen des Spiegels für die erste elektromagnetischen Strahlung und für die elektromagnetische Strahlung des Interferometers (zweite elektromagnetische Strahlung) die gleichen sind. Die Strahlpfade des Interferometers und der ersten elektromagnetischen Strahlung verlaufen dann zumindest abschnittsweise parallel oder räumlich überlagert.
Als Interferometer für die erfindungsgemäße Anrege-/Abfrageanordnung eignen sich alle Typen von Interferometern mit zumindest abschnittsweise räumlich voneinander getrennten ersten und zweiten Strahlpfaden oder Armen.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Interferometer ein Mach-Zehnder-Interferometer mit einem ersten und einem zweiten Strahlpfad, wobei die Verzögerungsstrecke Bestandteil einer der beiden Strahlpfade ist.
Ein Mach-Zehnder-Interferometer verfügt über zwei Strahlteiler, wobei die zu überlagernde elektromagnetische Strahlung an dem ersten Strahlteiler auf einen ersten und einen zweiten Strahlpfad aufgeteilt wird und an dem zweiten Strahlteiler interferierend überlagert wird. Derartige Mach-Zehnder-Interferometer lassen sich insbesondere mit faseroptischen Komponenten auf einfache Weise realisieren.
In einer Ausführungsform weist das Interferometer hinter dem die beiden Strahlpfade überlagernden Strahlteiler einen Detektor, vorzugsweise eine Fotodiode, zum Erfassen des Interferogramms auf.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist das Interferometer zusätzlich in einem seiner Strahlpfade einen ersten und einen zweiten Strahlteiler auf, wobei der erste und der zweite Strahlteiler so im Strahlengang der ersten elektromagnetischen Strahlung der Anrege-/Abfrageanordnung angeordnet sind, dass in der Verzögerungsstrecke ein Strahlpfad des Interferometers und der Strahlpfad des ersten oder des zweiten Teils der ersten Strahlung parallel zueinander verlaufen und vorzugsweise sogar einander räumlich überlagert sind.
Während grundsätzlich eine Realisierung der erfindungsgemäßen optischen Anrege-/Abfrageanordnung vollständig in Bulk-Optik möglich ist, ist in einer Ausführungsform der Erfindung das Interferometer ein Faserinterferometer, wobei vorzugsweise der Strahlpfad des Interferometers entlang der Verzögerungsstrecke aus der Faser ausgekoppelt ist. Es versteht sich, dass dabei in einer Ausführungsform auch die übrigen Komponenten der optischen Anrege-/Abfrageanordnung zweckmäßigerweise als Faseroptiken ausgestaltet sind.
Um eine parallele und vorzugsweise räumlich überlagerte Strahlführung zwischen einem Strahlpfad des Interferometers und dem Strahlpfad des ersten oder des zweiten Teils der ersten elektromagnetischen Strahlung im Bereich der Verzögerungsstrecke zu ermöglichen, ist es zweckmäßig, wenn der erste und der zweite Strahlteiler, welche der Überlagerung und Trennung der ersten elektromagnetischen Strahlung und der elektromagnetischen Strahlung des Interferometers dienen, polarisierende Strahlteiler sind, wobei dann die Strahlung des Interferometers und die elektromagnetischen Impulse in der Verzögerungsstrecke senkrecht zueinander polarisiert sind. Auf diese Weise lässt sich die in die Verzögerungsstrecke eingekoppelte Strahlung des Interferometers hinter der Verzögerungsstrecke wieder vollständig auskoppeln und sie gelangt nicht störend auf das anzuregende oder abzufragende physikalische System. Es versteht sich, dass in diesem Fall sowohl die erste elektromagnetische Strahlung als auch die elektromagnetische Strahlung des Interferometers linear polarisiert und senkrecht zueinander polarisiert sind.
In einer alternativen Ausführungsform ist zumindest der zweite Strahlteiler, welcher einer Trennung der ersten elektromagnetischen Strahlung und der elektromagnetischen Strahlung des Interferometers dient, ein wellenglängenselektiver Strahlteiler, welche auch als WDM-(Wavelength Division Multiplexing-)Koppler bezeichnet wird. Ein derartiger WDM-Koppler ermöglicht es insbesondere die erste elektromagnetische Strahlung und die elektromagnetische Strahlung des Interferometers hinter der Verzögerungsstrecke voneinander zu trennen. Dabei wird beispielsweise bei einem 1 × 2 WDM-Koppler die erste elektromagnetische Strahlung mit einer ersten Wellenlänge, beispielsweise bei 1,55 μm, vollständig in den ersten Ausgang des WDM-Kopplers geleitet und die elektromagnetische Strahlung des Interferometers mit einer zweiten Wellenlänge, beispielsweise bei 1,3 mm, wird in den zweiten Ausgang des WDM-Kopplers geleitet. Es versteht sich, dass bei einer derartigen Ausführungsform die erste elektromagnetische Strahlung und die elektromagnetische Strahlung des Interferometers voneinander verschiedene Wellenlängen aufweisen müssen. Vorzugsweise sind der erste und der zweite Strahlteiler in einer solchen Ausführungsform WDM-Koppler.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist das Interferometer der optischen Anrege-/Abfrageanordnung eine Strahlungsquelle auf. Diese ist in einer Ausführungsform ein Laser, beispielsweise ein Dauerstrichlaser. Derartige Laserquellen für das Interferometer sind als Halbleiterlaser, beispielsweise als schmalbandige DFB-Laser, heute kommerziell preiswert erhältlich und können in die optische Anrege-/Abfrageanordnung integriert werden.
Ein besonderer Vorteil eines Mach-Zehnder-Interferometers ist, dass über den Strahlteiler zum Aufteilen der Strahlung auf die beiden Strahlpfade zwei Strahlungsquellen mit unterschiedlicher Frequenz bzw. Wellenlänge in das Interferometer eingekoppelt werden können, wobei die Interferenzen der beiden voneinander verschiedenen Wellenlängen zur Erhöhung der Genauigkeit bzw. Eindeutigkeit des Interferometers verwendet werden können.
Dabei ist es zweckmäßig, wenn die beiden Strahlungsquellen mit voneinander verschiedenen Frequenzen moduliert sind, sodass sich die Interferenzen der beiden Wellenlängen bzw. Frequenzen im Ausgang des Interferometers unterscheiden lassen.
In einer Ausführungsform der Erfindung werden beide Ausgänge des überlagernden Strahlteilers des Mach-Zehnder-Interferometers differenziell ausgewertet, um eine Verbesserung des Kontrasts zu erreichen. Das heißt in beiden Ausgängen des Strahlteilers zur Überlagerung der beiden Strahlpfade ist jeweils ein Detektor angeordnet.
Statt für das Interferometer eine gesonderte Quelle für die zweite elektromagnetische Strahlung bereitzustellen, weist das Interferometer in einer alternativen Ausführungsform einen Eingang für elektromagnetische Strahlung auf, wobei der Eingang so eingerichtet ist, dass im Betrieb der Anordnung mit Hilfe eines Strahlteilers einen Anteil der in die Anordnung eingekoppelten ersten elektromagnetischen Strahlung in den Eingang des Interferometers geleitet wird. Dabei weist das Interferometer in einer Ausführungsform einen Filter auf, welches eine Bandbreite der Wellenlängen von in das Interferometer geleiteten Impulsen der ersten Strahlung begrenzt. Auch die auf diese Weise aus der ersten elektromagnetischen Strahlung abgeleitete zweite elektromagnetische Strahlung kann für die Interferometrie verwendet werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist die optische Anrege-/Abfrageanordnung eine Steuer- und Auswerteeinrichtung, beispielsweise einen entsprechend programmierten Mikroprozessor mit den notwendigen Schnittstellen, auf. Diese dient dazu, die Anrege-/Abfrageanordnung zu steuern und die notwendigen Korrekturinformationen interferometrisch zu erfassen und zur weiteren Verarbeitung bereitzustellen. Dazu ist die Auswerte- und Steuereinrichtung über eine Steuerleitung mit der Verzögerungsstrecke bzw. dem Antrieb des Linearverstellers der Verzögerungsstrecke verbunden. Darüber hinaus ist die Auswerte- und Steuereinrichtung mit einem Detektor des Interferometers verbunden, um das Interferogramm der zweiten elektromagnetischen Strahlung in dem Interferometer aufnehmen und auswerten zu können.
In einer Ausführungsform der Erfindung stellt die Steuer- und Auswerteeinrichtung ein Korrektursignal bereit, welche die tatsächliche gemessene Längenänderung der Verzögerungsstrecke nach einer Zeit t in eine Zeit t' transferiert, nach der die gleiche Längenänderung bei einer idealen gegenüber der Zeit konstanten Längenänderung erreicht worden wäre. Dieses Korrektursignal wird an einer Ausgangsschnittstelle der Steuer- und Auswerteeinrichtung bereitgestellt, um Messsignale, welche beim Anregen und Abfragen eines physikalischen Systems erhalten wurden, korrigieren zu können.
Die zuvor genannte Aufgabe wird auch durch ein optoelektronisches Terahertz-Spektrometer mit einer Ausführungsform der optischen Anrege-/Abfrageanordnung, so wie sie zuvor im Detail beschrieben wurde, gelöst, wobei die optische Anrege-/Abfrageanordnung so eingerichtet ist, dass der erste Teil der ersten elektromagnetischen Strahlung auf einen Generator für elektromagnetische Strahlung im THz-Frequenzbereich geleitet wird und der zweite Teil der ersten elektromagnetischen Strahlung auf einen Detektor für elektromagnetische Strahlung im THz-Frequenzbereich geleitet wird.
Derartige Generatoren und Detektoren für elektromagnetische Strahlung im THz-Frequenzbereich, welche entweder von elektromagnetischen Impulsen oder von zwei Dauerstrichfrequenzen getrieben oder von diesen geschaltet werden, sind insbesondere nicht-lineare optische Kristalle und sogenannte fotokonduktive oder fotoleitfähige Schalter auf Basis von Halbleiterbauelementen.
Im Sinne der vorliegenden Anmeldung wird unter dem Terahertz-Frequenzbereich (THz-Frequenzbereich) ein Frequenzbereich von 1 GHz bis 30 THz, vorzugsweise jedoch ein Frequenzbereich von 100 GHz bis 5 THz, verstanden.
Bei der Verwendung eines fotoleitfähigen oder fotokonduktiven Schalters, gegebenenfalls in Kombination mit jeweils einer daran angeschlossenen Antenne, bewirkt das Auftreffen eines kurzen elektromagnetischen Impulses oder auch eines elektromagnetischen Schwebungssignals mit einer Schwebungsfrequenz im THz-Frequenzbereich auf den fotoleitfähigen Schalter bei einer entsprechenden elektrischen Vorspannung des Schalters einen kurzzeitigen Stromfluss in dem Bauteil und somit die Abstrahlung von elektromagnetischer Strahlung im Terahertz-Frequenzbereich. Der elektromagnetische Impuls oder das Schwebungssignal auf der Detektorseite dient dem gegenüber dazu, den Detektor mit Hilfe des fotoleitfähigen Schalters kurzzeitig zu schalten, und so das elektrische Feld der gleichzeitig auf das Hochfrequenzbauteil des Detektors auftreffenden elektromagnetischen Strahlung im THz-Frequenzbereich messbar zu machen.
Misst man an den Zuleitungen des fotoleitfähigen Schalters des als Detektor verwendeten Hochfrequenzbauteils einen Strom, so lässt sich das Feld der elektromagnetischen Terahertz-Strahlung, welches auf das Hochfrequenzbauteil auftrifft, zeitaufgelöst erfassen. Das elektrische Feld der auf den Detektor auftreffenden elektromagnetischen THz-Strahlung treibt Ladungsträger in Längsrichtung über den Schalter. Dabei ist ein Stromfluss nur dann möglich, wenn gleichzeitig der fotoleitfähige Schalter geschlossen ist, d. h. der Schalter mit der ersten elektromagnetischen Strahlung bestrahlt wird.
Ist ein zum Schalten des fotoleitfähigen Schalters verwendeter elektromagnetischer Impuls kurz gegenüber dem Zeitverlauf des elektrischen Feldes des von dem Detektor empfangenen Impulses im THz-Frequenzbereich ist, lässt sich das elektrische Feld des THz-Signals zeitaufgelöst abtasten bzw. messen, indem ein Zeitversatz zwischen dem auf den Schalter auftreffenden THz-Impuls und dem zum Schalten des fotoleitfähigen Schalters verwendeten elektromagnetischen Impulses eingeführt und während der Messung variiert wird. Das so erfasste zeitaufgelöste elektromagnetische Feld lässt sich durch Fourier-Transformation in ein entsprechendes frequenzaufgelöstes Spektrum umwandeln.
Das optoelektronische Spektrometer mit der erfindungsgemäßen optischen Anrege-/Abfrageanordnung lässt sich jedoch alternativ zu einem Laser mit kurzen elektromagnetischen Impulsen auch mit monochromatischer Laserstrahlung betreiben. Dazu stellt dann ein Laser oder auch zwei miteinander gekoppelte Laser zwei Laserfrequenzen mit einem Frequenzabstand, der gleich der zur Spektrometrie zu verwendenden elektromagnetischen Strahlung in dem THz-Frequenzbereich ist, bereit. Diese werden räumlich überlagert. Das so entstehende elektromagnetische Schwebungssignal wird auf die optoelektronischen Hochfrequenzbauteile als Generator und Detektor gegeben. Das Schwebungssignal erzeugt hier dann monochromatische elektromagnetische Strahlung im THz-Frequenzbereich. In einer solchen Ausführungsform wird die Frequenz der elektromagnetischen Strahlung im THz-Frequenzbereich durch Abstimmen der Differenzfrequenz zwischen den beiden von dem oder den Lasern generierten elektromagnetischen Strahlungsanteilen eingestellt bzw. durchgestimmt.
Es versteht sich, dass das optoelektronische THz-Spektrometer in einer Ausführungsform mit einem fotoleitfähigen Schalter als Detektor für die THz-Strahlung einen geeigneten Strom- oder Spannungsverstärker aufweist, welcher zum Erfassen der Ströme über den Schalter des Detektors mit diesem verbunden ist.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist das optoelektronische THz-Spektrometer eine Steuer- und Auswerteeinrichtung, beispielsweise einen entsprechend programmierten Mikroprozessor mit den notwendigen Schnittstellen, auf. Diese dient dazu, das Spektrometer zu steuern, die Amplitude der THz-Strahlung zu erfassen, die notwendigen Korrekturinformationen interferometrisch zu erfassen und die Amplitude der THz-Strahlung mit der Korrekturinformation zu korrigieren. Dazu ist die Auswerte- und Steuereinrichtung über eine Steuerleitung mit der Verzögerungsstrecke bzw. dem Antrieb des Linearverstellers der Verzögerungsstrecke verbunden. Darüber hinaus ist die Auswerte- und Steuereinrichtung mit einem Detektor des Interferometers verbunden, um das Interferogramm der zweiten elektromagnetischen Strahlung in dem Interferometer aufnehmen und auswerten zu können. Weiterhin ist die Steuer- und Auswerteeinrichtung mit dem Detektor für die THz-Strahlung verbunden.
In einer Ausführungsform der Erfindung korrigiert die Steuer- und Auswerteeinrichtung die von dem Detektor für die THz-Strahlung zeitaufgelöst erfasste Amplitude des elektrischen Feldes der THz-Strahlung. Dazu ordnet sie jedem Messwert des elektrischen Feldes der Terahertz-Strahlung bei einem von der Verzögerungsstrecke eingefügten zeitlichen Versatz einen neuen zeitlichen Versatz zu, der bei einer idealen Variation des zeitlichen Versatzes mit konstanter Änderung des zeitlichen Versatzes eingefügt worden wäre.
Zumindest eine der zuvor genannten Aufgaben wird auch durch ein Verfahren gelöst zum Anregen und Abfragen eines physikalischen Systems mit Hilfe von elektromagnetischer Strahlung mit den Schritten, Einkoppeln einer ersten elektromagnetischen Strahlungen in einen Signaleingang einer optischen Anrege-/Abfrageanordnung, Leiten eines ersten Teils der in den Signaleingang eingekoppelten Strahlung in einen ersten Signalausgang zum Anregen eines physikalischen Systems, Leiten eines zweites Teils der in den Signaleingang eingekoppelten ersten Strahlung in einen zweiten Signalausgang zum Abfragen des physikalischen Systems und Variieren eines zeitlichen Versatzes zwischen dem ersten Teil der ersten Strahlung und dem zweiten Teil der ersten Strahlung mit Hilfe einer Verzögerungsstrecke mit mindestens einem mechanisch entlang einer ersten Richtung automatisiert bewegbaren Spiegel, wobei eine Positionsänderung des Spiegels der Verzögerungsstrecke mit Hilfe eines zusätzlichen Interferometers erfasst wird, wobei die Verzögerungsstrecke Bestandteil eines von zwei zumindest teilweise voneinander getrennten Strahlpfaden des Interferometers ist.
Soweit zuvor Aspekte der Erfindung im Hinblick auf die optische Anrege-/Abfrageanordnung sowie das optoelektronische THz-Spektrometer beschrieben werden, so gelten diese auch für das entsprechende Verfahren zum Anregen und Abfragen eines physikalischen Systems mit Hilfe von elektromagnetischer Strahlung und umgekehrt. Soweit das Verfahren mit einer optischen Anrege-/Abfrageanordnung sowie einem THz-Spektrometer gemäß dieser Erfindung ausgeführt wird, so weisen diese die entsprechenden Einrichtungen hierfür auf. Insbesondere sind Ausführungsformen der optischen Anrege-/Abfrageanordnung sowie des THz-Spektrometers zum Ausführen des Verfahrens geeignet.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung einer Ausführungsform und der dazugehörigen Figuren deutlich.
1 zeigt eine grafische Darstellung der Verfahrgeschwindigkeiten in ps/s aufgetragen gegenüber dem Verfahrweg in ps für drei verschiedene mechanische motorisch angetriebene Linearversteller aus dem Stand der Technik.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der optischen Anrege-/Abfrageanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung in einem Terahertz-Zeitbereichsspektrometer.
3 zeigt schematisch die Korrektur der mit dem Terahertz-Zeitbereichsspektrometer aus 2 erfassten Zeitbereichsdaten mit Hilfe der Messwerte des Interferometers.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der optischen Anrege-/Abfrageanordnung aus 2 in einem Terahertz-Zeitbereichsspektrometer.
In den Figuren sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
In 1 sind für drei verschiedene Linearversteller als Bestandteil einer Verzögerungsstrecke einer optischen Anrege-/Abfrageanordnung aus dem Stand der Technik die Geschwindigkeit gegenüber dem Verfahrweg dargestellt. Dabei ist auf der y-Achse die Geschwindigkeit des auf dem jeweiligen Linearversteller befestigten Spiegels in Pikosekunden pro Sekunde gegenüber der absoluten Verzögerungsposition des Spiegels der Verzögerungsstrecke in Pikosekunden auf der x-Achse aufgetragen.
Ideal wäre eine Verzögerungsstrecke dann, wenn die Geschwindigkeit des Spiegels über den gesamten Verfahrweg hinweg konstant bliebe. Die oberste Abbildung a) aus 1 zeigt das Geschwindigkeitsprofil über den Verfahrweg für einen Linearversteller mit einem Gleichstrommotor als Antrieb. Figur b) zeigt das Geschwindigkeitsprofil gegenüber dem Verfahrweg für einen Linearversteller mit einem Schrittmotorantrieb aus der mittleren Preiskategorie und Abbildung c) in 1 ganz unten zeigt einen Linearversteller mit einem Schrittmotorantrieb in der höchsten Preiskategorie. Alle drei Linearversteller weisen einen Spindelantrieb mit Gewindestange und Gewindemutter auf.
Deutlich ist erkennbar, dass unabhängig von dem gewählten Motor oder der Preiskategorie, keiner der Linearversteller eine konstante Geschwindigkeit des Spiegels über den Verfahrweg gewährleistet. Lediglich bei dem schrittmotorgetriebenen Linearversteller aus Abbildung c) ist dies annähernd gegeben. Dies jedoch verbunden mit hohen Kosten.
Dem gegenüber ermöglicht es eine optische Anrege-/Abfrageanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung auch einen preiswerten Linearversteller unabhängig davon, welchen Antrieb dieser aufweist, zu verwenden, da Geschwindigkeitsvariationen, so wie sie insbesondere in den Abbildungen a) und b) der 1 zu sehen sind, nach der Messung korrigiert werden können.
Eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen optischen Anrege-/Abfrageanordnung, welche dies gewährleistet, ist in 2 dargestellt. 2 zeigt ein Terahertz-Zeitbereichsspektrometer 1, wobei die diesem zu Grunde liegende erfindungsgemäße optische Anrege-/Abfrageanordnung bzw. deren Komponenten in einem gestrichelten Kasten 2 zusammengefasst sind.
Die optische Anrege-/Abfrageanordnung 2 verfügt über einen Signaleingang 3 sowie zwei Signalausgänge 4, 5. Zur Vervollständigung des Terahertz-Spektrometers 1 ist ein Femtosekundenfaserlaser 5 mit dem Signaleingang 3 der optischen Anrege-/Abfrageanordnung 2 verbunden. Das heißt die von dem Femtosekundenlaser 5 generierten kurzen optischen Impulse werden in den Signaleingang 3 eingekoppelt. Da mit Ausnahme der Verzögerungsstrecke 6 alle Komponenten des Spektrometers als faseroptische Komponenten ausgestaltet sind, erfolgt diese Einkopplung der von dem Kurzpulslaser 5 generierten Strahlung durch einfaches Verbinden des Faserausgangs des Faserlasers 5 mit dem ebenfalls als Faser ausgestalteten Signaleingang 3 der optischen Anrege-/Abfrageanordnung 2. Die in den Signaleingang 3 der optischen Anrege-/Abfrageanordnung 2 eingekoppelten Impulse werden an einem ersten Strahlteiler 7 in zwei Teile aufgeteilt. Dabei ist der erste Strahlteiler 7 als faseroptischer 1 × 2-Schmelzkoppler ausgestaltet.
Während ein erster Teil der Impulse von dem Strahlteiler 7 direkt in den ersten Signalausgang 4 der optischen Anrege-/Abfrageanordnung 2 gelangt, erfährt der zweite Teil der an dem Strahlteiler 7 aufgeteilten Impulse eine einstellbare Verzögerung gegenüber dem ersten Teil mit Hilfe der automatisch variierbaren Verzögerungsstrecke 6 und gelangt dann in den zweiten Signalausgang 5 der optischen Anrege-/Abfrageanordnung 2.
Schematisch dargestellt und in 2 mit den Bezugszeichen 8 und 9 bezeichnet, sind zwei mit dem ersten bzw. dem zweiten Signalausgang 4, 5 verbundene fotokonduktive Schalter, welche in Antennen für die Terahertz-Strahlung eingebunden sind. Während die erste Schalter-/Antenennkombination 8 zum Erzeugen der Terahertz-Strahlung 10 verwendet wird, wird die zweite Schalter-/Antennenkombination 9 zur zeitaufgelösten Erfassung der Terahertz-Strahlung 10 eingesetzt.
Bei der Verzögerungsstrecke 6 handelt es sich im vorliegenden Fall um einen motorisch angetriebenen Linearversteller, auf dessen motorisch angetriebenem Tisch ein Tripelspiegel 22 angeordnet ist. Zur Realisierung der Verzögerungsstrecke 6 wird die elektromagnetische Strahlung im Bereich der Verzögerungsstrecke 6 aus der Glasfaser 11 ausgekoppelt und hinter der Verzögerungsstrecke 6 wieder in die Glasfaser 12 eingekoppelt. Mit anderen Worten ausgedrückt ist die Verzögerungsstrecke 6 selbst in Bulkoptik, d. h. nicht fasergebunden, ausgeführt.
Eine zeitaufgelöste Messung der mit Hilfe der Schalter-/Antennenkombination 9 erfassten Terahertz-Strahlung 10 ist beispielhaft in 3d) dargestellt. Aufgetragen ist in 3d) das elektrische Feld E der der Terahertz-Strahlung gegenüber der Zeit t, wobei die Zeit t während der Messung durch Verfahren des Spiegels 22 auf dem Linearversteller in der Verzögerungsstrecke 6 und damit Verändern der Länge des optischen Wegs der Verzögerungsstrecke 6 eingestellt bzw. variiert wird.
Bei dem Linearversteller in der Verzögerungsstrecke 6 handelt es sich um ein preiswertes Modell mit Schrittmotorantrieb, welches in etwa Schwankungen der Geschwindigkeit gegenüber dem Verfahrweg aufweist, so wie sie beispielhaft in 1a) dargestellt sind. Dieser Schwankung der Geschwindigkeit beim Verfahren des Linearverstellers in der Verzögerungsstrecke 6 gilt es mit den weiteren Komponenten der Anrege-/Abfrageanordnung 2 zu bestimmen und sodann aus dem Messergebnis für das elektrische Feld E gegenüber der Zeit t aus 3d) herauszurechnen.
Zu diesem Zweck verfügt die Anrege-/Abfrageanordnung 2 über ein Mach-Zehnder-Interferometer 13, welches in einem seiner Strahlpfade oder Arme die Verzögerungsstrecke 6 umfasst. Eine Änderung der Länge des Strahlpfads in der Verzögerungsstrecke 6 führt somit auch zu einer Änderung der Weglängendifferenz zwischen den beiden Strahlpfaden des Mach-Zehnder-Interferometers 13.
In der dargestellten Ausführungsform weist das Mach-Zehnder-Interferometer 13 eine Halbleiterlaserdiode 14 zur Erzeugung von im Wesentlichen monochromatischer elektromagnetischer Strahlung im infraroten Frequenzbereich auf. An einem ersten Strahlteiler 15, hier einem 1 × 2-Faserschmelzkoppler, wird die von dem Halbleiterlaser 14 erzeugte elektromagnetische Strahlung in einen ersten 18 und einen zweiten Pfad 19 des Interferometers 13 aufgeteilt. An einem zweiten 2 × 1-Faserschmelzkoppler 16 wird die durch die beiden Strahlpfade 18, 19 des Interferometers gelaufene elektromagnetische Strahlung sodann wieder räumlich überlagert, sodass die Interferenz und damit die relative Phasenverschiebung zueinander, welche die elektromagnetische Strahlung auf den beiden Strahlpfaden erfahren hat, mit einem Fotodetektor 17 messbar wird.
Während der erste Strahlpfad 18 des Mach-Zehnder-Interferometers 13 als Referenzpfad dient, wird die elektromagnetische Strahlung der Laserdiode 14 in den zweiten Strahlpfad 19 mit Hilfe eines polarisierenden 2 × 1-Faserschmelzkopplers 20 in den gleichen Faserabschnitt 11 eingekoppelt, durch welchen auch die von dem Femtosekundenlaser 5 generierte impulsförmige Strahlung des Terahertz-Zeitbereichsspektrometers (diese wird im Sinne der vorliegenden Anmeldung auch als erste elektromagnetische Strahlung bezeichnet) läuft. Die elektromagnetische Strahlung der Laserdiode 14 des Mach-Zehnder-Interferometers 13 (diese wird im Sinne der vorliegenden Anmeldung auch als zweite elektromagnetische Strahlung bezeichnet) durchläuft in diesem Bereich den gleichen Strahlpfad wie die impulsförmige elektromagnetische Strahlung des Femtosekundenlasers 5, sodass auch die Strahlung des Interferometers 13 durch die Verzögerungsstrecke 6 bzw. über den Spiegel 22 der Verzögerungsstrecke 6 läuft. Hinter der Verzögerungsstrecke 6 wird die Strahlung des Interferometers ebenso wie die impulsförmige Strahlung des Terahertz-Zeitbereichsspektrometers wieder in den Faserabschnitt 12 eingekoppelt. Mit Hilfe eines polarisierenden 1 × 2-Faserschmelzkopplers 21 wird dann die Strahlung des Interferometers wieder aus dem Strahlpfad der impulsförmigen elektromagnetischen Strahlung ausgekoppelt.
Um ein vollständiges Auskoppeln der elektromagnetischen Strahlung des Interferometers 13 aus dem Strahlengang des Terahertz-Zeitbereichsspektrometers zu ermöglich, sind die kurzen elektromagnetischen Impulse des Femtosekundenlasers 5 einerseits und die elektromagnetische Strahlung des Halbleiterlasers 14 im Interferometer 13 andererseits linear und im Wesentlichen senkrecht zueinander polarisiert. Auf diese Weise lässt sich am polarisierenden 1 × 2-Faserschmelzkoppler 21 die Strahlung des Interferometers 13 vollständig von den elektromagnetischen Impulsen trennen.
Änderungen der Wegdifferenz zwischen dem Referenzpfad 18 und dem Strahlpfad 19, in welchem sich die Verzögerungsstrecke 6 befindet, werden mit Hilfe der Fotodiode 17 erfasst. Jede Änderung der Geschwindigkeit der Verzögerungsstrecke 6 auf ihrem Verfahrweg ist so unmittelbar im Interferogramm sichtbar.
Anhand der schematischen Diagramme der 3 wird nun erläutert, wie mit Hilfe der interferometrischen Messung des Interferometers 13 die zeitaufgelöste Messung des elektrischen Feldes der Terahertz-Strahlung 10 gegenüber der Zeit, so wie sie als Rohdaten in 3d) dargestellt ist, korrigiert werden kann.
3c) zeigt eine Darstellung des idealen Verlaufs des von dem bewegbaren Spiegel der Verzögerungsstrecke 6 zurückgelegten Wegs S gegenüber der Zeit t'. Dabei entspricht der von dem Spiegel zurückgelegte Weg S einer zeitlichen Verzögerung τ, welche durch die Verzögerungsstrecke 6 laufende elektromagnetische Strahlung gegenüber Strahlung in einem Referenzpfad erfährt.
3c) geht davon aus, dass die Geschwindigkeit gegenüber der Zeit während dem Verfahren des Spiegels der Verzögerungsstrecke 6 konstant ist. Demgegenüber zeigt 3a) die tatsächlichen Verhältnisse einer gegenüber der Zeit t variierenden Geschwindigkeit v des Spiegels der Verzögerungsstrecke 6 beim Verfahren. Aus dieser Variation der Geschwindigkeit ergibt sich, dass der zurückgelegte Weg S gegenüber der verstrichenen Zeit t keine lineare Funktion ist, sondern einen Verlauf aufweist, so wie er beispielhaft in 3b) dargestellt ist.
Um nun die Messung des elektrischen Feldes der Terahertz-Strahlung 10 gegenüber der Zeit, deren Rohdaten in 3d) dargestellt sind, zu korrigieren, betrachtet man beispielsweise einen ersten Messpunkt zum Zeitpunkt t₁. Zu diesem Zeitpunkt t₁ hat der Spiegel der Verzögerungsstrecke 6 tatsächlich einen Ort S₁, welcher einer Verzögerung τ₁ entspricht, erreicht. Dieser Ort S₁ entspricht jedoch bei einem idealisierten Laufverhalten des Spiegels mit einer konstanten Geschwindigkeit einer Zeit t'₁. Entsprechend wird der Messwert E₁ des elektrischen Feldes E in dem Diagramm aus 3d) von dem Zeitpunkt t₁ zu dem Zeitpunkt t'₁ verschoben. Führt man diese Transformation für alle Messpunkte des elektrischen Feldes E gegenüber der Zeit t aus den Rohdaten der 3d) durch, so erhält man das korrigierte und um die Geschwindigkeitsschwankungen aus 3a) bereinigte Messergebnis für das elektrische Feld E gegenüber der Zeit t' aus 3e).
4 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Terahertz-Zeitbereichsspektrometers 1', wobei die Modifikationen den Aufbau des Interferometers 13' der Anrege-/Abfrageanordnung 2' betreffen. Der erste Faserschmelzkoppler 15' ist in der Ausführungsform der Anrege-/Abfrageanordnung 2' aus 4 ein 2 × 2-Faserschmelzkoppler, welcher zwei Eingänge aufweist. Diese sind jeweils über einen Polarisationscontroller 23 mit einer Leuchtdiode 14a bzw. 14b verbunden. Auf diese Weise können zwei Interferogramme bei zwei unterschiedlichen Wellenlängen mit Hilfe des Mach-Zehnder-Interferometers 13' aufgenommen werden. Um die beiden Wellenlängen bzw. deren Interferogramme detektorseitig unterscheiden zu können, sind die beiden Laserdioden 14a, 14b mit unterschiedlichen Frequenzen amplituden- bzw. intensitätsmoduliert.
Zur Verbesserung des Kontrasts des Interferometers 13' ist auch der zweite Faserschmelzkoppler 16' als 2 × 2-Koppler ausgestaltet, wobei jeweils eine Fotodiode 17a, 17b mit einem der Ausgänge des Schmelzkopplers 16 verbunden ist. Auf diese Weise lassen sich die Interferogramme differenziell mit den Detektoren 17a und 17b erfassen, was zu einem verbesserten Kontrast führt.
Durch die zwei bei unterschiedlichen Wellenlängen aufgenommenen Interferogramme lässt sich die Eindeutigkeit der interferometrischen Messung mit Hilfe des Interferometers 13' erhöhen.
Für Zwecke der ursprünglichen Offenbarung wird darauf hingewiesen, dass sämtliche Merkmale, wie sie sich aus der vorliegenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen für einen Fachmann erschließen, auch wenn sie konkret nur im Zusammenhang mit bestimmten weiteren Merkmalen beschrieben wurden, sowohl einzeln als auch in beliebigen Zusammenstellungen mit anderen der hier offenbarten Merkmale oder Merkmalsgruppen kombinierbar sind, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wurde oder technische Gegebenheiten derartige Kombinationen unmöglich oder sinnlos machen. Auf die umfassende, explizite Darstellung sämtlicher denkbarerer Merkmalskombinationen wird hier nur der Kürze und der Lesbarkeit der Beschreibung wegen verzichtet.
Während die Erfindung im Detail in den Zeichnungen und der vorangehenden Beschreibung dargestellt und beschreiben wurde, erfolgt diese Darstellung und Beschreibung lediglich beispielhaft und ist nicht als Beschränkung des Schutzbereichs gedacht, so wie er durch die Ansprüche definiert wird. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt.
Abwandlungen der offenbarten Ausführungsformen sind für den Fachmann aus den Zeichnungen, der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen offensichtlich. In den Ansprüchen schließt das Wort „aufweisen” nicht andere Elemente oder Schritte aus, und der unbestimmte Artikel „eine” oder „ein” schließt eine Mehrzahl nicht aus. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Merkmale in unterschiedlichen Ansprüchen beansprucht sind, schließt ihre Kombination nicht aus. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Beschränkung des Schutzbereichs gedacht.
Bezugszeichenliste

1, 1': Terahertz-Zeitbereichsspektrometer
2, 2': optische Anrege-/Abfrageanordnung
3: Signaleingang
4, 5: Signalausgänge
5: Femtosekundenlaser
6: Verzögerungsstrecke
7: erster Strahlteiler
8: erste Schalter-/Antenennkombination/THz-Generator
9: zweite Schalter-/Antennenkombination/THz-Detektor
10: Terahertz-Strahlung
11, 12: Glasfaser
13, 13': Interferometer
14, 14a, 14b: Halbleiterdiode
15, 15': erster Schmelzkoppler
16, 16': zweiter Schmelzkoppler
17, 17a, 17b: Detektor
18: Referenzpfad des Interferometers 13, 13'
19: Messpfad des Interferometers 13, 13'
20: polarisierender 2 × 1-Faserschmelzkoppler
21: polarisierender 1 × 2-Faserschmelzkoppler
22: Spiegel der Verzögerungsstrecke 6

Claims

Optische Anrege-/Abfrageanordnung (2, 2') mit einem Signaleingang (3) und zwei Signalausgängen (4, 5) für eine erste elektromagnetische Strahlung, wobei die Anordnung (2, 2') so eingerichtet ist, dass im Betrieb der Anordnung (2, 2') ein erster Teil der in den Signaleingang (3) eingekoppelten ersten Strahlung zum Anregen eines physikalischen Systems (8, 9) in den ersten Signalausgang (4) geleitet wird und ein zweiter Teil der in den Signaleingang (3) eingekoppelten ersten Strahlung zum Abfragen des physikalischen Systems (8, 9) in den zweiten Signalausgang (5) geleitet wird, und mit einer Verzögerungsstrecke (6) mit einem einstellbaren und veränderbaren optischen Weg, die so eingerichtet und angeordnet ist, dass sie einen definierten zeitlichen Versatz zwischen dem ersten Teil der ersten Strahlung und dem zweiten Teil der ersten Strahlung einfügt, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerungsstrecke (6) in einem von zwei zumindest teilweise räumlich getrennten Strahlpfaden (18, 19) eines zusätzlichen Interferometers (13, 13') angeordnet ist, wobei das Interferometer (13, 13') so eingerichtet ist, dass es im Betrieb der Anordnung eine Änderung der Länge des optischen Wegs der Verzögerungsstrecke (6) erfasst.
Optische Anrege-/Abfrageanordnung (2, 2') nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Interferometer (13, 13') ein Mach-Zehnder-Interferometer mit einem ersten (18) und einem zweiten Strahlpfad (19) ist, wobei die Verzögerungsstrecke (6) Bestandteil einer der beiden Strahlpfade (19) ist.
Optische Anrege-/Abfrageanordnung (2, 2') nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Verzögerungsstrecke (6) ein Strahlpfad (19) des Interferometers (13, 13') und der Strahlpfad des ersten oder des zweiten Teils der ersten elektromagnetischen Strahlung zueinander parallel verlaufen oder vorzugsweise einander räumlich überlagert sind.
Optische Anrege-/Abfrageanordnung (2, 2') nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Interferometer (13, 13') zusätzlich in einem seiner Strahlpfade (19) einen ersten (20) und einen zweiten (21) Strahlteiler aufweist, wobei der erste (20) und der zweite (21) Strahlteiler so im Strahlengang der ersten elektromagnetischen Strahlung angeordnet sind, dass in der Verzögerungsstrecke (6) ein Strahlpfad (19) des Interferometers (13, 13') und der Strahlpfad des ersten oder des zweiten Teils der ersten elektromagnetischen Strahlung zueinander parallel verlaufen oder vorzugsweise einander räumlich überlagert sind.
Optische Anrege-/Abfrageanordnung (2, 2') nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerungsstrecke eine Einrichtung aufweist, mit welcher ein Spiegel entlang einer ersten Richtung automatisiert linear bewegbar ist.
Optische Anrege-/Abfrageanordnung (2, 2') nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Interferometer (13, 13') ein Faserinterferometer ist, wobei ein Strahlpfad (19) entlang der Verzögerungsstrecke (6) aus der Faser ausgekoppelt ist.
Optische Anrege-/Abfrageanordnung (2, 2') nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (2, 2') so ausgestaltet ist, dass eine zweite elektromagnetische Strahlung in dem Interferometer (13, 13') und die erste elektromagnetische Strahlung in der Verzögerungsstrecke (6) senkrecht zueinander polarisiert sind, wobei der erste (20) und der zweite Strahlteiler (21) polarisierende Strahlteiler sind.
Optische Anrege-/Abfrageanordnung (2, 2') nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Strahlteiler (21) zur räumlichen Trennung der ersten elektromagnetischen Strahlung und der zweiten elektromagnetischen Strahlung in dem Interferometer ein wellenglängenselektiver Strahlteiler ist, wobei die erste elektromagnetische Strahlung und die zweite elektromagnetische Strahlung in dem Interferometer voneinander verschiedene Wellenlängen aufweisen.
Optische Anrege-/Abfrageanordnung (2, 2') nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Interferometer (13, 13') eine Strahlungsquelle (14, 14a, 14b), vorzugsweise einen Laser und besonders bevorzugt einen Dauerstrichlaser, aufweist.
Optische Anrege-/Abfrageanordnung (2, 2') nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Interferometer (13, 13') eine erste und eine zweite Strahlungsquelle (14a, 14b) aufweist, wobei sich die im Betrieb der Anordnung von der ersten und der zweiten Strahlungsquelle (14a, 14b) erzeugten Wellenlängen unterscheiden.
Optische Anrege-/Abfrageanordnung (2, 2') nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Interferometer (13, 13') einen Eingang für elektromagnetische Strahlung aufweist, wobei der Eingang so eingerichtet ist, dass im Betrieb der Anordnung mit Hilfe eines Strahlteilers ein Anteil der in die Anordnung eingekoppelten ersten Strahlung in den Eingang des Interferometers (13, 13') geleitet wird, wobei das Interferometer (13, 13') vorzugsweise ein Filter aufweist, welches eine Bandbreite der Wellenlängen der in das Interferometer (13, 13') geleiteten ersten Strahlung begrenzt.
Optoelektronisches Terahertz-Spektrometer (1, 1') mit einer optischen Anrege-/Abfrageanordnung (2, 2') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die optische Anrege-/Abfrageanordnung (2, 2') so eingerichtet ist, dass der erste Teil der ersten elektromagnetischen Strahlung auf einen Generator (8) für elektromagnetische Strahlung im THz-Frequenzbereich geleitet wird und der zweite Teil der ersten elektromagnetischen Strahlung auf einen Detektor (9) für elektromagnetische Strahlung im THz-Frequenzbereich geleitet wird.
Verfahren zum Anregen und Abfragen eines physikalischen Systems (8, 9) mit Hilfe von elektromagnetischer Strahlung mit den Schritten Einkoppeln einer ersten elektromagnetischen Strahlung in einen Signaleingang (3) einer optischen Anrege-/Abfrageanordnung (2, 2') Leiten eines ersten Teils der in den Signaleingang (3) eingekoppelten ersten Strahlung in einen ersten Signalausgang (4) zum Anregen eines physikalischen Systems (8, 9), Leiten eines zweites Teils der in den Signaleingang (3) eingekoppelten ersten Strahlung in einen zweiten Signalausgang (5) zum Abfragen des physikalischen Systems (8, 9) und Variieren eines zeitlichen Versatzes zwischen dem ersten Teil der ersten Strahlung und dem zweiten Teil der ersten Strahlung mit Hilfe einer Verzögerungsstrecke (6) mit einem einstellbaren und veränderbaren optischen Weg, dadurch gekennzeichnet, dass eine Änderung der Länge des optischen Wegs der Verzögerungsstrecke (6) mit Hilfe eines zusätzlichen Interferometers (13, 13') erfasst wird, wobei die Verzögerungsstrecke (6) in einem von zwei zumindest teilweise voneinander getrennten Strahlpfaden (18, 19) des Interferometers (13, 13') angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Korrektursignal berechnet wird, welches die tatsächliche Änderung der Länge des optischen Wegs der Verzögerungsstrecke nach einer Zeit t zu einer Zeit t' transferiert, welche der Zeit entspricht, nach der diese Änderung der Länge des optischen Wegs bei einer gegenüber der Zeit konstanten Änderung der Länge des optischen Wegs der Verzögerungsstrecke erreicht worden wäre.