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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen das Senden und Erkennen
von elektromagnetischen Impulsen und insbesondere Sendeempfänger zur
Verwendung im Terahertz(THz)-Frequenzbereich.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
Verwendung von elektrooptischen Kristallen und photoleitfähigen Dipolantennen
war in der Terahertz(THz)-Zeitbereichsspektroskopie und verwandten
Abbildungsanwendungen weit verbreitet. Zum Beispiel offenbart das
US-Patent Nr. 5,952,818, erteilt an Zhang et al., eine elektrooptische
Erkennungseinrichtung und ein Verfahren zum Charakterisieren von
elektromagnetischer Freiraumstrahlung, die für zweidimensionale Ferninfrarot-Echtzeit-Abbildungsanwendungen
geeignet ist. Gepulste elektromagnetische Terahertzstrahlung beleuchtet
den elektrooptischen Kristall, wobei sie über den Pockels-Effekt den
Brechungsindex moduliert. Ein optischer Femtosekundenimpuls ertastet
die feldinduzierte Änderung
des Brechungsindexes durch Passieren des Kristalls. Um die feldinduzierte
Elliptizitätsmodulation in
dem Sondenimpuls in eine Intensitätsmodulation umzuwandeln, wird
der Sondenimpuls durch einen Kompensator und Polarisator analysiert
und von einem Photodetektor erkannt.
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Das
US-Patent Nr. 5,789,750, erteilt an Nuss, bespricht die Verwendung
einer photoleitfähigen
Dipolantennenstruktur, die entweder als ein Terahertzsender oder
als ein Terahertzdetektor verwendbar ist. Das US-Patent Nr. 6,078,047,
erteilt an Mittleman et al., offenbart ein Verfahren und eine Einrichtung
zur tomographischen Terahertzabbildung, wobei die Einrichtung einen
photoleitfähigen
Terahertzsender, der eine Terahertzstrahlung zum Beleuchten eines
Testobjekts erzeugt, und einen separaten photoleitfähigen Terahertzdetektor
zum Erkennen von durch das Objekt reflektierten Impulsen umfasst.
Die Messung der relativen Zeitverzögerungen der durch das Objekt
reflektierten Impulse wird verwendet, um die Positionen von dielektrischen
Grenzflächen
in dem Objekt zu bestimmen.
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Bei
der Standardeinrichtung, die für
die THz-Zeitbereichsspektroskopie, wie in den vorstehenden Patenten
und an anderen Stellen auf dem Fachgebiet beschrieben, verwendet
wird, werden jedoch ein separater Sender und Empfänger für das Senden
und Erkennen des THz-Signals verwendet. Da das Erkennen das umgekehrte
Verfahren zum Senden ist, können
der Sender und der Empfänger identische
Vorrichtungen sein. Trotz der durch Verwendung einer einzelnen Vorrichtung
sowohl als Sender als auch als Empfänger (ein "Sendeempfänger") zu erreichenden Vorteile waren Terahertz-Sendeempfänger zuvor
nicht bekannt und wurden auf dem Fachgebiet nicht verwendet, und
zwar in erster Linie auf Grund von empfundenen technischen Hindernissen
und der inhärenten
Komplexität,
wie zum Beispiel der Schwierigkeit, einen annehmbaren Störabstand
vorzusehen.
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Ein
System und ein Verfahren zum Senden und Erkennen von elektromagnetischen
Terahertzfrequenzimpulsen unter Verwendung einer einzelnen Sendeempfängervorrichtung
sind von Wu Q und Zhang X C bekannt: "Design and Characterization of Traveling-Wave
Electrooptic Terahertz Sensors"; IEEE
Journal of Selected Topics in Quantum Electronics (Band 2, Nr. 3,
September 1996).
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zum
Senden und Erkennen von elektromagnetischen Terahertzfrequenzimpulsen
gemäß den beigefügten Ansprüchen. Die
vorliegende Erfindung weist ein System zum Senden und Erkennen von
elektromagnetischen Terahertzfrequenzimpulsen auf. Das System hat
eine einzelne Sendeempfängervorrichtung
sowohl zum Senden als auch zum Erkennen der Impulse. Insbesondere
kann die Vorrichtung ein elektrooptischer Kristall oder eine photoleitfähige Antenne
sein.
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Das
System weist ferner eine optische Quelle und verwandte Optik zum
Bereitstellen einer Vielzahl von Pumpimpulsen auf, um den Sendeempfänger zu
erregen, um eine entsprechende Vielzahl von Terahertzausgangsimpulsen
und eine Vielzahl von Sondenimpulsen zu senden. Ein Zerhacker moduliert die
Terahertzausgangsimpulse mit einer ersten Frequenz. Ein Objekt wird
durch die modulierten Terahertzausgangsimpulse beleuchtet und reflektiert
die Vielzahl von modulierten Terahertzausgangsimpulsen. Die Sondenimpulse
werden zeitlich so gesteuert, dass sie den Sendeempfänger gleichzeitig
mit einer entsprechenden Vielzahl von reflektierten Terahertzimpulsen
beleuchten. Ein Lock-In-Verstärker, dessen
Referenzeingang mit dem Taktausgang des Zerhackers verbunden ist,
empfängt
eine Vielzahl von elektrischen Signalen, die Informationen proportional
zu den entsprechenden reflektierten Terahertzimpulsen übermitteln,
die von dem Sendeempfänger erkannt
werden. Die Verwendung des synchronisierten Zerhackers und Lock-In-Verstärkers ermöglichen es
dem Lock-In-Verstärker,
das Rauschen in den Signalen zu verringern.
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In
einer Ausführungsform
kann ein elektrooptischer Miniaturkristall am Ende einer Glasfaser angebracht
sein. Der elektrooptische Miniaturkristall kann zum Beispiel ein
Volumen von weniger als etwa 1 mm3 aufweisen.
Die Glasfaser kann eine Glasfaser mit beibehaltener Polarisation
sein.
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Die
Erfindung weist auch ein Verfahren zum Senden und Erkennen von elektromagnetischen Terahertzfrequenzimpulsen
auf. Das Verfahren schließt
den Schritt des Sendens und Erkennens der elektromagnetischen Terahertzfrequenzimpulse
mit einer einzelnen Sendeempfängervorrichtung
ein. Das Verfahren schließt
ferner das Erregen der Sendeempfängervorrichtung
mit einem Pumpimpuls, um einen ersten Terahertzfrequenzausgangsimpuls
zu senden, ein. Der Terahertzfrequenzausgangsimpuls wird mit einem
Zerhacker moduliert, der auf eine erste Frequenz eingestellt ist.
Ein Objekt wird mit dem modulierten Terahertzfrequenzausgangsimpuls
beleuchtet, wobei das Objekt einen reflektierten Terahertzimpuls
reflektiert. Eine Sendeempfängervorrichtung
wird mit dem reflektierten Terahertzimpuls beleuchtet, während gleichzeitig
ein Sondenimpuls die Sendeempfängervorrichtung
beleuchtet, so dass die Sendeempfängervorrichtung ein erstes
Signal erzeugt, das Informationen von dem reflektierten Terahertzimpuls übermittelt.
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Wenn
die Sendeempfängervorrichtung
ein elektrooptischer Kristall ist, moduliert der Terahertzimpuls
den Sondenimpuls in dem elektrooptischen Kristall und der elektrooptische
Kristall reflektiert den modulierten Sondenimpuls von einer Rückfläche des elektrooptischen
Kristalls. Das erste Signal weist den reflektierten, modulierten
Sondenimpuls auf. In einem derartigen Fall weist das Verfahren ferner
das Erkennen des reflektierten, modulierten Sondenimpulses mit einem
Photodetektor, das Umwandeln der Informationen in ein zweites Signal
und das Reduzieren des Rauschens in dem zweiten Signal mit einem Lock-In-Verstärker, um
ein drittes, rauschreduziertes Signal zu erzeugen, auf.
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Wenn
die Sendeempfängervorrichtung
eine photoleitfähige
Antenne ist, kann das Verfahren das Erzeugen eines Stroms in der
Antenne, der das erste Signal aufweist, durch den Terahertzimpuls
und den Sondenimpuls einschließen.
Das Verfahren schließt ferner
das Reduzieren von Rauschen in dem ersten Signal mit einem Lock-In-Verstärker ein,
um ein zweites, rauschreduziertes Signal zu erzeugen.
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Das
Objekt kann eine Vielzahl von Schichten aufweisen, wobei jede Schicht
einen anderen Abstand von dem Sendeempfänger aufweist. Das Verfahren
kann ferner das Erzeugen einer Vielzahl von Pumpimpulsen, Sondenimpulsen
und Terahertzimpulsen aufweisen, so dass das Objekt eine Vielzahl von
entsprechenden reflektierten Terahertzimpulsen reflektiert, wobei
jeder Impuls eine Spitzenamplitudenintensität und eine Spitzenamplitudenzeitsteuerung aufweist,
die dem Abstand der Schicht, die den Impuls reflektiert hat, von
dem Sendeempfänger
entspricht. Ein tomographisches Bild des Objekts kann dann unter
Verwendung der Spitzenamplitudenintensität oder der Spitzenamplitudenzeitsteuerung
erzeugt werden.
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Es
versteht sich, dass sowohl die vorstehende allgemeine Beschreibung
als auch die folgende ausführliche
Beschreibung beispielhaft für
die Erfindung sind, sie aber nicht einschränken.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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Die
Erfindung wird durch die folgende ausführliche Beschreibung am besten
verstanden, wenn sie im Zusammenhang mit der beigefügten Zeichnung
gelesen wird. Es wird betont, dass nach üblicher Praxis die verschiedenen
Merkmale der Zeichnung nicht maßstabsgerecht
sind. Im Gegenteil sind die Abmessungen der verschiedenen Merkmale
zur Verdeutlichung beliebig vergrößert oder verkleinert. Die
folgenden Figuren gehören
zu den Zeichnungen:
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1 ist
eine schematische Veranschaulichung eines beispielhaften Aufbaus,
der einen elektrooptischen Kristall-Sendeempfänger enthält;
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2 ist
ein Diagramm von beispielhaften Wellenformen, die unter Verwendung
des Aufbaus aus 1 erzeugt wurden;
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3 zeigt
eine teilweise schematische Veranschaulichung einer beispielhaften
Rauschreduzierungseinrichtung für
eine Ausführungsform
eines elektrooptischen Kristall-Sendeempfängers;
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4 ist
eine schematische Veranschaulichung eines beispielhaften Aufbaus,
der einen Sendeempfänger
mit photoleitfähiger
Antenne enthält;
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5 ist
ein Diagramm einer beispielhaften gemessenen zeitlichen Wellenform
unter Verwendung des Aufbaus aus 4;
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6 ist
eine Veranschaulichung einer im Stand der Technik bekannten Rasierklinge;
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7 ist
eine Veranschaulichung eines Diagramms der THz-Wellenformen, die
von verschiedenen Schichten der Rasierklinge aus 6 reflektiert wurden;
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8 ist
ein tomographisches Bild der Rasierklinge aus 6,
das unter Verwendung einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung erzeugt wurde, wobei der Graupegel auf der z-Achse die
Zeitsteuerung der Spitzenamplitude in Picosekunden darstellt und
die Einheiten der x-Achse und der y-Achse Zentimeter sind;
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9 ist
ein Bild der Rasierklinge aus 6, das unter
Verwendung einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung erzeugt wurde, wobei der Graupegel auf der z-Achse die Spitzenamplitudenintensität darstellt
und die Einheiten der x-Achse und der y-Achse Zentimeter sind;
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10A ist ein Bild eines amerikanischen Vierteldollars,
das unter Verwendung einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung erzeugt wurde, wobei der Graupegel die Zeitsteuerung der
Spitzenamplitude darstellt;
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10B ist ein Bild eines britischen Fünfzig-Cent-Stücks, das
unter Verwendung einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung erzeugt wurde, wobei der Graupegel die Zeitsteuerung der
Spitzenamplitude darstellt;
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11A ist ein Bild eines amerikanischen Vierteldollars,
das unter Verwendung einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung erzeugt wurde, wobei der Graupegel die Spitzenamplitude
innerhalb eines bestimmten Zeitfensters darstellt;
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11B ist ein Bild eines britischen Fünfzig-Cent-Stücks, das
unter Verwendung einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung erzeugt wurde, wobei der Graupegel die Spitzenamplitude
innerhalb eines bestimmten Zeitfensters darstellt; und
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12 veranschaulicht
einen beispielhaften Glasfaser-THz-Sendeempfänger.
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GENAUE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Im
Gegensatz zum herkömmlichen
Aufbau, bei dem der THz-Sender und -Empfänger räumlich und funktionell separate
Vorrichtungen sind, kombiniert der THz-Sendeempfänger der vorliegenden Erfindung
zwei Funktionen in einer Vorrichtung. Der THz-Sendeempfänger überträgt abwechselnd
gepulste elektromagnetische Strahlung mit einer THz-Frequenz und
empfängt
das reflektierte Signal. Der THz-Sendeempfänger kann einen elektrooptischen
Kristall oder eine photoleitfähige
Antenne aufweisen. Für
einen Sendeempfänger
mit elektrooptischem Kristall wird die elektromagnetische Strahlung optisch
entzerrt und das reflektierte optische Signal wird unter Verwendung
der Femtosekundenoptik über
die elektrooptische Wirkung von dem Kristall empfangen. Sowohl in
der Ausführungsform
mit elektrooptischem Kristall als auch in derjenigen mit photoleitfähiger Antenne
wird die Komplexität
des Systems durch Verwendung nur eines einzigen Sendeempfängers an
Stelle von separatem Sender und Empfänger erheblich verringert.
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Ein
Leistungsvergleich der Ausführungsform mit
photoleitfähigem
Sendeempfänger
und der Ausführungsform
mit elektrooptischem Sendeempfänger ist ähnlich wie
jeder Vergleich eines photoleitfähigen Verfahrens
mit einem elektrooptischen Verfahren unter Verwendung von separaten
THz-Sendern und -Detektoren. Elektrooptische Sendeempfänger benötigen typischerweise
eine größere optische
Leistung als photoleitfähige
Antennen, haben jedoch bei einer Niederfrequenz einen geringeren
Störabstand.
Elektrooptische Sendeempfänger
haben typischerweise eine größere Bandbreite
als eine photoleitfähige
Antenne und bieten Potential für
einen kleineren Sendeempfänger,
teilweise, weil Ausführungsformen
mit einem elektrooptischen Kristall nicht die Menge an Verdrahtung
und Einkapselung bzw. Gehäuse
aufweisen, die für
Ausführungsformen
mit photoleitfähiger Antenne
typisch ist. Wie in 12 gezeigt ist, kann ein elektrooptischer
Miniaturkristall-Sendeempfänger 700,
zum Beispiel mit einem Volumen von weniger als etwa 1 mm3, am Ende einer Glasfaser 702 mit
beibehaltener Polarisation angebracht sein, was einen echten Glasfaser-THz-Sendeempfänger darstellt.
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Konfigurationen
zur Verwendung von THz-Sendeempfängern
sind weniger komplex als herkömmliche
THz-Systeme unter Verwendung von zwei Antennen oder Kristallen und
zwei Parabolspiegeln. Durch einen einzelnen Sendeempfänger wird auch
die Ausrichtung der Optik vereinfacht. THz-Sendeempfänger können einzigartige
Anwendungen bei THz-Entfernungsmessungen
und beim THz-Abtasten finden, und sie können insbesondere für THz-Abbildungen
und -Tomographie in Reflexionskonfigurationen ideal sein. Zusammen
mit der Verwendung von extrem schnellen faseroptischen Laser- und
Glasfaserverbindungen können
THz-Sendeempfänger
dazu beitragen, die Abmessungen von THz-Spektroskopie- und -Abbildungssystemen
zu verringern.
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Ausführungsformen
des THz-Sendeempfängers
der vorliegenden Erfindung mit elektrooptischem Kristall und photoleitfähiger Antenne
werden nachstehend ausführlicher
besprochen. Es wird auch eine beispielhafte Tomographie-Anwendung
für einen
elektrooptischen Kristall-Sendeempfänger besprochen.
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A. Elektrooptischer Kristall-Sendeempfänger
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1 zeigt
einen beispielhaften Aufbau zur Demonstration der Funktionalität eines
elektrooptischen Kristall-Sendeempfängers. Ein Laser 10 erzeugt
einen optischen Impuls, der zunächst
entlang eines Pfads 11 zu einem Polarisator 12 wandert.
Der Polarisator 12 ist optional. Der polarisierte Impuls
bewegt sich entlang eines Pfads 11a und trifft auf einen Strahlenteiler 13a,
der einen Teil des Impulses als einen Pumpimpuls entlang eines Pfads 11b überträgt und einen
Teil des Impulses als einen Sondenimpuls entlang eines Pfads 11c reflektiert.
Der Sondenimpuls, der entlang des Pfads 11c wandert, prallt
von einem Spiegel 13b, dann von den Spiegeln 13c und 13d in
dem beweglichen Tisch 15 ab, und dann prallt er von den
Strahlenteilern 13e und 13f ab. Der bewegliche
Tisch 15 ist entlang des Pfeils A vorwärts und rückwärts beweglich. Der Verzögerungstisch 14, von
dem der bewegliche Tisch 15 ein Bestandteil ist, sieht
somit eine variable Verzögerung
zwischen einem Pumpimpuls 16 und einem Sondenimpuls 17 vor.
Techniker bezeichnen den Verzögerungstisch 14 häufig als
ein Michelson-Interferometer.
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Der
Pumpimpuls 16 beleuchtet zunächst einen elektrooptischen
(EO) Kristall 18, der über
eine optische Entzerrung einen THz-Impuls 19 erzeugt. Ein
mechanischer Zerhacker 22 moduliert den THz-Impuls 19.
Der THz-Impuls 19 wird durch einen oder mehrere Parabolspiegel 20a und 20b parallel gerichtet
und von einer Probe 21 reflektiert (wie durch Pfeil B gezeigt).
Der Sondenimpuls 17 tastet das reflektierte THz-Signal über die
elektrooptische Wirkung in dem EO-Kristall 18 ab, wobei
die Phase des Sondenimpulses durch den reflektierten THz-Impuls moduliert
wird. Der Sondenimpuls wird dann von einer Rückfläche 24 des EO-Kristalls 18 reflektiert,
und er wird von einem Strahlenteiler 13f reflektiert, durch einen
Strahlenteiler 13e übertragen
und von einem Spiegel 13g durch einen optischen Analysator
(Polarisator) 25 reflektiert und von einem Photodetektor 26 erkannt.
Der Polarisator 25 überführt die
Phasenänderung
in dem Sondenimpuls, die durch den reflektierten Terahertzimpuls
induziert wurde, in eine Intensitätsänderung, die von dem Photodetektor 26 erkannt
werden kann. Der Lock-In-Verstärker 23,
dessen Referenzeingang (nicht gezeigt) mit dem Taktausgang (nicht
gezeigt) des Zerhackers 22 so verbunden ist, dass dessen
Frequenz automatisch mit der Frequenz des Zerhackers verriegelt
ist, extrahiert das gewünschte
Signal aus dem Hintergrundrauschen.
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Eine
Datenverarbeitung 80, wie ein Computer, der eine Datenverarbeitungssoftware
enthält, kann
irgendeine einzelne Einheit oder mehrere Verarbeitungseinheiten
aufweisen, die das Ausgangsignal von dem Lock-In-Verstärker 23 verarbeiten,
speichern oder sowohl verarbeiten als auch speichern. Die Datenverarbeitung 80 kann
zum Beispiel ein Bild der Probe 21 basierend auf der Intensität oder Zeitverzögerung der
reflektierten Terahertzimpulse erzeugen. Diese Funktion wird nachstehend
weiter besprochen.
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Die
Anzahl an Spiegeln 13a–g
und 20a, b kann nach Wunsch so geändert werden, dass den physikalischen
Bedürfnissen
des besonderen gewünschten
Aufbaus entsprochen wird. Zum Beispiel kann nur ein einzelner Spiegel 20a zur
Kollimation verwendet werden, wobei die Probe 21 in der
Position platziert wird, wo der Spiegel 20b in 1 gezeigt ist.
In einer anderen Ausführungsform
kann auch überhaupt
kein Spiegel verwendet werden. Es kann auch an Stelle der Verwendung
eines Michelson-Interferometers durch irgendein anderes auf dem Fachgebiet
bekanntes Verfahren ein Sondenimpuls 17 erzeugt werden,
um einen Sondenimpuls, der mit dem Pumpimpuls 16 synchronisiert
ist, zur Verfügung zu
stellen.
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In
einer beispielhaften Ausführungsform
wurde ein rückkopplungsverstärkter Ti-Saphir-Laser
(wie ein Coherent Rega 9000) mit einer Impulsdauer von 800 nm, 180
fs, und einer Grundfrequenz von 250 kHz verwendet, um die Impulse
zu erzeugen. Der elektrooptische Kristall 18 war ein 4,5
mm dicker ausgerichteter <110> ZnTe-Kristall. Die
durchschnittliche Leistung des Pumpimpulses 16 und des
Sondenimpulses 17 betrug etwa 105 mW, und der Zerhacker 22 modulierte
den Terahertzimpuls bei 450 Hz. Die relativ niedrige Modulationsfrequenz
wurde durch die Verwendung einer Zerhackerlamelle mit relativ breitem
Schlitz (zum Beispiel etwa 2 cm) vorgesehen, um zu der relativ großen Größe des THz-Impulses
zu passen. Der Lock-In-Verstärker 23 hatte
eine Integrationszeit von 300 ms.
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Die
Polarisationsrichtung des optischen Sondenimpulses war parallel
zu derjenigen des optischen Pumpimpulses, und der optische Polarisator 25 (Analysator)
war senkrecht zu der Polarisation ausgerichtet, die von dem Eingangspolarisator 12 zur Verfügung gestellt
wurde, um den Pumpimpuls besser zu sperren und eine Querausgleichserkennung des
Sondenimpulses zu ermöglichen.
Die optimale Ausrichtung der Pumpimpulspolarisation (wie durch eine
theoretische Berechnung hervorgesagt) betrug vorzugsweise etwa 25,7° gegen den
Uhrzeigersinn von der (001) z-Achse des (110) ZnTe-Kristalls, und die
Polarisation des erzeugten THz-Felds betrug etwa 77° gegen den
Uhrzeigersinn von der z-Achse. Es können auch andere Ausrichtungen
verwendet werden.
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2 zeigt
einen Satz von Wellenformen, die unter Verwendung eines Metallspiegels
als Probe 21 gemessen wurden, der entlang der THz-Ausbreitungsrichtung
in Richtung des Pfeils C in 1-mm-Schritten bewegt wurde (6,6 ps
Umlaufzeit). Die ersten Signale 27a–e, die in 2 gezeigt
sind, sind die THz-Reflexionen von der metallischen Zerhackerlamelle,
die so eingestellt wurde, dass sie im Wesentlichen senkrecht zur
Ausbreitungsrichtung des THz-Impulses
war. Die Zeitpositionen der ersten Signale 27a–e sind
daher fest. Die zweiten Signale 28a–e sind die reflektierten THz-Signale
von dem Metallspiegel. Die Positionen der zweiten Signale verschieben
sich mit der Position des Spiegels.
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Die
Zeitverzögerung
zwischen zwei THz-Signalen ist die Umlaufzeit eines THz-Impulses,
der zwischen dem Zerhacker und dem Metallspiegel wandert. Die Reflexion
von der Zerhackerlamelle dient automatisch als ein Referenzmarker
für die
Systemeichung. Es gibt einen n-Phasenunterschied zwischen den Phasen
der reflektierten Signale von dem Zerhacker und von dem Metallspiegel
nach dem Zerhacker, der sich aus dem Phasenunterschied zwischen
den THz-Impulsen ergibt, die von dem Zerhacker gesendet und reflektiert
werden. Daher zeigen diese beiden Signale, die mit dem Lock-In-Verstärker gemessen
wurden, entgegengesetzte Polaritäten. Die
Zeitverzögerungen
zwischen zweiten Signalen 28a–e und ersten Signalen 27a–e in 2 zeigen
die Eignung der vorliegenden Erfindung für Tomographie.
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Vorausgesetzt,
es gibt eine Querausgleichserkennung mit der parallelen optischen
Pump- und Sondenpolarisation, dann beträgt die Gesamteffizienz des
elektrooptischen THz-Sendeempfängers etwa
50% weniger als bei einem Sender und Empfänger, die separat verwendet
werden. Sowohl die theoretischen Berechnungen als auch die Versuchsergebnisse
zeigen, dass der Betrieb mit einem Pump-:Sondenleistungsverhältnis von
1:1 optimal ist. Die in 2 gezeigten Ergebnisse zeigen
einen Spitzen-Spitzen-Strom für
das THz-Signal von etwa 1,8 nA und einen Störpegel von etwa 6,8 pA, was
einen Dynamikbereich von etwa 270 liefert. Der Dynamikbereich kann
je nach der Zerhackermodulationsfrequenz und der Genauigkeit der
Impulsausrichtung schwanken. Zum Beispiel können höhere Modulationsfrequenzen
einen größeren Dynamikbereich
vorsehen als niedrigere Modulationsfrequenzen.
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Da
die Pump- und Sondenimpulse kollinear sind, hat der elektrooptische
Sendeempfänger
einen optischen Hintergrund auf Grund des Vorliegens des reflektierten
Pumplaserimpulses. Obwohl ein großer optischer Hintergrund,
der dem Sondenimpuls zugefügt
wird, die Systemleistung beeinflussen kann, wie zum Beispiel durch
Verringern des Störabstands, sind
mehrere Verfahren verfügbar,
um die Auswirkung des optischen Hintergrunds zu mildern oder zu eliminieren.
Ein Verfahren besteht darin, die verschiedene Zeitsteuerung des
Pumpimpulses 16 und des Sondenimpulses 17 zu verwenden,
um den Pumpimpulshintergrund zu unterscheiden. Zum Beispiel kann,
wie in 3 gezeigt, eine Linse vor einem Kristall 34 positioniert
werden, wie beta-Bariumborat (BBO). Ein Steuerimpuls 30 wird
verwendet, um ein zweites harmonisches Signal 32 ohne Hintergrund
zu erzeugen, wobei der Sondenimpuls von dem Sendeempfänger reflektiert
wird. Die Kombination der Linse 31 und des Kristalls 34 kann
in dem in 1 gezeigten Aufbau zwischen
dem Polarisator 25 und dem Photodetektor 26 platziert
werden. Das zweite harmonische Signal übermittelt die Sondenimpulsmodulation
durch das THz-Feld ohne Vorliegen des Pumpimpulshintergrunds. Diese
Konfiguration kann den Rauschpegel des Laserrauschens jedoch erhöhen, da
das Laserrauschen während
der Erzeugung des zweiten harmonischen Signals verstärkt wird.
Daher ist dieses Verfahren für
ein System mit einer sehr leisen Laserquelle geeignet.
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B. Photoleitfähiger Antennen-Sendeempfänger
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4 zeigt
einen Teil eines beispielhaften Aufbaus, um die Funktionalität einer
photoleitfähigen Antenne
als Sendeempfänger
zu zeigen. Die Teile der Laserquelle und des Verzögerungstisches
sind ähnlich
denjenigen des Aufbaus, der in 1 gezeigt ist
und sie werden somit in 4 nicht wiederholt. 4 zeigt,
wo das Paar von synchronisierten optischen Impulsen – Pumpimpuls 16 und
Sondenimpuls 17 – eine
photoleitfähige
Dipolantenne 40 beleuchtet. Die Dipolantenne 40 ist
mit einer Stromquelle vorgespannt (nicht gezeigt, typischerweise
eine DC-Quelle, wie eine Batterie) und an einer Linse 42 befestigt.
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Der
Pumpimpuls 16 startet den THz-Impuls 19 durch
Erregen der Dipolantenne 40. Der THz-Impuls 19 wird durch den Parabolspiegel 20a parallel gerichtet
und von der Probe 21 reflektiert. Um die Interferenz des
durch den Pumpimpuls induzierten Photostroms zu isolieren, moduliert
der mechanische Zerhacker 22 den THz-Impuls. Der Sondenimpuls 17 tastet
das reflektierte THz-Signal unter Verwendung einer Dipolantenne 40 ab.
Das gleichzeitige Ankommen des reflektierten THz-Signals und des
Sondenimpulses 17 bei der Dipolantenne 40 induziert
einen Strom zwischen den Elektroden (nicht gezeigt) der Antenne,
der proportional zu dem elektrischen THz-Feld ist. Der Lock-In-Verstärker 23 erkennt
diesen Strom. Elektronik stromabwärts des Lock-In-Verstärkers 23 (zum
Beispiel ein Photodetektor 80, wie in 1 gezeigt)
kann bei einem photoleitfähigen
Antennen-Sendeempfängersystem
gleich sein wie bei einem elektrooptischen Kristall-Sendeempfängersystem.
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Da
sowohl der Pumpimpuls 16 als auch der Sondenimpuls 17 den
gleichen Photoleiter beleuchten, induzieren sie Strom auf die gleiche
Weise. Es wird jedoch nur der Strom, der dem Sondenimpuls 17 zugeordnet
ist, von dem THz-Impuls 19 moduliert. Der der Stromquelle
zugeordnete Photostrom (typischerweise ein DC-Feld) wird nicht moduliert,
und der Lock-In-Verstärker 23 kann
ihn daher herausfiltern, so dass das Signal extrahiert werden kann.
Der Pumpimpuls 16 und der Sondenimpuls 17 sind
typischerweise bis auf ihre relative Zeitsteuerung identisch. Der
Impuls, der früher
erzeugt wird, dient als der Pumpimpuls.
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In
einer beispielhaften Ausführungsform
wurde ein Ti:Saphir-Laser (Coherent Mira) mit einer Schwerpunktwellenlänge von
800 nm, Laserimpulsen von 120 fs und einer Grundfrequenz von 86
MHz als die optische Quelle verwendet, und die durchschnittliche
Leistung für
den Pump- und den Sondenimpuls betrug 20 mW. Die Antenne 40 war
ein "Low Temperature
Grown GaAs" (bei
niedrigen Temperaturen gewachsene GaAs-Schichten), 50 μm lang, vorgespannt
mit einer 9V-Batterie und an einer Siliciumlinse 42 befestigt.
Der Zerhacker 22 modulierte den THz-Impuls bei 453 Hz,
und die Probe 21 war ein Metallspiegel. Die gemessene THz-Wellenform
hatte einen Störabstand
(SNR) von etwa 200.
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5 zeigt
ein Diagramm von einer beispielhaften gemessenen zeitlichen Wellenform
des von dem in 4 gezeigten System erzeugten
THz-Signals. Ein erstes Signal 120 ist die THz-Reflexion
von der metallischen Zerhackerlamelle, wobei die Zerhackerlamelle
im Wesentlichen senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung des THz-Impulses
eingestellt ist. Ein zweites Signal 122 ist das THz-Signal,
das durch den Zerhacker übertragen
und von dem Metallspiegel reflektiert wird. Wie in 5 gezeigt,
besteht ein n-Phasenunterschied zwischen dem ersten und dem zweiten
Signal, gemessen mit dem Lock-In-Verstärker 23, was zu entgegengesetzten
Polaritäten
führt. Die
Zeitverzögerung τ zwischen
zwei THz-Signalen ist die Umlaufzeit eines THz-Impulses, der zwischen dem
Zerhacker 22 und der Metallspiegelprobe 21 wandert.
Die Reflexion von der Zerhackerlamelle dient automatisch als ein
Referenzmarker für
die Systemeichung.
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Der
Photostrom, der von dem Pumpimpuls, dem Sondenimpuls und der Vorspannung
erzeugt wird, trägt
zu dem Rauschen in dem in 5 gezeigten
System bei. Der Störabstand
kann zumindest teilweise von dem Filterkreis und den Betriebsbedingungen
abhängen,
wie zum Beispiel der Zerhackermodulationsfrequenz. Das Erhöhen der
Modulationsfrequenz, zum Beispiel auf 2–3 kHz, kann einen besseren
Störabstand
bieten, da die Rauschdichte bei höheren Frequenzen abnimmt.
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C. Tomographische Abbildung
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THz-Sendeempfänger ermöglichen
eine tomographische THz-Abbildung in einer Reflexionsgeometrie,
in der THz-Impulse von verschiedenen Schichten von Metallobjekten
reflektiert werden. Die Zeitverzögerung
dieser Impulse wird verwendet, um ein tomographisches Bild zu erstellen.
Die Datenverarbeitung 80, wie in 1 gezeigt,
die Signale von dem Lock-In-Verstärker 23 empfängt, wird
verwendet, um die tomographischen Bilder von abgebildeten Objekten
basierend auf den zeitverzögerten
Terahertzsignalen zu erzeugen. Datenverarbeitungsanlagen, wie Computer
mit entsprechender Software, zur Herstellung von tomographischen
Bildern basierend auf Zeitverzögerungen
bei elektromagnetischen Impulsen sind auf dem Fachgebiet allgemein
bekannt, und die Datenverarbeitung 80 kann eine derartige
bekannte Vorrichtung sein.
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Wie
oben besprochen, wird die Arbeitseffizienz eines elektrooptischen
Sendeempfängers,
der durch einen (110) Zinkblendenkristall aufgebaut ist, optimiert,
wenn die Pumpimpulspolarisation etwa 25°–26° gegen den Uhrzeigersinn von
der kristallographischen z-Achse des Kristalls liegt. Der in 1 gezeigte
Aufbau kann für
ein tomographisches THz-Abbildungssystem
mit einem elektrooptischen Sendeempfänger verwendet werden. Die
Verwendung eines Sendeempfängers
gemäß dem Verfahren der
vorliegenden Erfindung ermöglicht,
eher als ein separater Sender und Empfänger, ein normales Auftreten
des THz-Impulses
auf der Probe.
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Die
tomographische THz-Abbildung unter Verwendung des elektrooptischen
Sendeempfängers wurde
durch das Abbilden einer Rasierklinge 60, wie in 6 veranschaulicht,
die auf einen Metallspiegel 61 geklebt worden war, gezeigt,
wobei die Kombination aus Rasierklinge und Spiegel für die Probe 21 in dem
in 1 gezeigten Aufbau verwendet wurde. 7 zeigt
die THz-Wellenformen, die von den drei verschiedenen Reflexionsmetallschichten
in der Probe reflektiert wurden: eine Spitze 72 von dem
Metallgriff 62 des Rasiermessers 60, eine Spitze 74 von
der Rasierklingenoberfläche 64 und
eine Spitze 76 von dem darunter liegenden Metallspiegel 61,
wie er durch die Löcher 66 oder 68 in
der Rasierklingenoberfläche 64 reflektiert
wurde. Der Zeitunterschied der Spitzenintensität zeigt die räumliche
Trennung dieser Schichten an. Der Zeitunterschied kann verwendet
werden, um ein dreidimensionales tomographisches Bild einer Rasierklinge
zu konstruieren, wie in 8 gezeigt. Wenn der THz-Impuls
auf die Grenze der verschiedenen Metallschichten trifft, kann nur ein
Teil von diesem reflektiert und erkannt werden, was die THz-Spitzenintensität verringert.
Somit kann die Spitzenintensitätsverteilung
auch ein THz-Bild bilden, das das Profil des Objektes anzeigt, wie
in 9 gezeigt.
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Die
Möglichkeiten
des beispielhaften Abbildungssystems, das in 1 gezeigt
ist, wurden durch Erzeugen von tomographischen THz-Bildern eines
amerikanischen Vierteldollars und eines britischen Fünfzig-Pence-Stücks gezeigt,
wie in den 10A bzw. 10B gezeigt
ist. Der Bildkontrast wird durch die Brenngröße des THz-Impulses und die Flachheit
der Metall-Hintergrundfläche beeinflusst. Wenn
die Hintergrundfläche
nicht besonders flach ist, kann das Bild in Bezug auf die Spitzenintensität innerhalb
eines gewissen kurzen Zeitfensters angezeigt werden, um einige zusätzliche
Informationen über
das abgebildete Objekt zu erhalten, wie in den 11A und 11B gezeigt
ist. Die Breite des kurzen Zeitfensters wird durch den Grad der
Abweichung von der Flachheit bestimmt. Wenn zwei Abbildungsbereiche
auf zwei verschiedenen Reflexionsschichten liegen und ihre räumliche
Trennung groß genug
ist, kann das Bild, wie in den 11A und 11B gezeigt ist, an zwei verschiedenen Zeitpositionen
angezeigt werden, wie es durch die räumliche Trennung bestimmt wird.
Dieses Verfahren ermöglicht
eine dreidimensionale THz-Abbildung ohne das Anzeigen des Bildes,
basierend auf der Zeitsteuerung der Spitzenamplitude.
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Abbildungssysteme
unter Verwendung von elektrooptischen Sendeempfängern haben eine räumliche
Auflösung
im Millimeterbereich und eine Tiefenauflösung im Submillimeterbereich.
Das Abbilden von Objekten in zehn Metern Entfernung und sogar in
einhundert Metern Entfernung oder noch weiter ist je nach Wasserdampfabsorption
denkbar. Somit können
Terahertz-Sendeempfänger
das Abbilden von Objekten durch Wände oder Türen ermöglichen. Zum Beispiel kann
die Terahertz-Abbildung im Bereich der Strafverfolgung verwendet
werden, um die Position eines Terroristen, seiner Waffe und einer Geisel
hinter einer verschlossenen Tür
zu bestimmen.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bestimmter spezieller
Ausführungsformen
veranschaulicht und beschrieben wurde, soll sie nicht auf die gezeigten
Einzelheiten beschränkt
sein. Es sollen vielmehr verschiedene Modifikationen der Einzelheiten
der Ansprüche
vorgenommen werden können.