DE60118352T2 - Terahertz-sendeempfänger und diesen verwendende verfahren zur emission und detektion von terahertz-pulsen - Google Patents

Terahertz-sendeempfänger und diesen verwendende verfahren zur emission und detektion von terahertz-pulsen Download PDF

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Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen das Senden und Erkennen von elektromagnetischen Impulsen und insbesondere Sendeempfänger zur Verwendung im Terahertz(THz)-Frequenzbereich.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Es versteht sich, dass sowohl die vorstehende allgemeine Beschreibung als auch die folgende ausführliche Beschreibung beispielhaft für die Erfindung sind, sie aber nicht einschränken.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • 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:
  • 1 ist eine schematische Veranschaulichung eines beispielhaften Aufbaus, der einen elektrooptischen Kristall-Sendeempfänger enthält;
  • 2 ist ein Diagramm von beispielhaften Wellenformen, die unter Verwendung des Aufbaus aus 1 erzeugt wurden;
  • 3 zeigt eine teilweise schematische Veranschaulichung einer beispielhaften Rauschreduzierungseinrichtung für eine Ausführungsform eines elektrooptischen Kristall-Sendeempfängers;
  • 4 ist eine schematische Veranschaulichung eines beispielhaften Aufbaus, der einen Sendeempfänger mit photoleitfähiger Antenne enthält;
  • 5 ist ein Diagramm einer beispielhaften gemessenen zeitlichen Wellenform unter Verwendung des Aufbaus aus 4;
  • 6 ist eine Veranschaulichung einer im Stand der Technik bekannten Rasierklinge;
  • 7 ist eine Veranschaulichung eines Diagramms der THz-Wellenformen, die von verschiedenen Schichten der Rasierklinge aus 6 reflektiert wurden;
  • 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;
  • 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;
  • 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;
  • 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;
  • 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;
  • 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
  • 12 veranschaulicht einen beispielhaften Glasfaser-THz-Sendeempfänger.
  • GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • A. Elektrooptischer Kristall-Sendeempfänger
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • B. Photoleitfähiger Antennen-Sendeempfänger
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • C. Tomographische Abbildung
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (24)

  1. System zum Senden und Erkennen von einem oder mehreren elektromagnetischen Terahertzfrequenzimpulsen, wobei das System aufweist: eine einzelne Sendeempfängervorrichtung, die zur Verwendung zum Senden und zum Erkennen der Impulse geeignet ist, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner aufweist: eine optische Quelle und verwandte Optik zum Bereitstellen von: (a) einer Vielzahl von Pumpimpulsen (16) zum Erregen des Sendeempfängers, um eine entsprechende Vielzahl von Terahertzausgangsimpulsen (19) zu senden, und (b) einer Vielzahl von Sondenimpulsen (17), die zeitlich so gesteuert sind, dass sie den Sendeempfänger gleichzeitig mit einer entsprechenden Vielzahl von reflektierten Terahertzimpulsen beleuchten; einen Zerhacker (22) zum Modulieren der Terahertzausgangsimpulse mit einer ersten Frequenz, wobei der Zerhacker auch einen Taktausgang aufweist; ein Objekt, das durch die modulierten Terahertzausgangsimpulse (19) beleuchtet wird und die Vielzahl von reflektierten Terahertzimpulse reflektiert; und einen Lock-In-Verstärker (23) mit einem Referenzeingang, der mit dem Zerhacker-Taktausgang verbunden und mit der ersten Frequenz automatisch verriegelt ist, zum Empfangen und Reduzieren von Rauschen in einer Vielzahl von elektrischen Signalen, wobei jedes Signal Informationen proportional zu einem entsprechenden reflektierten Terahertzimpuls übermittelt, wie sie von dem Sendeempfänger erkannt werden.
  2. System nach Anspruch 1, wobei die einzelne Sendeempfängervorrichtung einen elektro-optischen Kristall (18) aufweist.
  3. System nach Anspruch 1, wobei die einzelne Sendeempfängervorrichtung eine photoleitfähige Antenne (40) aufweist.
  4. System nach Anspruch 1, ferner mit einem oder mehreren Parabolspiegeln (20a, 20b) zwischen dem Sendeempfänger und dem Objekt.
  5. System nach Anspruch 4, wobei der Sendeempfänger eine photoleitfähige Antenne (40) ist, die die elektrischen Signale erzeugt, die von dem Lock-In-Verstärker (23) empfangen werden, wobei jedes elektrische Signal erzeugt wird, wenn ein Sondenimpuls (17) und ein reflektierter Terahertzimpuls gleichzeitig die Antenne beleuchten.
  6. System nach Anspruch 5, wobei das System ferner eine Datenverarbeitung (80) zum Verarbeiten des rauschreduzierten Ausgangsignals von dem Lock-In-Verstärker (23) aufweist.
  7. System nach Anspruch 6, wobei die Datenverarbeitung (80) dazu geeignet ist, ein tomographisches Bild basierend auf einem Zeitunterschied zwischen den reflektierten Impulsen von verschiedenen Schichten des Objektes zu erzeugen.
  8. System nach Anspruch 6, wobei die Datenverarbeitung (80) dazu geeignet ist, ein Bild basierend auf einer Spitzenamplitude von jedem der reflektierten Impulse zu erzeugen.
  9. System nach Anspruch 5, wobei der Sendeempfänger ein elektro-optischer Kristall (18) ist, der eine Vielzahl von modulierten Sondenimpulsen (17) reflektiert, wobei jeder modulierte Sondenimpuls erzeugt wird, wenn der Sondenimpuls und der reflektierte Terahertzimpuls gleichzeitig den Sendeempfänger beleuchten und der Terahertzimpuls den Sondenpuls moduliert, wobei das System ferner aufweist: einen Photodetektor (26) zum Erkennen der modulierten reflektierten Sondenimpulse (17) und zum Erzeugen der Vielzahl von elektrischen Signalen, die von dem Lock-In-Verstärker (23) empfangen werden, wobei die elektrischen Signale Informationen übermitteln, die von den modulierten reflektierten Sondenimpulsen übertragen werden.
  10. System nach Anspruch 9, wobei das System ferner eine Datenverarbeitung (80) zum Verarbeiten des rauschreduzierten Ausgangssignals von dem Lock-In-Verstärker (23) aufweist.
  11. System nach Anspruch 10, wobei die Datenverarbeitung (80) dazu geeignet ist, ein tomographisches Bild basierend auf einem Zeitunterschied zwischen den reflektierten Impulsen von verschiedenen Schichten des Objektes zu erzeugen.
  12. System nach Anspruch 10, wobei die Datenverarbeitung (80) dazu geeignet ist, ein Bild basierend auf einer Spitzenamplitude von jedem der reflektierten Impulse zu erzeugen.
  13. System nach Anspruch 2, wobei der elektro-optische Kristall (18) an dem Ende einer Glasfaser angebracht ist.
  14. System nach Anspruch 13, wobei die Glasfaser eine Glasfaser mit beibehaltener Polarisation ist.
  15. System nach Anspruch 14, wobei der elektro-optische Kristall (18) ein Volumen von weniger als etwa 1 mm3 aufweist.
  16. Verfahren zum Senden und Erkennen eines elektromagnetischen Terahertzfrequenzimpulses, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: (a) Senden und Erkennen der Terahertzfrequenzimpulse unter Verwendung einer einzelnen Sendeempfängervorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner die folgenden Schritte aufweist: (a1) Erregen der Sendeempfängervorrichtung mit einem Pumpimpuls (16), um einen ersten Terahertzfrequenzausgangsimpuls (19) zu senden; (a2) Modulieren des Terahertzfrequenzausgangsimpulses (19) mit einem Zerhacker (22); (a3) Beleuchten eines Objekts mit dem modulierten Terahertzfrequenzausgangsimpuls (19), so dass das Objekt einen reflektierten Terahertzimpuls reflektiert; und (a4) Beleuchten der Sendeempfängervorrichtung mit dem reflektierten Terahertzimpuls, während gleichzeitig ein Sondenimpuls die Sendeempfängervorrichtung beleuchtet, so dass die Sendeempfängervorrichtung ein erstes Signal erzeugt, das Informationen von dem reflektierten Terahertzimpuls übermittelt.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Sendeempfängervorrichtung ein elektrooptischer Kristall (18) ist, wobei Schritt (a4) aufweist, dass der Terahertzimpuls den Sondenimpuls in dem elektro-optischen Kristall moduliert und der elektrooptische Kristall den modulierten Sondenimpuls von einer Rückfläche des elektrooptischen Kristalls reflektiert, wobei das erste Signal den reflektierten modulierten Sondenimpuls aufweist, wobei das Verfahren ferner aufweist: (a5) Erkennen des reflektierten modulierten Sondenimpulses mit einem Photodetektor (26) und Umwandeln der Informationen in ein zweites Signal; und (a6) Reduzieren des Rauschens in dem zweiten Signal mit einem Lock-In-Verstärker (23), um ein drittes, rauschreduziertes Signal zu erzeugen.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, ferner aufweisend: (a7) Verarbeiten des dritten, rauschreduzierten Signals mit einer Datenverarbeitung (80).
  19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Objekt eine Vielzahl von Schichten aufweist, wobei jede Schicht einen jeweiligen Abstand von dem Sendeempfänger aufweist, wobei das Verfahren das Erzeugen einer Vielzahl von Pumpimpulsen, Sondenimpulsen und Terahertzimpulsen aufweist, so dass das Objekt eine Vielzahl von reflektierten Terahertzimpulsen reflektiert, wobei jeder reflektierte Impuls eine Spitzenamplitudenintensität aufweist, wobei das Verfahren ferner aufweist: (a8) Verwendung von Informationen, die die Spitzenamplitudenintensität betreffen, um ein Bild des Objektes zu erzeugen.
  20. Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Objekt eine Vielzahl von Schichten aufweist, wobei jede Schicht einen jeweiligen Abstand von dem Sendeempfänger aufweist, wobei das Verfahren das Erzeugen einer Vielzahl von Pumpimpulsen, Sondenimpulsen und Terahertzimpulsen aufweist, so dass das Objekt eine Vielzahl von reflektierten Terahertzimpulsen reflektiert, wobei jeder reflektierte Impuls eine Spitzenamplitudenzeitsteuerung aufweist, wobei die Zeitsteuerung dem Abstand der Schicht, die den Impuls von dem Sendeempfänger reflektiert hat, entspricht, wobei das Verfahren ferner aufweist: (a8) Verwendung von Informationen, die die Spitzenamplitudenzeitsteuerung betreffen, um ein Bild des Objektes zu erzeugen.
  21. Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Sendeempfängervorrichtung eine photoleitfähige Antenne (40) ist, wobei Schritt (a4) das Erzeugen von Strom in der Antenne, aufweisend das erste Signal, durch den Terahertzimpuls und den Sondenimpuls aufweist, wobei das Verfahren ferner aufweist: (a5) Reduzieren des Rauschens in dem ersten Signal mit einem Lock-In-Verstärker (23), um ein zweites, rauschreduziertes Signal zu erzeugen.
  22. Verfahren nach Anspruch 21, ferner aufweisend: (a6) Verarbeiten des zweiten, rauschreduzierten Signals von dem Lock-In-Verstärker (23) mit einer Datenverarbeitung (80).
  23. Verfahren nach Anspruch 22, wobei das Objekt eine Vielzahl von Schichten aufweist, wobei jede Schicht einen jeweiligen Abstand von dem Sendeempfänger aufweist, wobei das Verfahren das Erzeugen einer Vielzahl von Pumpimpulsen, Sondenimpulsen und Terahertzimpulsen aufweist, so dass das Objekt eine Vielzahl von reflektierten Terahertzimpulsen reflektiert, wobei jeder reflektierte Impuls eine Spitzenamplitudenintensität aufweist, wobei das Verfahren ferner aufweist: (a7) Verwendung von Informationen, die die Spitzenamplitudenintensität betreffen, um ein Bild des Objektes zu erzeugen.
  24. Verfahren nach Anspruch 22, wobei das Objekt eine Vielzahl von Schichten aufweist, wobei jede Schicht einen jeweiligen Abstand von dem Sendeempfänger aufweist, wobei das Verfahren das Erzeugen einer Vielzahl von Pumpimpulsen, Sondenimpulsen und Terahertzimpulsen aufweist, so dass das Objekt eine Vielzahl von reflektierten Terahertzimpulsen reflektiert, wobei jeder reflektierte Impuls eine Spitzenamplitudenzeitsteuerung aufweist, wobei die Zeitsteuerung dem Abstand der Schicht, die den Impuls von dem Sendeempfänger reflektiert hat, entspricht, wobei das Verfahren ferner aufweist: (a7) Verwendung von Informationen, die die Spitzenamplitudenzeitsteuerung des reflektierten Terahertzimpulses betreffen, um ein Bild des Objektes zu erzeugen.
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