DE102021125657A1

DE102021125657A1 - Phasensensitive Terahertzdetektion mit nichtlinearer Frequenzkonversion

Info

Publication number: DE102021125657A1
Application number: DE102021125657.7A
Authority: DE
Inventors: Daniel Molter; Tobias Pfeiffer
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2021-10-04
Filing date: 2021-10-04
Publication date: 2023-04-06
Anticipated expiration: 2041-10-05
Also published as: WO2023057293A1; DE102021125657B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur phasensensitiven Detektion elektromagnetischer Terahertz-Strahlung. Um ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zur phasensensitiven Detektion von Terahertz-Strahlung bereitzustellen, welche die Erfassung von Amplitude und Phase der Terahertz-Strahlung mit kommerziell erhältlichen Detektoren im sichtbaren Bereich ermöglichen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, eine elektromagnetische Basisstrahlung in eine Pump- und eine Referenzstrahlung aufzuspalten, wobei die Pumpstrahlung zur Erzeugung einer Terahertz-Strahlung dient und wobei die Referenzstrahlung nochmals in eine Peakstrahlung und eine Referenzstrahlung aufgespalten wird. Die Peakstrahlung wird anschließend mit der Terahertz-Strahlung unter Bildung einer Mischstrahlung gemischt, wobei die Mischstrahlung, die die Informationen der Terahertz-Strahlung in Nebenbändern enthält, mit der Reststrahlung räumlich überlagert wird, sodass aus einem erfassten Interferenzsignal die Phasenlage der Terahertz-Strahlung ausgewertet werden kann.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur phasensensitiven Detektion elektromagnetischer Terahertz-Strahlung.
Die Verwendung von Terahertz-Strahlung (THz-Strahlung) ist bereits seit Jahrzehnten im Laborumfeld in vielen Forschungsdisziplinen etabliert und findet in den letzten Jahren immer mehr Eingang in industrielle Anwendungen. Mit Frequenzen zwischen 100 GHz und 30 THz (Terahertz-Frequenzbereich) handelt es sich bei der Terahertz-Strahlung um eine elektromagnetische Strahlung, die im elektromagnetischen Spektrum zwischen der Mikrowellen- und der Infrarotstrahlung liegt.
Die Terahertz-Strahlung kombiniert verschiedene Vorteile der im elektromagnetischen Spektrum benachbarten Strahlungen. Mikrowellenstrahlung bietet im Vergleich zur Infrarotstrahlung und auch anderen Strahlungen im sichtbaren Spektralbereich den Vorteil einer größeren Eindringtiefe. Aufgrund der längeren Wellenlänge ist die Auflösung der Mikrowellenstrahlung z.B. bei bildgebenden Verfahren jedoch nicht so hoch wie die Auflösung von Infrarotstrahlung. Die Terahertz-Strahlung bietet einen Kompromiss aus vergleichsweise hoher Tiefenauflösung im Vergleich zur Mikrowellenstrahlung bei gleichzeitig größerer Eindringtiefe im Vergleich zur Infrarotstrahlung. Der Terahertz-Frequenzbereich bietet damit für viele Anwendungen einen optimierten Messbereich. Die Anwendungen sind breit gefächert und finden sich beispielsweise in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung, in der Sicherheitstechnik, in der Biologie und Medizin, aber auch zunehmend in der Kommunikationstechnik.
Für jede Art der Anwendung sind adäquate Detektionsmechanismen unerlässlich, um aus der detektierten Terahertz-Strahlung ein Maximum an Informationen über die untersuchte Probe extrahieren zu können. Für die Detektion von Terahertz-Strahlung sind aus dem Stand der Technik bereits verschiedene Verfahren bekannt, die sich auch danach richten, welche Art von Terahertz-Messung mit der Terahertz-Strahlung betrieben wird.
Eine Möglichkeit, Objekte mit Terahertz-Strahlung zu untersuchen, besteht in der zeitaufgelösten Erfassung des elektrischen Feldes eines durch die Probe transmittierten und zeitabhängigen Terahertz-Signals. Hierbei wird die Terahertz-Strahlung typischerweise über eine photoleitende Antenne erzeugt, die ein Halbleitermaterial umfasst, in welchem durch das Einstrahlen gepulster, elektromagnetischer Pumpstrahlung freie Ladungsträger erzeugt werden. Diese freien Ladungsträger werden in der photoleitenden Antenne in einem elektrischen Feld beschleunigt, das durch das Anlegen einer externen Spannung an die photoleitende Antenne erzeugt wird. Durch die Beschleunigung und das Abbremsen der freien Ladungsträger im elektrischen Feld kommt es zum Abstrahlen einer elektromagnetischen Strahlung mit Frequenzen im Terahertz-Bereich, wenn die Anregung der freien Ladungsträger durch die gepulste elektromagnetische Pumpstrahlung mit Impulsen mit einer Dauer von weit unter einer Pikosekunde erfolgt. Weitere Möglichkeiten zur Erzeugung von Terahertz-Strahlung liegen in der Verwendung von Oberflächenemittern, nichtlinearen optischen Kristallen oder spintronischen Terahertz-Emittern.
Eine Möglichkeit der Detektion der erzeugten Terahertz-Strahlung besteht ebenfalls in der Verwendung von photoleitenden Antennen. Im Gegensatz zur Erzeugung der Terahertz-Strahlung mit photoleitenden Antennen wird bei der Detektion keine externe Spannung an das Antennenmaterial angelegt. Trifft die Terahertz-Strahlung auf das Halbleitermaterial der Detektorantenne, in dem mit der Pumpstrahlung ebenfalls freie Ladungsträger erzeugt wurden, so folgen die freien Ladungsträger dem elektrischen Feld der Terahertz-Strahlung. Diese Bewegung der freien Ladungsträger kann als Strom gemessen werden. Um das elektrische Feld der Terahertz-Strahlung zeitaufgelöst zu erfassen, erfolgt eine zeitliche Verzögerung zwischen der Pumpstrahlung für die Erzeugungsantenne und der Pumpstrahlung für die Detektionsantenne.
Alternativ zu der Detektion von Terahertz-Strahlung mit photoleitenden Antennen besteht auch die Möglichkeit einer Detektion durch nichtlineare Überlagerung in einem nichtlinearen, optischen Kristall. Hierzu wird die Terahertz-Strahlung mit einer Pumpstrahlung mit Frequenzen im sichtbaren Spektralbereich in einem nichtlinearen Kristall überlagert. Dabei entsteht eine Mischstrahlung mit Summen- und Differenzfrequenzen, die Informationen über die Terahertz-Strahlung enthält. Um die in der Terahertz-Strahlung enthaltenen Informationen auszuwerten, wird eine Intensität der Mischstrahlung mit kommerziell erhältlichen Detektoren im sichtbaren Bereich erfasst. Hierbei besteht jedoch das Problem, dass die Phase der Terahertz-Strahlung nicht unmittelbar ermittelt werden kann. Gerade die Phase der Terahertz-Strahlung enthält jedoch viele Informationen über die zu analysierende Probe und ist daher von großem Interesse.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zur phasensensitiven Detektion von Terahertz-Strahlung bereitzustellen, welche die Erfassung von Amplitude und Phase der Terahertz-Strahlung mit kommerziell erhältlichen Detektoren im sichtbaren Bereich ermöglichen.
Das der Erfindung zugrundeliegende Problem wird durch ein Verfahren zur phasensensitiven Detektion elektromagnetischer Terahertz-Strahlung gelöst, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

a. Erzeugen einer elektromagnetischen Basisstrahlung mit einer Basis-Mittenfrequenz und einer Basis-Frequenzbandbreite,
b. Aufspalten der elektromagnetischen Basisstrahlung in eine Pumpstrahlung und eine Referenzstrahlung,
c. Erzeugen der elektromagnetischen Terahertz-Strahlung mit einer von der Basis-Mittenfrequenz verschiedenen Terahertz-Mittenfrequenz mittels der Pumpstrahlung,
d. Aufspalten der Referenzstrahlung in eine Peakstrahlung mit einer Peakmittenfrequenz und in eine Reststrahlung, wobei die Reststrahlung zumindest eine Frequenz aus einem Nebenband um eine Nebenbandmittenfrequenz abdeckt, wobei die Nebenbandmittenfrequenz gleich der Peakmittenfrequenz minus oder plus der Terahertz-Mittenfrequenz ist,
e. Mischen der Peakstrahlung mit der Terahertz-Strahlung, sodass eine Mischstrahlung mit zumindest einem Nebenband gebildet wird
f. Bilden eines Interferenzsignals durch räumliches Überlagern der Mischstrahlung mit der Reststrahlung, sodass eine Intensität des zumindest einen Nebenbandes von einer Phasenlage der Terahertz-Strahlung bei dem Mischen in Schritt e. abhängt,
g. Erfassen der Intensität des Interferenzsignals,
h. Auswerten einer Phasenlage der Terahertz-Strahlung aus der in Schritt g. erfassten Intensität des Interferenzsignals anhand der Intensität des zumindest einen Nebenbandes.

Bei der elektromagnetischen Basisstrahlung handelt es sich wie eingangs beschrieben typischerweise um eine pulsförmige Strahlung, deren einzelne Pulse eine zeitliche Dauer im Femtosekundenbereich aufweisen. Alternativ ist aber auch die Verwendung einer Dauerstrich-Strahlungsquelle für die Basisstrahlung möglich.
Das Aufspalten der Basisstrahlung in eine Pump- und Referenzstrahlung erfolgt mit in der Optik bekannten Strahlteilern. Die Pumpstrahlung wird dann für die Erzeugung der elektromagnetischen Terahertz-Strahlung verwendet. Für die Erzeugung der Terahertz-Strahlung kommen verschiedene Möglichkeiten in Frage, die eingangs beschrieben wurden und im Rahmen der verschiedenen Ausführungsformen teilweise nochmals aufgegriffen werden.
Zur phasensensitiven Detektion der erzeugten Terahertz-Strahlung wird erfindungsgemäß die Referenzstrahlung in die Peakstrahlung und die Reststrahlung aufgespalten.
Vorzugsweise erfolgt das Aufspalten in Schritt d. derart, dass ein Anteil der Referenzstrahlung in einem Bereich um die Peakmittenfrequenz aus der Referenzstrahlung als Peakstrahlung herausgeschnitten wird, sodass die Reststrahlung, im Frequenzraum betrachtet, noch alle Frequenzen der Referenzstrahlung abzüglich der für die Peakstrahlung separierten Frequenzen enthält. Es handelt sich somit um ein spektrales Aufspalten der Referenzstrahlung.
Die Leistung der Referenzstrahlung bleibt dadurch sowohl für die Bildung der Mischstrahlung mithilfe der Peakstrahlung als auch für die Bildung des Interferenzsignals mit Hilfe der Reststrahlung im Wesentlichen erhalten, sodass das Signal-zu-Rausch-Verhältnis des zu erfassenden Interferenzsignals verbessert wird.
Wird die Referenzstrahlung über alle Frequenzen gleichmäßig in eine Strahlung (Peakstrahlung) zur Bildung der Mischstrahlung und in eine Strahlung (Reststrahlung) zur Bildung des Interferenzsignals aufgeteilt, hat dies zur Folge, dass bei der Bildung des Summenfrequenzsignals in einem nichtlinearen optischen Kristall weniger Leistung durch die Strahlung zur Summenfrequenzbildung eingebracht wird und sich das Signal-zu-Rausch-Verhältnis des letztlich erfassten Interferenzsignals verschlechtert. Dies wird durch die Aufteilung der Referenzstrahlung in Peak- und Reststrahlung gemäß der beschriebenen Ausführungsform verhindert.
Durch das Mischen der Peakstrahlung mit der Terahertz-Strahlung entsteht eine Mischstrahlung, eingangs auch als Summen- und Differenzfrequenzsignal beschrieben, die zusätzlich zu dem Peak der Peakstrahlung im Bereich der Peakmittenfrequenz, im Frequenzraum betrachtet, Nebenbänder aufweist. Ein Intensitätsmaximum dieser Nebenbänder ist, im Frequenzraum betrachtet, in einem Abstand zu der Peakmittenfrequenz angeordnet, der der Terahertz-Mittenfrequenz entspricht. Damit enthalten die Nebenbänder die Informationen der Terahertz-Strahlung, die durch das Mischen mit der Peakstrahlung in einen anderen Frequenzbereich hochkonvertiert wurden. Dabei enthält jedes der Nebenbänder alle Informationen der Terahertz-Strahlung, sodass bereits die Auswertung eines der Nebenbänder ausreicht, um die in der Terahertz-Strahlung enthaltenen Informationen auszuwerten.
Um nun letztlich die Phase der Terahertz-Strahlung auswerten zu können, wird erfindungsgemäß die Mischstrahlung mit der Reststrahlung, also einer Strahlung mit einer festen Phasenbeziehung zu der Peakstrahlung, zur Interferenz gebracht. Dabei hängt eine Intensität des Nebenbandes nach der Interferenz mit der Reststrahlung von der Phase der Terahertz-Strahlung ab.
Zur phasensensitiven Detektion der Terahertz-Strahlung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bestehen im Wesentlichen zwei Möglichkeiten, wie die Phase gemessen werden kann.
In einer Ausführungsform wird während dem Erfassen der Intensität in Schritt g. eine optische Wegstrecke der Referenzstrahlung relativ zu einer optischen Wegstrecke der Pumpstrahlung oder der Terahertz-Strahlung variiert, sodass die Intensität des Interferenzsignals in Abhängigkeit von der jeweiligen Wegstreckendifferenz der Referenzstrahlung und der Pumpstrahlung bzw. der Terahertz-Strahlung ausgewertet wird. Hierdurch ändert sich die Phasenbeziehung zwischen der Mischstrahlung und der Reststrahlung, sodass das Interferenzsignal eine andere Phasenlage der Terahertz-Strahlung wiederspiegelt. Durch sequentielles Durchstimmen der zeitlichen Verzögerung zwischen Pump- und Reststrahlung kann damit die Phasenlage der Terahertz-Strahlung anhand des von der zeitlichen Verzögerung abhängigen Interferenzsignals ermittelt werden.
Insbesondere wird in einer weiteren Ausführungsform die optische Wegstrecke der Reststrahlung geändert. Die Änderung der optischen Wegstrecke der Reststrahlung bietet den Vorteil, dass bereits eine kleine Änderung dazu führt, dass die Phasenlage der Terahertz-Strahlung vollständig erfasst werden kann. Mit anderen Worten besteht aufgrund der unterschiedlichen Frequenzen eine Übersetzung um einen gewissen Faktor zwischen einer Wegstreckenänderung der Reststrahlung gegenüber einer Wegstreckenänderung der Terahertz-Strahlung. Hiermit wird die Messgeschwindigkeit erhöht.
Alternativ werden in einer weiteren Ausführungsform die Reststrahlung und die Mischstrahlung unter einem Winkel zueinander räumlich überlagert, sodass ein räumliches Interferenzmuster entsteht, aus welchem die Phasenlage der Terahertz-Strahlung in Schritt h. bestimmt wird. Dieses räumliche Interferenzmuster enthält mit nur einer Messung die gesamte Phaseninformation der Terahertz-Strahlung, da die zeitlichen Differenzen zwischen der Reststrahlung und der Peakstrahlung bzw. der Pumpstrahlung über den im Winkel verkippten Strahlungsquerschnitt der Reststrahlung eingebracht wird. Durch diese alternative Form der Erfassung der Phasenlage kann daher die Messgeschwindigkeit nochmals erhöht werden, da ein zeitliches Durchstimmen der Phase nicht mehr erforderlich ist.
Insbesondere werden in einer weiteren Ausführungsform die Mischstrahlung und die Reststrahlung kollinear bis zu einem Biprisma geführt, welches vor der Detektionseinrichtung angeordnet ist. Die räumliche Überlagerung der Mischstrahlung und der Reststrahlung unter einem Winkel zueinander auf der Detektionseinrichtung erfolgt durch das Biprisma. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass einerseits keine zeitliche Verzögerung erforderlich ist und andererseits die Strahlführung durch die kollineare Führung der Mischstrahlung und der Reststrahlung vereinfacht wird.
Durch Auswerten einer Intensität des Nebenbandes kann damit auf verschiedene Art und Weise die Phasenlage der Terahertz-Strahlung bestimmt werden.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass, vorzugsweise spektrale, Anteile der Referenzstrahlung, die auch der Bildung des Mischsignals dient, genutzt werden, um die Interferenz mit dem Mischsignal zu erreichen. Dadurch kann trotz Konvertierung der Terahertz-Strahlung in den sichtbaren Spektralbereich die Phase der Terahertz-Strahlung ausgewertet werden. Weiterhin ist die Strahlführung vereinfacht und vorhandene Ressourcen zur Erzeugung der Strahlung können verwendet werden, ohne dass zusätzliche Strahlungsquellen erforderlich sind.
Da die Energie eines Terahertz-Photons im Vergleich zu einem Referenzstrahlungs-Photon sehr gering ist, ist auch die spektrale Abweichung der Mischstrahlung von der Referenzstrahlung entsprechend klein. Aus diesem Grund sollte die Peakstrahlung, also der spektrale Anteil der Referenzstrahlung, der für die Bildung des Mischsignals verwendet wird, möglichst schmalbandig sein, damit es nicht zu einer Überlagerung der Summen- und Differenzfrequenzanteile der Mischstrahlung kommt. Andernfalls wäre eine spektrale Trennung der Frequenzbereiche erschwert. Um dies sicher zu stellen, erfolgt in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens das Aufspalten der Referenzstrahlung derart, dass die Referenzstrahlung auf einen Bandpassfilter gelenkt wird, wobei die Peakstrahlung aus einem spektralen Anteil der Referenzstrahlung gebildet wird, der an dem Bandpassfilter reflektiert wird und die Reststrahlung aus einem spektralen Anteil der Referenzstrahlung gebildet wird, der durch den Bandpassfilter transmittiert wird oder umgekehrt.
So wird sichergestellt, dass die Peakstrahlung ausreichend schmalbandig ist und die Reststrahlung spektral mit den Summen- und/oder den Differenzfrequenzanteilen der Mischstrahlung überlappt, sodass die Interferenzbedingungen erfüllt sind. Bandpassfilter sind weit verbreitet und kostengünstig verfügbar und bieten daher eine effektive Möglichkeit die Referenzstrahlung in die beiden spektralen Bestandteile Peakstrahlung und Reststrahlung aufzuteilen.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Referenzmittenfrequenz der Referenzstrahlung mittels eines nichtlinearen optischen Kristalls geändert. Dies bietet den Vorteil, dass als Strahlungsquelle für die Basisstrahlung eine kostengünstige Strahlungsquelle beispielsweise auf Basis der in der Telekommunikation weit verbreiteten 1550-Technologie verwendet werden kann, bei welcher fasergekoppelte Laser mit Wellenlänge um 1550 nm verwendet werden. Diese meist fasergekoppelten Strahlungsquellen bieten eine höhere Anwendungssicherheit im Hinblick auf den Strahlenschutz und eignen sich daher insbesondere für Anwendungen außerhalb des Labors. Durch die Änderung der Referenzmittenfrequenz zu Frequenzen im sichtbaren Spektralbereich können dann jedoch dennoch kostengünstige Detektoren im sichtbaren Spektralbereich zum Einsatz kommen.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Referenzstrahlung nach der Änderung der Referenzmittenfrequenz eine zweite Harmonische der ursprünglichen Referenzstrahlung. Insbesondere hat die Referenzstrahlung in einer weiteren Ausführungsform vor der Änderung eine zentrale Wellenlänge von 1550 nm und nach der Änderung eine zentrale Wellenlänge von etwa 775 nm. Bei beiden Wellenlängen sind entsprechend kostengünstige Komponenten verfügbar.
In einer weiteren Ausführungsform deckt die Reststrahlung einen Frequenzbereich ab, der gleich oder größer ist als ein Bereich von der Peakmittenfrequenz minus der Terahertz-Mittenfrequenz bis zu der Peakmittenfrequenz plus der Terahertz-Mittenfrequenz.
In einer weiteren Ausführungsform werden die Mischstrahlung und die Reststrahlung auf ein diffraktives Element gelenkt, sodass von einem Detektionssensor ein frequenzaufgelöstes Interferenzmuster erfasst wird. Mit anderen Worten erhält man für jede Frequenz der Terahertz-Strahlung die entsprechenden Phaseninformationen. Kombiniert mit der zuvor beschriebenen räumlichen Überlagerung der Mischstrahlung mit der Reststrahlung unter einem Winkel zueinander erhält man damit mit nur einer einzigen Messung eine Art Informationsmatrix, die für jede Frequenz eine Phaseninformation beinhaltet. Damit entfällt sowohl das zeitliche Verstimmen zwischen Pump- und Referenzstrahlung als auch eine rechnerische Fouriertransformation des Interferenzsignals in den Frequenzraum.
Die pulsförmige Terahertz-Strahlung besteht aus vielen verschiedenen Frequenzen im oben beschriebenen Bereich zwischen 100 GHz und 30 THz. Da z.B. insbesondere in der Sicherheitstechnik oder auch in der Spektroskopie Stoffe untersucht werden, die ein charakteristisches, frequenzabhängiges Spektrum aufweisen, bietet die frequenzaufgelöste Erfassung den Vorteil, dass individuelle frequenzabhängige Eigenschaften von Proben untersucht werden können.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Mischstrahlung vor der Detektion mit einer Detektionseinrichtung gefiltert, wobei der Anteil der Peakstrahlung an der Mischstrahlung aus der Mischstrahlung herausgefiltert wird, sodass der Anteil der Peakstrahlung an der Mischstrahlung nicht zu der Detektionseinrichtung gelangt. Die Peakstrahlung ist lediglich erforderlich, um die Terahertz-Strahlung in einen sichtbaren Spektralbereich zu konvertieren, der mit kommerziell erhältlichen Detektoren erfasst werden kann. Die Peakstrahlung an sich enthält jedoch keine Information über die Phasenlage der Terahertz-Strahlung, sodass die Peakstrahlung herausgefiltert werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform liegt die Terahertz-Mittenfrequenz in einem Bereich von 100 GHz bis 10 THz. Die üblichen Terahertzquellen bieten in diesem Frequenzbereich eine ausreichend hohe Leistung, um das empfangene Terahertzsignal ausreichend von anderen Rauschquellen unterscheiden und damit die Daten adäquat auswerten zu können.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Terahertz-Strahlung mittels einer photoleitenden Antenne oder mittels eines nichtlinearen optischen Kristalls aus der Pumpstrahlung erzeugt. Beide Varianten sind üblich, um Terahertz-Strahlung zu erzeugen, sodass entsprechende kostengünstige Komponenten zur Verfügung stehen. Um die Signalqualität zu verbessern, ist es in einer Ausführungsform vorteilhaft, die Terahertz-Strahlungsquelle spektral auf das Detektionsverfahren abzustimmen. Bei der Erzeugung mit einem nichtlinearen optischen Kristall bedeutet dies, dass die spektralen Eigenschaften des nichtlinearen optischen Kristall für die Erzeugung der Terahertz-Strahlung denen eines nichtlinearen optischen Kristalls entsprechen, der für die Erzeugung der Mischstrahlung aus Terahertz- und Peakstrahlung verwendet wird.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird weiterhin durch eine Vorrichtung zur phasensensitiven Detektion elektromagnetischer Terahertz-Strahlungen gelöst, wobei die Vorrichtung eine elektromagnetische Strahlungsquelle aufweist, wobei die elektromagnetische Strahlungsquelle derart eingerichtet ist, dass während dem Betrieb der Vorrichtung mit der elektromagnetischen Strahlungsquelle eine elektromagnetische Basisstrahlung mit einer Basis-Mittenfrequenz und einer Basis-Frequenzbandbreite erzeugt wird, wobei die Vorrichtung weiterhin einen ersten Strahlteiler aufweist, wobei der erste Strahlteiler derart eingerichtet ist, dass während dem Betrieb der Vorrichtung die elektromagnetische Basisstrahlung in eine Pumpstrahlung und eine Referenzstrahlung aufgeteilt wird, wobei die Vorrichtung weiterhin eine Terahertz-Strahlungsquelle aufweist, die derart eingerichtet ist, dass während dem Betrieb der Vorrichtung die elektromagnetische Terahertz-Strahlung mit einer von der Basis-Mittenfrequenz verschiedenen Terahertz-Mittenfrequenz mittels der Pumpstrahlung erzeugt wird, wobei die Vorrichtung weiterhin einen zweiten Strahlteiler aufweist, wobei der zweite Strahlteiler derart eingerichtet ist, dass in einem Betrieb der Vorrichtung mit dem zweiten Strahlteiler die Referenzstrahlung in eine Peakstrahlung mit einer Peakmittenfrequenz und in eine Reststrahlung aufgeteilt wird, wobei die Reststrahlung zumindest eine Frequenz aus einem Nebenband um eine Nebenbandmittenfrequenz abdeckt, wobei die Nebenbandmittenfrequenz gleich der Peakmittenfrequenz minus oder plus der Terahertz-Mittenfrequenz ist, wobei die Vorrichtung weiterhin eine Überlagerungsvorrichtung aufweist, die derart eingerichtet ist, dass in dem Betrieb der Vorrichtung die Peakstrahlung mit der Terahertz-Strahlung überlagert wird, sodass eine Mischstrahlung mit zumindest einem Nebenband gebildet wird, wobei die Überlagerungsvorrichtung weiterhin derart eingerichtet ist, dass während dem Betrieb der Vorrichtung weiter ein Interferenzsignal durch räumliches Überlagern der Mischstrahlung mit der Reststrahlung gebildet wird, sodass eine Intensität des zumindest einen Nebenbandes von einer Phasenlage der Terahertz-Strahlung bei der Bildung der Mischstrahlung abhängt, wobei die Vorrichtung weiterhin eine Detektionseinrichtung aufweist, die derart eingerichtet und angeordnet ist, dass mit der Detektionseinrichtung während dem Betrieb der Vorrichtung die Intensität des Interferenzsignals erfassbar ist, und wobei die Vorrichtung weiterhin eine Auswerteeinrichtung aufweist, die derart eingerichtet und mit der Detektionseinrichtung verbunden ist, dass während dem Betrieb der Vorrichtung eine Phasenlage der Terahertz-Strahlung anhand der von der Detektionseinrichtung erfassten Intensität des Interferenzsignals anhand der Intensität des zumindest einen Nebenbandes ausgewertet wird.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Vorrichtung weiterhin eine Verzögerungseinheit auf, die derart eingerichtet und in einem Strahlengang der Referenzstrahlung oder der Reststrahlung und/oder der Pumpstrahlung angeordnet ist, dass mit der Verzögerungseinrichtung während dem Betrieb der Vorrichtung eine optische Wegstrecke der Referenzstrahlung relativ zu einer optischen Wegstrecke der Pumpstrahlung verändert wird. Besonders bevorzugt ist die Verzögerungseinheit derart eingerichtet und in einem Strahlengang der Reststrahlung angeordnet, dass mit der Verzögerungseinheit während dem Betrieb der Vorrichtung eine optische Wegstrecke der Reststrahlung relativ zu der optischen Wegstreckt der Pump- oder Terahertzstrahlung geändert wird.
Es versteht sich, dass Ausführungsformen, die für das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben wurden, ebenso für die erfindungsgemäße Vorrichtung gelten und umgekehrt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung verschiedener Ausführungsformen und der dazugehörigen Figuren deutlich. In den Figuren sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

1 zeigt eine schematische Übersicht des Ablaufs einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
2 ist eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
3 ist eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
4 ist eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Gemäß dem in 1 dargestellten schematischen Ablauf einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in einem Schritt 100 eine Basisstrahlung 1 mit einer Wellenlänge um 1550 nm erzeugt, die dann in eine Pumpstrahlung 2 (siehe 2 bis 4) und eine Referenzstrahlung 3 aufgeteilt wird. Die Referenzstrahlung 3, die eine Referenz-Mittenfrequenz 3c aufweist, wird in einem Schritt 101 derart in einem nichtlinearen optischen Kristall 18 (siehe 2 bis 4) verändert, dass die Referenzstrahlung 3 nach der Änderung eine zweite Harmonische der ursprünglichen Referenzstrahlung 3 darstellt, d.h. eine Wellenlänge von etwa 775 nm hat.
Die aus der Basisstrahlung 1 abgespaltene Pumpstrahlung 2 wird dazu verwendet, eine elektromagnetische Terahertz-Strahlung 4 mit einer von der Basis-Mittenfrequenz verschiedenen Terahertz-Mittenfrequenz in einer photoleitenden Antenne 13 in einem Schritt 102 zu erzeugen. Hierzu werden durch die Pumpstrahlung 2 in einem Halbleitermaterial der photoleitenden Antenne 13 (siehe 2 bis 4) freie Ladungsträger erzeugt, die in einem elektrischen Feld, das durch eine externe Spannung an der photoleitende Antenne 13 erzeugt wird, beschleunigt werden, sodass eine elektromagnetische Terahertz-Strahlung 4 abgestrahlt wird.
Die Referenzstrahlung 3 wird in einem Schritt 200 in eine Peakstrahlung 3a und eine Reststrahlung 3b aufgeteilt, wobei danach nur die Peakstrahlung 3a mit der Terahertz-Strahlung 4 in einem Schritt 300 derart in einem nichtlinearen optischen Kristall überlagert wird, dass eine Mischstrahlung 5 mit zwei Nebenbändern 7a und 7b im Frequenzraum gebildet wird.
Diese Mischstrahlung 5 wird wiederum in einem Schritt 400 mit der Reststrahlung 3b räumlich überlagert, sodass die Reststrahlung 3b und die Mischstrahlung 5 miteinander interfrieren und eine Intensität der Nebenbänder 7a und 7b von einer Phasenlage der Terahertz-Strahlung 4 abhängt. Das so entstehende Interferenzsignal 6 wird erfasst und die Phasenlage der Terahertz-Strahlung 4 aus der erfassten Intensität des Interferenzsignals 6 anhand der Intensität der Nebenbänder 7a und 7b ausgewertet.
In der beschriebenen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Frequenzbereich der Reststrahlung 3 derart gewählt, dass dieser einen Frequenzbereich überdeckt, der von der Peakmittenfrequenz minus der Terahertz-Mittenfrequenz bis zu der Peakmittenfrequenz plus der Terahertz-Mittenfrequenz reicht.
Wie in 1 dargestellt handelt es sich bei der Peakstrahlung 3a um eine äußerst schmalbandige Strahlung. Der Reststrahlung 3b fehlen exakt die spektralen Anteile der Peakstrahlung 3a.
In 2 ist eine Vorrichtung 10 dargestellt, mit der das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt wird. Eine Strahlungsquelle 11 erzeugt hierzu die elektromagnetische Basisstrahlung 1, die von einem ersten Strahlteiler 12 in eine Pumpstrahlung 2 und eine Referenzstrahlung 3 aufgeteilt wird. Bei dem Strahlteiler 12 handelt es sich um einen optischen Strahlteiler, der die Basisstrahlung 1 in Pumpstrahlung 2 und Referenzstrahlung 3 aufteilt.
Die Pumpstrahlung 2 wird zur Erzeugung der Terahertz-Strahlung 4 mittels einer Terahertz-Strahlungsquelle 13 verwendet, wobei es sich bei der Terahertz-Strahlungsquelle 13 um eine photoleitende Antenne oder einen nichtlinearen optischen Kristall handelt.
Die Referenzstrahlung 3 wird nach der Frequenzwandlung im nichtlinearen optischen Kristall 18 an einem zweiten Strahlteiler 14, bei dem es sich um einen Bandpassfilter handelt, in die Peakstrahlung 3a und die Reststrahlung 3b aufgeteilt. Der Bandpassfilter 14 ist derart eingerichtet, dass der reflektierte Teil der Referenzstrahlung 3 der Peakstrahlung 3a entspricht und der durch den Bandpassfilter transmittierte Teil der Referenzstrahlung 3 der Reststrahlung 3b entspricht.
Die Peakstrahlung 3a wird dann mittels Spiegeln in einer Überlagerungsvorrichtung 15a, beispielsweise in einem nichtlinearen optischen Kristall, mit der Terahertz-Strahlung 4 überlagert, sodass eine Mischstrahlung 5 entsteht.
Die Mischstrahlung 5 verläuft anschließend kollinear mit der Reststrahlung 3b über ein optisches Gitter 15b bis zum Detektor 16. Der Detektor 16 erfasst dann das Interferenzsignal 6 aus der Mischstrahlung 5 und der Reststrahlung 3b. Durch das diffraktive Element 15b wird die Mischstrahlung 5 in ihre spektralen Anteile aufgeteilt, sodass mit nur einer Messung von dem Detektor 16 die Terahertz-Strahlung 4 frequenzaufgelöst ausgewertet werden kann.
Um eine vollständige Phaseninformation der Terahertz-Strahlung auswerten zu können, ist weiter eine Verzögerungseinrichtung 17b vorgesehen, die in dem Strahlengang der Reststrahlung 3b angeordnet ist und eine optische Wegstrecke der Reststrahlung 3b relativ zu der Pumpstrahlung 2 bzw. der Terahertz-Strahlung 4 verändert. Wird das Interferenzsignal 6 in Abhängigkeit von der Wegstreckenänderung mit dem Detektor 16 erfasst, kann so die gesamte Phasenlage der Terahertz-Strahlung ausgewertet werden.
Als zusätzliche Hilfsmittel, die jedoch für den Betrieb der Vorrichtung nicht zwangsläufig erforderlich sind, sieht die Vorrichtung gemäß 2 noch weitere Filter 19a, 19b und 19c sowie eine weitere Verzögerungseinheit 17a vor. Die Filter 19a und 19b dienen vornehmlich der Reduzierung der Leistung der Pump- bzw. Reststrahlung für die folgenden Verfahrensschritte. Filter 19c filtert die spektralen Anteile der Peakstrahlung 3a an dem Mischsignal 5 heraus, sodass diese nicht auf die Detektionseinrichtung 16 gelangen. Die zusätzliche Verzögerungseinheit 17a dient der Feinabstimmung zwischen den einzelnen Strahlungen, um die Interferenzbedingungen zu sichern.
Im Gegensatz zu der in 2 gezeigten Ausführungsform zeigt 3 eine Ausführungsform, in welcher die Reststrahlung 3b unter einem Winkel räumlich mit der Mischstrahlung 5 auf dem Detektor 16 überlagert wird. In dieser Ausführungsform dienen beide Verzögerungseinrichtungen 17a und 17b lediglich der Feinabstimmung der Strahlungen zur Sicherung der Kohärenzeigenschaften. Eine Verzögerung der Reststrahlung 3b gegenüber der Pumpstrahlung 2 bzw. der Terahertz-Strahlung 4 ist nicht erforderlich, da die zeitliche Verzögerung durch das Verkippen des Strahlungsquerschnitts der Reststrahlung 3b induziert wird.
Der Detektionssensor 16 erfasst dabei ein Interferenzsignal 6, dass für jede einzelne Frequenz, die in der Terahertz-Strahlung 4 enthalten ist, eine Phaseninformation aufweist.
4 zeigt letztlich eine Vorrichtung 10, die eine Kombination aus der räumlichen Überlagerung unter einem Winkel und der kollinearen Führung der Mischstrahlung 5 und der Reststrahlung 3b darstellt. Auch hier sind die Verzögerungseinheiten 17a und 17b nichts zwangsläufig erforderlich. Im Gegensatz zu der in 3 gezeigten Ausführungsform der Vorrichtung 10 können jedoch in der Vorrichtung 10 gemäß 4 die Reststrahlung 3b und die Mischstrahlung 5 über die gleichen optischen Komponenten auf den Detektor 16 geführt werden. Dabei kommt es wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen zur Bildung des Mischsignals 5 in der Überlagerungsvorrichtung 15a, bei welcher es sich um einen nichtlinearen optischen Kristall handelt. Die Reststrahlung 3b passiert den gleichen nichtlinearen optischen Kristall 15a und wird zusammen mit der Mischstrahlung 5 unter einem Winkel auf dem Detektor 16 räumlich überlagert. Hierzu wird die Mischstrahlung 5 und die Reststrahlung 3b, die bisher parallel zueinander geführt wurden, auf ein Biprisma 15c gelenkt, welches die parallel verlaufende Mischstrahlung 5 und die Reststrahlung 3b auf dem Detektor 16 räumlich überlagert.
Bezugszeichenliste

1: Basisstrahlung
2: Pumpstrahlung
3: Referenzstrahlung
3a: Peakstrahlung
3b: Reststrahlung
3c: Referenzmittenfrequenz
4: Terahertz-Strahlung
5: Mischstrahlung
6: Interferenzsignal
7a, 7b: Nebenbänder
10: Vorrichtung
11: elektromagnetische Strahlungsquelle
12: erster Strahlteiler
13: Terrahertz-Strahlungsquelle
14: zweiter Strahlteiler (Bandpassfilter)
15a: Überlagerungsvorrichtung
15b: diffraktives Element
15c: Biprisma
16: Detektionseinrichtung
17a, 17b: Verzögerungseinrichtung
18: nichtlinearer optischer Kristall
19, 19a, 19b: Filter
100: Schritte a und b
101: Verändern der Referenzmittenfrequenz
102: Schritt c
200: Schritt d
300: Schritt e
400: Schritt f

Claims

Verfahren zur phasensensitiven Detektion elektromagnetischer Terahertz-Strahlung (4) mit den Schritten: a. Erzeugen (100) einer elektromagnetischen Basisstrahlung (1) mit einer Basis-Mittenfrequenz und einer Basis-Frequenzbandbreite, b. Aufspalten (100) der elektromagnetischen Basisstrahlung (1) in eine Pumpstrahlung (2) und eine Referenzstrahlung (3), c. Erzeugen (102) der elektromagnetischen Terahertz-Strahlung (4) mit einer von der Basis-Mittenfrequenz verschiedenen Terahertz-Mittenfrequenz mittels der Pumpstrahlung (2), d. Aufspalten (200) der Referenzstrahlung (3) in eine Peakstrahlung (3a) mit einer Peakmittenfrequenz und in eine Reststrahlung (3b), wobei die Reststrahlung (3b) zumindest eine Frequenz aus einem Nebenband um eine Nebenbandmittenfrequenz abdeckt, wobei die Nebenbandmittenfrequenz gleich der Peakmittenfrequenz minus oder plus der Terahertz-Mittenfrequenz ist,, e. Mischen (300) der Peakstrahlung (3a) mit der Terahertz-Strahlung (4), so dass eine Mischstrahlung (5) mit zumindest einem Nebenband (7a, 7b) gebildet wird, f. Bilden (400) eines Interferenzsignals (6) durch räumliches Überlagern der Mischstrahlung (5) mit der Reststrahlung (3b), sodass eine Intensität des zumindest einen Nebenbandes (7a, 7b) von einer Phasenlage der Terahertz-Strahlung (4) bei dem Mischen in Schritt e. abhängt, g. Erfassen der Intensität des Interferenzsignals (6), h. Auswerten einer Phasenlage der Terahertz-Strahlung (4) aus der in Schritt g. erfassten Intensität des Interferenzsignals (6) anhand der Intensität des zumindest einen Nebenbandes (7a, 7b).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Referenzmittenfrequenz (3c) der Referenzstrahlung (3) mittels eines nichtlinearen optischen Kristalls (18) geändert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Referenzstrahlung (3) nach der Änderung eine zweite Harmonische der ursprünglichen Referenzstrahlung (3) ist.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Referenzstrahlung (3) vor der Änderung eine zentrale Wellenlänge von 1550 nm hat und nach der Änderung eine zentrale Wellenlänge von etwa 775 nm.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Reststrahlung (3) einen Frequenzbereich abdeckt, der gleich oder größer ist als ein Bereich von der Peakmittenfrequenz minus der Terahertz-Mittenfrequenz bis zu der Peakmittenfrequenz plus der Terahertz-Mittenfrequenz.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Aufspalten in Schritt d. derart erfolgt, dass die Referenzstrahlung (3) auf einen Bandpassfilter (14) gelenkt wird, wobei die Peakstrahlung (3a) aus einem spektralen Anteil der Referenzstrahlung (3) gebildet wird, der an dem Bandpassfilter (14) reflektiert wird und die Reststrahlung (3b) aus einem spektralen Anteil der Referenzstrahlung (3) gebildet wird, der durch den Bandpassfilter (14) transmittiert wird oder umgekehrt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei während dem Erfassen der Intensität in Schritt g. eine optische Wegstrecke der Referenzstrahlung (3) relativ zu einer optischen Wegstrecke der Pumpstrahlung (2) oder der Terahertz-Strahlung (4) variiert wird, sodass die Intensität des Interferenzsignals (6) in Abhängigkeit von der jeweiligen Wegstreckendifferenz der Referenzstrahlung (3) und der Pumpstrahlung (2) bzw. der Terahertz-Strahlung (4) ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die optische Wegstrecke der Reststrahlung (3) geändert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Reststrahlung (3) und die Mischstrahlung (5) unter einem Winkel räumlich überlagert werden, sodass ein räumliches Interferenzmuster entsteht, aus welchem die Phasenlage der Terahertz-Strahlung (4) in Schritt h. frequenzabhängig bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mischstrahlung (5) und die Reststrahlung 3b auf ein diffraktives Element (15b) gelenkt werden, sodass von einem Detektionssensor (16) ein frequenzaufgelöstes Interferenzmuster erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mischstrahlung (5) vor der Detektion durch eine Detektionseinrichtung (16) gefiltert wird, wobei ein Anteil der Peakstrahlung (3a) an der Mischstrahlung (5) aus der Mischstrahlung (5) herausgefiltert wird, sodass der Anteil der Peakstrahlung (3a) an der Mischstrahlung (5) nicht zu der Detektionseinrichtung (16) gelangt.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Terahertz-Mittenfrequenz in einem Bereich von 100 GHz bis 10 THz liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Terahertz-Strahlung (4) mittels einer photoleitenden Antenne (13) oder mittels eines nichtlinearen optischen Kristalls aus der Pumpstrahlung (2) erzeugt wird.
Vorrichtung (10) zur phasensensitiven Detektion elektromagnetischer Terahertz-Strahlung (4) aufweisend eine elektromagnetische Strahlungsquelle (11), wobei die elektromagnetische Strahlungsquelle (11) derart eingerichtet ist, dass während dem Betrieb der Vorrichtung (10) mit der elektromagnetischen Strahlungsquelle (11) eine elektromagnetische Basisstrahlung (1) mit einer Basis-Mittenfrequenz und einer Basis-Frequenzbandbreite erzeugt wird, einen ersten Strahlteiler (12), wobei der erste Strahlteiler (12) derart eingerichtet ist, dass während dem Betrieb der Vorrichtung (10) die elektromagnetische Basisstrahlung (1) in eine Pumpstrahlung (2) und eine Referenzstrahlung (3) aufgeteilt wird, eine Terahertz-Strahlungsquelle (13), die derart eingerichtet ist, dass während dem Betrieb der Vorrichtung (10) die elektromagnetische Terahertz-Strahlung (4) mit einer von der Basis-Mittenfrequenz verschiedenen Terahertz-Mittenfrequenz mittels der Pumpstrahlung (2) erzeugt wird, einen zweiten Strahlteiler (14), wobei der zweite Strahlteiler (14) derart eingerichtet ist, dass in dem Betrieb der Vorrichtung (10) mit dem zweiten Strahlteiler (14) die Referenzstrahlung (3) in eine Peakstrahlung (3a) mit einer Peakmittenfrequenz und in eine Reststrahlung (3b) aufgeteilt wird, wobei die Reststrahlung (3b) zumindest eine Frequenz aus einem Nebenband um eine Nebenbandmittenfrequenz abdeckt, wobei die Nebenbandmittenfrequenz gleich der Peakmittenfrequenz minus oder plus der Terahertz-Mittenfrequenz ist, eine Überlagerungsvorrichtung (15a, 15b), die derart eingerichtet ist, dass in dem Betrieb der Vorrichtung (10) die Peakstrahlung (3a) mit der Terahertz-Strahlung (4) überlagert wird, so dass eine Mischstrahlung (5) mit zumindest einem Nebenband (7a, 7b) gebildet wird, wobei die Überlagerungsvorrichtung (15a, 15b) weiterhin derart eingerichtet ist, dass während dem Betrieb der Vorrichtung (10) weiter ein Interferenzsignal (6) durch räumliches Überlagern der Mischstrahlung (5) mit der Reststrahlung (3b) gebildet wird, sodass eine Intensität des zumindest einen Nebenbandes (7a, 7b) von einer Phasenlage der Terahertz-Strahlung (4) bei der Bildung der Mischstrahlung (5) abhängt, eine Detektionseinrichtung (16), die derart eingerichtet und angeordnet ist, dass mit der Detektionseinrichtung (16) während dem Betrieb der Vorrichtung (10) die Intensität des Interferenzsignals (6) erfassbar ist, und eine Auswerteeinrichtung, die derart eingerichtet und mit der Detektionseinrichtung (16) verbunden ist, dass während dem Betrieb der Vorrichtung (10) eine Phasenlage der Terahertz-Strahlung (4) anhand der von der Detektionseinrichtung (16) erfassten Intensität des Interferenzsignals (6) anhand der Intensität des zumindest einen Nebenbandes (7a, 7b) ausgewertet wird.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 14, wobei die Vorrichtung (10) weiterhin eine Verzögerungseinrichtung (17a, 17b) aufweist, die derart eingerichtet und in einem Strahlengang der Referenzstrahlung (3) oder der Reststrahlung und/ oder der Pumpstrahlung (2) angeordnet ist, dass mit der Verzögerungseinrichtung (17a, 17b) während dem Betrieb der Vorrichtung (10) eine optische Wegstrecke der Referenzstrahlung (3) relativ zu einer optischen Wegstrecke der Pumpstrahlung (2) verändert wird.