EP2115407A2 - Spektrales messsystem zur ermittlung von substanzeigenschaften unter verwendung von terahertz-strahlung - Google Patents

Spektrales messsystem zur ermittlung von substanzeigenschaften unter verwendung von terahertz-strahlung

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EP2115407A2
EP2115407A2 EP08708289A EP08708289A EP2115407A2 EP 2115407 A2 EP2115407 A2 EP 2115407A2 EP 08708289 A EP08708289 A EP 08708289A EP 08708289 A EP08708289 A EP 08708289A EP 2115407 A2 EP2115407 A2 EP 2115407A2
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
radiation
measuring system
terahertz
optical element
radiation source
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP08708289A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Urs Boegli
Philipp Bachmann
Dieter Lubkoll
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MSA Auer GmbH
Original Assignee
MSA Auer GmbH
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Filing date
Publication date
Priority claimed from DE200710006082 external-priority patent/DE102007006082B4/de
Application filed by MSA Auer GmbH filed Critical MSA Auer GmbH
Publication of EP2115407A2 publication Critical patent/EP2115407A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3581—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light using far infrared light; using Terahertz radiation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/10—Arrangements of light sources specially adapted for spectrometry or colorimetry
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/42—Absorption spectrometry; Double beam spectrometry; Flicker spectrometry; Reflection spectrometry
    • G—PHYSICS
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    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/42—Absorption spectrometry; Double beam spectrometry; Flicker spectrometry; Reflection spectrometry
    • G01J3/433—Modulation spectrometry; Derivative spectrometry
    • G01J3/4338—Frequency modulated spectrometry
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3563—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing solids; Preparation of samples therefor

Definitions

  • the invention relates to the generation and detection of coherent waves with frequencies in the terahertz range.
  • terahertz wave radiation The generation and detection of terahertz wave radiation is of interest for many applications. Particularly in detection systems in security applications, terahertz wave radiation can be used to detect biological weapons material, explosives, illicit drugs, and many other hidden objects. So far, the application is limited by the high cost, the bulky systems and the difficult operation. The invention reveals some new ideas to realize a terahertz system at a moderate cost.
  • the known terahertz systems employ ultrashort laser pulses which are rectified in non-linear crystals or photo switches and thus shift their spectrum, which is usually in the near infrared range, to a band having a central frequency of 0 Hz , This is equivalent to a spectrum of nearly zero to several Thz.
  • Nonlinear optical difference frequency generation where the nonlinear element generates continuous (cw) THz waves at the beat frequency of two lasers.
  • the terahertz radiation corresponds to electromagnetic waves in the frequency range between the high-frequency electronics and the infrared radiation.
  • This band is also referred to as "far infrared” and is in the range of 0.1 to 10 THz (3 mm to 30 ⁇ m). Molecules have absorption bands in this area. Therefore, it is possible to this band for
  • Coherence characterizes how well a wave can interfere with itself at a different time.
  • the delay over which the phase or amplitude changes by a significant amount (and thus reduces the correlation by a significant amount) is defined as the coherence time TC.
  • the bandwidth of a wave with a long coherence time is very small and vice versa.
  • Coherent waves can interfere with themselves. Therefore, it is possible to form phase-dependent measuring systems for the optical range, comparable to lock-in amplifiers at the end of the low frequencies.
  • a laser can only oscillate in a few selected modes that are very coherent. By allowing many modes with a fixed phase relationship, it is possible to generate very short radiation pulses.
  • Nonlinear optics is the optic branch that describes the behavior of light in nonlinear media, ie, media in which the polarization P nonlinearly responds to the electric field E of light. This nonlinearity will typically observed only at very high light intensities, such as provided by pulsed lasers. Different frequency mixing operations are possible, for example:
  • THz-TDS Terahertz time-domain spectroscopy
  • the THz-TDS is compatible with the well-established Fourier
  • FTS Transformation spectroscopy
  • this is a homodyne system in the frequency domain, where the laser wavelengths are shifted from the IR to the THz band and back with the help of nonlinear elements.
  • nonlinear elements are Auston switches, semiconductors or inorganic crystals such as KNO or organic crystals such as DAST.
  • the reference laser pulse is delayed to scan or scan the received radiation in a strictly synchronous manner.
  • the resulting curve may be subjected to a Fourier transform, such as an FFT, to obtain a spectrum which is the product of the spectrum of the THz source with the transfer curve of the sample to be examined.
  • a process for producing terahertz waves is known, for example, from US Pat. No. 6,144,679.
  • two radiation sources are directed to a non-linear optical element, wherein the wavelengths of the radiation sources are selected such that in the non-linear element, a third radiation is generated whose frequency is in the terahertz range.
  • the invention is therefore based on the object to provide a spectral measuring system, which allows a rapid and reliable determination of substance properties.
  • the invention is further based on the object to provide a spectral measuring system, which is additionally easy to assemble.
  • Controlling radiation sources and read in coordination with this control a sensor for detecting a radiation based on the other radiation There are two possibilities for the realization: On the one hand, at least two radiation sources can be provided, of which at least one can be set with regard to the emitted wavelength. On the other hand, more than two radiation sources can be provided, which emit fixed, mutually different wavelengths.
  • the common inventive idea of the present solutions is based on the fact that a control unit has one or more radiation sources controls and reads in coordination with this control a sensor for detecting a radiation based on the other radiation.
  • the following possibilities are available for realization:
  • at least two radiation sources can be provided, of which at least one is adjustable with respect to the emitted wavelength.
  • more than two radiation sources can be provided, which emit fixed, mutually different wavelengths.
  • the idea is pursued to use a single radiation source, which is designed to be able to emit several wavelengths to generate terahertz waves, or to emit directly terahertz waves.
  • At least one radiation source which can be set with regard to the emitted wavelength can be provided, so that the associated terahertz frequencies sweep over a small band.
  • measuring system It is therefore a measuring device that is designed to both control an input variable for an object to be examined, as well as - in temporal coordination with this control - to capture a corresponding response or output from the object to be examined.
  • This measuring device thus goes far beyond a purely passive measuring device and also goes far beyond a generating device for predetermined radiation. Therefore, the subject invention is referred to as a "measuring system”.
  • radiation having a predetermined first wavelength here refers to an electromagnetic Radiation whose spectrum has a relative maximum at the predetermined wavelength.
  • substance property refers in summary to a composition as well as specific properties of an object to be examined.
  • a substance property may be that the object contains one or more substances.
  • the object to be examined could be a bag containing one or more different explosives.
  • specific properties the object to be examined could be, for example, the surface of an opened semiconductor chip whose operation is to be monitored. The Substanzeschaft in this case would then be a different reflectivity of the semiconductor tracks in response to different operating conditions.
  • Radiation according to a main aspect of the invention comprises at least two radiation sources, of which at least the first radiation source is adjustable in terms of its wavelength.
  • at least the first radiation source is adjustable in terms of its wavelength.
  • a plurality of radiation sources are provided, for example three or more, of which several or even all are adjustable in terms of their wavelength.
  • the first radiation source emits a first radiation having a predetermined set first wavelength and the second radiation source emits a second radiation having a predetermined second wavelength different from the first wavelength.
  • the radiation sources are preferably designed as lasers, for example Nd-YAG or diode lasers.
  • the first and second radiation together form a radiation combination which, in cooperation with various optical components, is brought into interaction with an object to be examined. In cooperation with other optical components, further radiation is produced, which is ultimately based on the first and second radiation.
  • Measuring system includes a sensor that responds to this further radiation. This additional radiation is converted by the sensor into an electrical signal. Furthermore, the measuring system according to the invention comprises a control unit. The control unit is designed to control the at least two radiation sources and to set the wavelength of the at least one adjustable radiation source and to read out the sensor.
  • a terahertz radiation is generated in a sample space region in which optionally the object to be examined is located, depending on the radiation of the at least two radiation sources.
  • the wavelength of terahertz radiation depends on the wavelengths of the
  • Radiation sources from. By varying the wavelength of the adjustable radiation source and with the
  • Wavelength variation coordinated readout of the sensor the measuring system according to the invention is possible to record a terahertz spectrum of the object to be examined. Depending on the arrangement of the components to each other, this may be an absorption or a reflection spectrum. In this case, a slight detuning of the adjustable radiation source already causes a large variation in the generated terahertz range.
  • the great advantage of such a system is that many of the required elements are standard components in the field of fiber optics in telecommunications or in the near infrared region. In principle, the emitter or even the receiver could be realized in a single-chip solution or as a multi-chip module in a semiconductor package.
  • the spectral measurement system for determining substance properties using terahertz radiation has more than two radiation sources which emit radiations having mutually different specified wavelengths. Conceivable here are arrangements with three or four or more lasers with fixed wavelengths.
  • a control unit in this embodiment is designed to control this plurality of radiation sources in such a way that only exactly two of these plurality of radiation sources
  • Radiation sources on and the rest are turned off.
  • the control unit reads out the sensor, which responds to another radiation based on the combination of the two selected radiation sources.
  • N radiation sources N * (N-I) / 2 different radiation combinations can be realized.
  • a terahertz spectrum of an object to be examined can be recorded at N * (N-I) / 2 interpolation points.
  • the measuring system also has an input-output unit and a data memory, both with the control unit are connected. At least one terahertz spectrum of a known substance is stored in the data memory.
  • the control unit is designed to compare a terahertz spectrum of an object to be examined recorded as described above with the at least one stored terahertz spectrum and to output the result of the comparison to the input / output unit.
  • a known terahertz spectrum of an explosive could be stored in the data memory.
  • the control unit compares the currently measured spectrum with the stored spectrum. This comparison is made by a method known to be used to compare spectra. For example, a Euclidean distance between the measured and the stored spectrum could be calculated. If a predefinable threshold value is undershot, then a match is identified; if the threshold value is exceeded, a match is identified
  • the result of this determination is then output on the input / output unit.
  • the output may be such that in the event of a mismatch, only a text with the content "No match found" is output on a screen, while if a match occurs, an alarm signal will be output, along with the text "Alarm: Explosive A identified”. But it can also be sent via a network connection or a telecommunication connection (eg ISDN or GSM module) a warning message to predetermined persons or institutions.
  • a network connection or a telecommunication connection eg ISDN or GSM module
  • a warning message to predetermined persons or institutions.
  • a plurality of terahertz spectra of known substances can be deposited.
  • the control unit After recording the terahertz spectrum of an object to be examined, the control unit is then able to determine by comparison of the stored spectra with the recorded spectrum, which substance is in the object to be examined.
  • terahertz spectra of conventional explosives and terahertz spectra of conventional (harmless) packaging or pocket material such as leather, PE, linen, etc. could be deposited.
  • greater safety can be achieved so that a necessary alarm is not suppressed.
  • the measuring system according to the invention is able to determine also substance compositions. Pre-recorded measurement series with combinations of more than two components are also possible. In this way the reliability of the measuring system is increased. For security applications, this can be crucial. Particularly advantageous in this measurement system is that even untrained operating personnel can work with it. Thus, this system can be easily used, for example, in airports, where usually a high throughput of examinations is required.
  • the beam paths of the radiation sources are directed in the measuring system according to the invention to a reference beam splitter such that a partial beam on a first optical element falls and a second partial beam is directed to a deflection system.
  • a radiation field can then be emitted which, in addition to the irradiated wavelengths, can comprise further wavelengths.
  • a second optical element is arranged in relation to the first optical element and the deflection system such that it comprises at least part of the radiation of the
  • Radiation field can record.
  • the first optical element, the second optical element and the sample space area containing the sample may be arranged in a row one behind the other. Then the sample would be virtually illuminated, so it would be measured in transmission. This is useful when examining liquid or gaseous media.
  • the optical elements could also be arranged in relation to the sample such that it is measured in reflection. This is advantageous if, for example, the activity of a semiconductor chip is to be observed.
  • a radiation is emitted by the second optical element, which radiation can be detected by the sensor.
  • the radiation sources are designed as lasers and the first and second optical elements as non-linear optical elements.
  • the radiation sources are designed as diode lasers.
  • Diode lasers have the particular advantage of being small and relatively inexpensive.
  • the radiation combination of the radiation sources and the first nonlinear optical element cooperate in such a way that the radiation field is a radiation in the terahertz range from 0.1 terahertz to 100 terahertz. This frequency range is particularly well suited for irradiating opaque samples. While X-rays are too dangerous and conventional infrared radiation and visible light are too weak, the
  • Terahertz radiation is a convenient way to safely and safely sample samples.
  • the deflection system can be realized by mirrors, but alternatively it is also intended to use light-conducting fibers.
  • About the deflection system is the undisturbed, i. directed by the non-linear optical element, radiation combination of the radiation sources as reference radiation to the second non-linear optical element.
  • the terahertz radiation and the reference radiation then interact with one another in such a way that again easily detectable radiation is produced.
  • the radiation sources are integrated with a radiation amplifier on a semiconductor chip. This allows a particularly compact design. In addition, the manufacture and the adjustment during assembly of the measuring system according to the invention are considerably simplified.
  • the measuring system allows at least one of the radiation sources modulated sinusoidally or rectangularly becomes. In this way, the deviation of the absorption spectra can be measured.
  • the beam paths of the more than two radiation sources can be arranged such that they are directed onto the first optical element, so that a plurality of terahertz waves can be generated according to predetermined switching frequencies of the radiation sources.
  • each radiation source can be connected to a different frequency, so that the resulting terahertz waves can be modulated at different frequencies.
  • the phase matching in the first optical element is improved by different phase angles of the incident radiation. It is a well known problem in nonlinear optics that the new radiation fields generated by the nonlinear effects travel at different velocities in the nonlinear element than the originally irradiated radiation fields. This can cause phase relationships that lead to unwanted destructive interference. This problem is solved by the so-called phase-matching (index-matching, refractive indices). By appropriate use of dispersion and birefringence, as well as suitable arrangement of the radiation fields with respect to the axes of the anisotropic non-linear optical element can be set a more favorable interference behavior.
  • the radiations are the
  • Radiation sources coupled to optical fibers.
  • deflecting mirrors which need to be complicatedly adjusted first, so that the radiations fall in a predetermined manner on the first optical element.
  • the radiations of the radiation sources can be coupled to a single optical fiber. If only one fiber is present, it is particularly easy to direct the emerging radiation field onto the first optical element. This simplifies once again the manufacture of the measuring system.
  • the exit end of said fiber is arrangeable with respect to the first optical element and the second optical element such that the radiation exiting the fiber may partially fall on the first optical element and partially on the second optical element. This is achieved in that at the outlet end of the fiber, a beam splitter is arranged, whose one radiation exit surface of the first optical element and the other
  • imaging optical elements are provided.
  • optical elements may be, for example, made of polyethylene lenses. These lenses can also be designed as Fresnel lenses. At least one of the optical elements is implemented as a nonlinear optical element consisting of DAST (dimethylamino-4-N-methylstilbazolium tosylate), KDP, ADP, lithium niobate, Ba2NaNb5O15, quartz, GaAs, GaP, BaTiO3, ZnO or CdS.
  • DAST dimethylamino-4-N-methylstilbazolium tosylate
  • KDP dimethylamino-4-N-methylstilbazolium tosylate
  • ADP lithium niobate
  • Ba2NaNb5O15 quartz
  • quartz GaAs
  • GaP GaP
  • BaTiO3, ZnO or CdS This list of possible starting materials is to be considered as exemplary only. Other suitable materials may also be suitable for use.
  • control unit can be designed as an ASIC. If the control unit is designed as an ASIC, a lightweight and inexpensive mass production is possible. Alternatively, the control unit can also be designed as a DSP. This makes a particularly fast processing of the measured data possible. In this way, currently measured spectra with a large number of nodes can be quickly compared with the stored spectra, so that a rapid and very reliable indication of substance properties is possible.
  • control unit can alternatively be designed as an embedded system. This is particularly advantageous for measurement setups in the field of research. This facilitates easier reconfigurability and adaptation to changing measurement tasks.
  • the data memory can be configured by an external source. In this way, dynamically, i. even after a production and
  • the measuring system it is possible with the measuring system according to the invention to configure the data memory via a network connection, an internet connection, a telecommunication connection or an inductive connection.
  • Reconfiguring the memory may include adding more records.
  • the measuring system thus makes it possible to identify substances or substance properties, the specific features of a terahertz radiation being used.
  • the suitable control of a plurality of radiation sources results in a temporal sequence of predetermined terahertz wavelengths being produced in a first nonlinear optical element. In this way, virtually a spectrum is driven through.
  • the measurement of the resulting radiation with the aid of a further nonlinear optical element leads to spectral information of the substance or structure to be investigated.
  • the control unit compares this spectral information with spectra of already known substances or structures, which spectra are stored in the data memory.
  • control unit can determine which substance / substances / structures are present in the test object to be examined. This allows a particularly rapid identification of hazardous substances. Since the measuring system according to the invention can be operated very easily, it is highly suitable, for example, for securing in airports or for counter-terrorism.
  • the measurement system according to the invention comprises nonlinear elements, such as DAST crystals, which are operated by one or more lasers.
  • nonlinear elements such as DAST crystals
  • more than two lasers can be provided.
  • a predetermined spectral range can be detected quasi-simultaneously.
  • the detection itself can be done optically synchronously using a second non-linear element by homodyne detection.
  • N lasers so that a plurality of frequencies in the terahertz range can be generated.
  • N lasers it is possible to generate N * (NI) / 2 different terahertz wavelengths.
  • each terahertz wave can be modulated below individual frequencies if each laser is modulated with pulses at different repetition rates.
  • the pulse repetition rate of the lasers must be selected in this way be that the beat frequencies between the pulse repetition rates of all lasers are different.
  • This scheme can be used to capture each of the terahertz waves with phase-sensitive elements, such as lock-in amplifiers, at their individual frequency.
  • radiations of at least two predetermined mutually different wavelengths are emitted by the radiation source.
  • Predetermined means that it is determined by the dimensions or the control, which wavelengths are emitted. It can also be provided that at least one of the wavelengths is adjustable.
  • the laser resonator is operated so that the laser has two radiations different from each other
  • the advantage of such a laser is that it can already be manufactured as a module during manufacture, so that no further fine adjustment is required when installed in a measuring system.
  • the emitted wavelengths differ only slightly.
  • the beats resulting from the superposition of the decoupled wavelengths are directed to an optical element that converts this radiant energy into terahertz waves.
  • the two-color diode laser may be configured such that at least one of its wavelengths is adjustable during operation.
  • the two-color diode laser is based on the fact that two adjoining areas of a semiconductor have a different geometry, so that in one and the same semiconductor two different laser regions with correspondingly different wavelengths are present.
  • the resonator mirror is moved for only the one laser region.
  • the sensor responds to radiation which is based on the radiation of the radiation source.
  • the superposition of the at least two radiations results in producing a third radiation having a wavelength different from the wavelengths of the first at least two radiations.
  • This third radiation is advantageously a terahertz radiation.
  • the radiation source itself emits terahertz radiation.
  • This terahertz radiation is emitted by a first element.
  • This element may be embodied as an optical element, for example as a nonlinear optical element, or as an electrical element, for example as a photoconductive antenna.
  • an intense light pulse of short duration, about 1 ps is directed to a photoconductive antenna to which a voltage is applied. The light pulse generates free
  • the second element may be an optical or electrical element as described.
  • the radiation source in the measuring system generates a comb of terahertz radiation.
  • the generation of such a terahertz frequency comb is described, for example, in "Terahertz Comb Frequency Generation in Nonlinear Optical Devices", Proc. of SPIE, Vol. 6373 (2006).
  • Such a selection of a radiation source has the advantage that a plurality of frequencies are present simultaneously and the control of the radiation source is simplified.
  • the measuring system thus enables identification of substances or
  • Figure 1 is a schematic representation of the spectral measuring system in a first embodiment
  • Figure 2 shows three terahertz spectra of different explosives
  • Figure 3 is a schematic representation of the spectral measuring system in a second embodiment
  • FIG. 4 a shows a schematic drive diagram of the lasers in the spectral measuring system in the second embodiment
  • FIG. 4b shows an alternative schematic driving diagram of the lasers in the measuring system in the second
  • Figure 5 is a schematic representation of the spectral measuring system in a third embodiment
  • Figure 6 is a schematic representation of the spectral measuring system in a fourth embodiment
  • Figure 7 is a schematic representation of the spectral measuring system in a fifth embodiment
  • Figure 8 is a schematic representation of the spectral
  • Figure 9 is a schematic representation of the spectral
  • FIG. 10 is a schematic representation of a terahertz
  • FIG. 1 shows the first embodiment of the spectral measuring system according to the invention.
  • a first laser 10 first radiation source
  • a second laser 20 second
  • the control unit 40 is configured to turn the lasers 10 and 20 on and off.
  • the control unit 40 is further capable of adjusting the wavelength of at least one of the lasers 10, 20. This is achieved by a suitable adjustment of the temperature and the operating current of the respective laser 10, 20.
  • the wavelength of the laser 10 is set in a predetermined manner.
  • the laser 10 emits with an adjustable wavelength that is in a wavelength range of 1580 to 1600 nm while the laser 20 is fixedly set to a wavelength of 1602 nm. In this way an adjustable terahertz radiation of 0.23 to 2.6 phr can be generated by means of a non-linear optical element.
  • the exit opening of the first laser 10 is directed to an opaque mirror 11, which is arranged so that it blocks the radiation of the first laser 10 on a
  • Entrance surface of a downstream beam splitter 21 directed.
  • the outlet opening of the second laser 20 is directed onto a second entrance surface of the beam splitter 21.
  • multiple lasers may be used be provided (see below).
  • the exit surface of the first beam splitter 21 faces the entrance surface of the second beam splitter 51.
  • An exit surface of the second beam splitter 51 is an entrance surface of a first nonlinear optical
  • Element 50 for example, a DAST crystal, facing.
  • a further exit surface of the second beam splitter 51 faces a beam deflecting device 52, 53.
  • the beam deflecting device 52, 53 is made up of two mirrors 52 and 53, but it may also be designed to be particularly easy to handle as an optical fiber 52 '.
  • the exit surface of the first nonlinear optical element 50 is arranged facing the entry surface of a second nonlinear optical element 60.
  • the second nonlinear optical element 60 may also be formed from a suitably prepared DAST crystal.
  • the space R between the two nonlinear optical elements 50 and 60 is intended to be as
  • Sample area R to record the object to be examined.
  • the nonlinear optical element 60 instead of guiding a portion of the transmitter radiation S5 "as a reference to the nonlinear optical element 60, radiation can be locally generated to shift the terahertz radiation back into the infrared. Analogously, this would be a local oscillator in the radio receiver. However, a bolometer or another terahertz detector can also be used directly without the nonlinear optical element 60. The different wavelengths in the terahertz range may then be indistinguishable, but they are because they are sensitively modulated at different frequencies.
  • the exit surface of the second nonlinear optical element 60 faces the radiation-sensitive surface of a suitable sensor 90. In the present embodiment, a commercially available photodiode having an appropriate spectral sensitivity is used.
  • a liquid helium-cooled bolometer may also be provided at this point.
  • the sensor 90 is intended to convert an incident radiation into an electrical signal, which then passes via an interface 49 to the control unit 40.
  • a suitable signal amplification can be provided.
  • the control unit 40 is connected to a data memory 70 and to an input / output unit 80.
  • the input-output unit 80 may be the usual combination of a computer screen with a corresponding keyboard.
  • the data memory 70 stores terahertz spectra of known substances. In other words, in the
  • Datastore 70 terahertz spectra of various substances deposited, these terahertz spectra were previously determined with a similar or comparable system by introducing known reference samples.
  • a control unit 40 is a commercial PC in question, which is provided with suitable interfaces and suitable software.
  • the spectral data in the data memory 70 are then present in one or more files that can be accessed by another software which is specific for spectral evaluations.
  • the lasers 10 and 20 emit laser radiation S1 and S2. This combination of radiations gives the beam S5.
  • the beam splitter 51 the beam S5 is split into the beams S5 'and S5' 1 .
  • the beam S5 ' is directed to the nonlinear element 50.
  • the non-linear superimposition of the laser radiation S 1 and S 2 results in a difference wavelength whose frequency lies in the terahertz range. This frequency is particularly well suited for safe and reliable fluoroscopy of various substances.
  • the resulting terahertz radiation field T is located directly downstream of the first nonlinear optical element.
  • the second nonlinear element 60 for example a photomixer, the resulting terahertz radiation T and the reference beam S5 ' 1 modified by the object to be examined are superimposed. This creates a further radiation S9.
  • This is again a radiation in the wavelength range of the near infrared, which in turn is detected by the sensor 90.
  • the readout measured value of the sensor 90 is stored together with the wavelength settings of the two lasers 10 and 20 in a temporary memory (not shown) of the control unit 40.
  • the tunable laser 10 is slightly detuned (ie adjusted) in a predetermined manner with respect to its emitted wavelength. This is done by a suitable temperature variation of the resonator in the laser.
  • the terahertz radiation now resulting in this way has a different frequency than the previously generated terahertz radiation.
  • the corresponding wavelength and the radiation detected by the sensor 90 are now stored in the control unit 40 in the temporary memory. This step can be so frequent to be repeated as necessary.
  • absorbance values are measured at at least three different terahertz frequencies.
  • the spectral measuring system has received at least three supporting points for the terahertz absorption spectrum of the substance to be examined. Since each substance has a characteristic terahertz spectrum, it is now possible for the control unit 40, on the basis of the spectra stored in the data memory 70 with associated substances, to output an indication of the substance currently being measured by comparison with the spectrum just measured.
  • Figure 2 shows three terahertz spectra of different explosives A, B and C. These are absorption spectra, the frequency is plotted to the right and the absorption in any
  • the explosive A has a relative absorption maximum at about 1.1 THz
  • the explosive B has a relative absorption maximum at about 0.8 THz
  • the explosive B has a weak relative absorption maximum at about 1.6 THz having.
  • the laser 10 is adjusted to cause, together with the laser 20 in a predetermined sequence, the emission of four different terahertz waves with frequencies t1, t2, t3 and t4 from the first nonlinear element.
  • the frequencies t1, t2, t3 and t4 are selected to include spectral characteristics of specific explosives are. As a spectral characteristic is advantageously a relative absorption maximum in question.
  • the control unit 40 is now able to find the stored spectrum by one or more comparison operations, which has a maximum similarity to the measured spectrum based on the four nodes, has.
  • the Euclidean distance between the measured spectrum and the stored spectra can be determined.
  • the spectrum deposited in which the Euclidean distance is minimal, most likely belongs to the substance that is currently also measured. If no substance was found in this process, a normalization of all the spectra to be compared can be carried out as an additional step. There are a number of known methods that can be used to determine the most likely composition of the substance to be examined, as well as a figure of merit, indicating the quality or statistical safety of the substance.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the spectral measuring system in a second embodiment according to the invention.
  • the same reference numerals as in Figure 1 denote the same components with the same
  • the difference from the first embodiment lies in the fact that here three lasers 10, 20 and 30 are provided, which emit at fixedly set different wavelengths.
  • the radiation of the laser 30 is coupled via the beam splitter 31, so that the beam S5 results.
  • Embodiment here is also the reference radiation S5 ' 1 deflected via an optical fiber 52' and directed to the second non-linear optical element 60.
  • the control of the lasers 10, 20 and 30 is effected by a comparison with the first embodiment modified control unit 40 '.
  • the second embodiment according to the invention has the advantage that none of the lasers (10, 20, 30) has to be detuned in order to achieve a spectral variation. Rather, the terahertz spectrum is scanned by emitting only two lasers each while the third laser is turned off. In this way, three different terahertz frequencies can be generated offset in time, by means of which at just these three nodes the
  • FIG. 4a shows a schematic control diagram of the lasers in the spectral measuring system in the second embodiment according to the invention.
  • Ll0, L20 and L30 designate the turn-on times of the respective lasers 10, 20 and 30.
  • the control unit 40 For example, at time Tl, only lasers 10 and 20 are turned on, so that the resulting terahertz radiation has a frequency of fl THz.
  • the control unit 40 or the data memory 70 is deposited, which combination of two lasers leads to which terahertz radiation.
  • Memory 70 'deposited spectra, which substance is most likely in space R.
  • the three lasers 10, 20, 30 are modulated with a different pulse frequency
  • the result for the terahertz radiations for each wavelength fi, ⁇ 2, fs is a different modulation frequency with the periods Period 1, Period 2.
  • the amplitudes can thus be measured at the receiver at three different modulation frequencies period 1, 2, 3, and thus the radiation at the regular terahertz wavelengths can be determined.
  • this is shown for two of the three possible terahertz frequencies.
  • the combination of the lasers 20, 30 is not visible in this representation, since their periods are greater than the period shown. This can also be measured quasi-continuously.
  • the evaluation using the table below should further explain the method, the following.
  • the table includes the absorbance values of explosive A ("cloth A”), explosive B ("cloth B”) and explosive C ("cloth C”) the terahertz frequencies 0.6, 0.8, 1 and 1.1 THz. Furthermore, the table contains a column ("measurement") with a measured terahertz spectrum from an object to be examined. In the respective column “Diff” next to the respective substance spectra ("Substance A", “Substance B” or “Substance C”), the square of the difference from the currently measured absorption value to the stored respective absorption value of a substance at the corresponding frequency is entered. The bottom line contains three values (6.24, 45.37 and 47.13). These are the square roots of the sum of the respective distance squares per substance spectrum. In other words, these are the Euclidean distances from the currently measured spectrum to the respective substance spectrum.
  • the deposited substance spectrum which has a minimal Euclidean distance to the measured spectrum of the object to be examined, shows with greatest
  • the training of Meßspektren can also be performed by neural networks.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of the spectral measuring system in a third embodiment according to the invention.
  • three lasers 110, 120 and 130 are used, which are driven by a digital signal processor (DSP) 140 with data memory 170.
  • DSP digital signal processor
  • a material sample M can optionally be introduced into the resulting terahertz radiation field T.
  • the detector 190 converts the detected light intensity into an electrical signal received from the DSP is evaluated. The result of the evaluation is output by the DSP to the I / O unit 180.
  • FIG. 6 shows a schematic representation of the spectral measuring system in a fourth invention
  • Figure 7 shows a schematic representation of the spectral measuring system in a fifth embodiment of the invention, wherein similar reference numerals similar
  • An element SOA 350 emits terahertz radiation which is radiated into the sample space by an imaging element.
  • the imaging element 355 may be a lens, such as a Fresnel lens made of polyethylene.
  • the terahertz radiation penetrates the material M to be examined, is reflected by a reflecting surface R, and finally falls on a second imaging element 365, which may also be a Fresnel lens made of polyethylene.
  • the detector 390 detects the light passing through the second imaging element passing radiation and passes a corresponding signal to the DSP 340 on.
  • the structure of the spectral measuring system according to the invention shown in FIG. 7 - with the omission of a material M - is also suitable for detecting temporally variable surface qualities of the reflecting surface R. This makes substance properties measurable. This is particularly advantageous when investigating the activity of semiconductor chips.
  • the spectral measuring system enables a rapid and reliable determination of substances or substance properties without a user needing specialist knowledge and that the invention can be implemented using inexpensive freely available components. This is achieved by applying terahertz radiation to a material to be investigated for interaction with it under a plurality of predetermined wavelengths and evaluating the resulting radiation from a control unit having an associated data memory containing spectral measurement data.
  • FIG. 8 shows the sixth embodiment of the spectral measuring system according to the invention.
  • the exit aperture of the radiation source 410 is directed to an opaque mirror 411 which is arranged to direct the radiation of the radiation source 410 onto an entrance surface of a beam splitter 451 which splits the beam S405 into the beams S405 'and S405' '.
  • An exit surface of the beam splitter 451 faces an entrance surface of a first optical element 450, for example a DAST crystal or a photoconductive antenna.
  • a further exit surface of the beam splitter 451 faces a beam deflecting device 452, 453.
  • the beam deflecting device 452, 453 is made of two mirrors 452 and 453, but it may also be designed to be particularly easy to handle as an optical fiber.
  • the exit surface of the first optical element 450 is arranged facing the entry surface of a second optical element 460.
  • the second optical element 460 may also be formed of a suitably prepared DAST crystal or a photoconductive antenna - without applied external voltage.
  • the space R located between the two optical elements 450 and 460 is intended to accommodate, as the sample space region R, optionally the object to be examined.
  • the exit surface of the second optical element 460 faces the radiation-sensitive surface of a suitable sensor 490.
  • a suitable sensor 490 In the present embodiment, a commercial photodiode used with a suitable spectral sensitivity. In systems designed for purely research purposes, however, a liquid helium-cooled bolometer may also be provided at this point.
  • the sensor 490 is designed to convert an incident radiation into an electrical signal, which then passes via an interface 449 to the control unit 440. In this case, a suitable signal amplification can be provided.
  • the control unit 440 is connected to a data memory 470 as well as to an input / output unit 480.
  • the on-output unit 480 may be the usual combination of a computer screen with a corresponding keyboard.
  • the data memory 470 stores terahertz spectra of known substances. In other words, 470 terahertz spectra of various substances are stored in the data memory, these terahertz spectra having previously been determined using a similar or comparable system by introducing known reference samples.
  • FIG. 9 shows the seventh embodiment according to the invention of the spectral measuring system according to the invention. Similar reference symbols as in the figure previously shown here mean similar components.
  • Particularly advantageous in this embodiment is the direct generation of terahertz radiation by suitable electronic components such as large area GaAs or ZnTe emitter 550.
  • suitable electronic components such as large area GaAs or ZnTe emitter 550.
  • the radiation transmitted through the sample space or reflected by the sample radiation is picked up by a suitable sensor circuit 560, S509, 590 and a form of electrical measurement signals is sent to the control unit 540.
  • FIG. 10 shows an idealized schematic representation of a terahertz frequency comb.
  • a radiation power P is plotted against a terahertz frequency. It is clear that the terahertz
  • Radiation emitted by a suitable element has power maxima at various terahertz frequencies. In this way, a simultaneous spectrum of different terahertz frequencies is provided with a fixed distance between them. It is clear that, due to suitable dimensions of the radiation source and suitable control of the radiation source during operation, considerably more maxima can be provided than shown here. Also, the frequency comb as a whole can be adjusted in operation such that the frequencies of the maxima are varied or that the distances of the maxima are varied or both. If a radiation source with such a terahertz spectrum is used, control of the radiation source for further variation of the wavelengths can be dispensed with.
  • a spectral measurement system for determining substance properties using terahertz radiation, comprising: one or more radiation sources, at least one first radiation source being adjustable or configurable in wavelength, the first radiation source emits a first radiation having a predetermined first wavelength; and is characterized by a sensor responsive to further radiation based on the radiation of the at least one radiation source; a control unit associated with the at least one
  • Radiation source and the sensor is connected; wherein the control unit is designed to control the at least one radiation source and to adjust the wavelength of the at least one adjustable radiation source and to read out the sensor.
  • the spectral measuring system according to the invention can be made compact and allows a simple construction without complicated adjusting actions.

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Abstract

Ein spektrales Messsystem zur Ermittlung von Substanzeigenschaften unter Verwendung von Terahertz-Strahlung umfasst: eine oder mehrere Strahlungsquellen (10; 20), von denen wenigstens eine Strahlungsquelle (10) hinsichtlich ihrer Wellenlänge einstellbar oder konfigurierbar ist, wobei die erste Strahlungsquelle (10) eine erste Strahlung (S1) mit einer vorbestimmten ersten Wellenlänge aussendet; und ist gekennzeichnet durch einen Sensor (90), der auf eine weitere Strahlung (S9) anspricht, welche auf der Strahlung (S1; S401) der wenigstens einen Strahlungsquelle (10; 410) basiert; eine Steuerungseinheit (40), die mit der wenigstens einen Strahlungsquelle (10) und dem Sensor (90) verbunden ist; wobei die Steuerungseinheit (40) dazu ausgebildet ist, die wenigstens eine Strahlungsquelle (10) anzusteuern und die Wellenlänge der wenigstens einen einstellbaren Strahlungsquelle (10) einzustellen sowie den Sensor (90) auszulesen.

Description

Spektrales Messsystem
Die Erfindung betrifft die Erzeugung und Erfassung kohärenter Wellen mit Frequenzen im Terahertz-Bereich.
Die Erzeugung und Erfassung von Terahertz-Wellen-Strahlung ist für viele Anwendungen von Interesse. Insbesondere bei Erfassungssystemen in Sicherheitsanwendungen kann die Terahertz-Wellen-Strahlung eingesetzt werden, um biologisches Waffenmaterial, Explosivstoffe, illegale Drogen und viele andere verborgene Objekte aufzufinden. Bis jetzt ist die Anwendung durch die hohen Kosten, die sperrigen Systeme und den schwierigen Betrieb eingeschränkt. Die Erfindung zeigt einige neue Ideen auf, ein Terahertz-System zu moderaten Kosten zu realisieren.
Die bekannten Terahertz-Systeme arbeiten mit Ultrakurz-Laser- Impulsen, die in nichtlinearen Kristallen oder Photoschaltern gleichgerichtet werden und auf diese Weise ihr Spektrum, das für gewöhnlich im nahen Infrarotbereich liegt, zu einem Band zu verschieben, das eine zentrale Frequenz von 0 Hz aufweist. Dies ist äquivalent zu einem Spektrum von nahezu null bis zu einigen Thz .
Bei anderen verwendeten Systemen ist eine nichtlineare optische Differenzfrequenzerzeugung vorgesehen, wobei das nichtlineare Element kontinuierliche (cw) THz-Wellen bei der Schlagfrequenz zweier Laser erzeugt.
Im folgenden werden einige elementare Grundlagen zur
Erzeugung und Verwendung von Terahertz-Wellen dargestellt. Für die Erfassung von Explosivstoffen, biologischen Kampfstoffen und neue bildgebende Verfahren in Sicherheitsanwendungen gibt es einen erheblichen Bedarf. Einige Systeme auf dem Gebiet der Terahertz-Spektroskopie in einigen Forschungslaboratorien haben vielversprechende Ergebnisse gezeigt. Für die Heimatsicherheit, Feuerbekämpfung, Terrorabwehr und Verteidigung ist diese Technologie ein "Muss".
Die Terahertz-Strahlung entspricht elektromagnetischen Wellen im Frequenzbereich zwischen der Hochfrequenzelektronik und der infraroten Strahlung. Dieses Band wird auch als "fernes Infrarot" bezeichnet und liegt im Bereich von 0,1 bis 10 THz (3 mm bis 30 μm) . Moleküle weisen Absorptionsbänder in diesem Bereich auf. Daher ist es möglich, dieses Band zur
Spektroskopie zu verwenden. Im Prinzip ist es möglich, diese Strahlung auf ähnliche Weisen zu verwenden, wie IR-Strahlung verwendet wird, um Moleküle zu erfassen, zu identifizieren und zu messen.
Bis vor einigen Jahren lag dieses Strahlungsband im Nebel von Messproblemen verborgen. Da es einen Mangel an guten und leicht handhabbaren Strahlungsquellen und Detektoren gab, war die Anwendung auf hochkomplizierte System in der Wissenschaft eingeschränkt.
Der größte Teil der bisherigen Arbeit auf dem Gebiet der Terahertz-Strahlung verwendet Laser als kohärente Strahlungsquellen. Dies steht im Gegensatz zum Infrarot- Bereich, wo die meisten Systeme mit inkohärenten thermischen Strahlungsquellen betrieben werden. Die Kohärenz charakterisiert, wie gut eine Welle mit sich selber zu einer unterschiedlichen Zeit interferieren kann. Die Verzögerung, über die sich die Phase oder Amplitude um einen signifikanten Betrag ändert (und sich damit die Korrelation um einen signifikanten Betrag verringert) ist als die Kohärenzzeit TC definiert. Die Bandbreite einer Welle mit einer langen Kohärenzzeit ist sehr klein und umgekehrt.
Kohärente Wellen können mit sich selber interferieren. Daher ist es möglich, phasenabhängige Messsysteme für den optischen Bereich zu bilden, vergleichbar mit Lock-In-Verstärkern am Ende der geringen Frequenzen.
Ein Laser kann nur in einigen wenigen ausgewählten Moden oszillieren, die sehr kohärent sind. Indem viele Moden mit fester Phasenbeziehung gestattet sind, ist es möglich, sehr kurze Strahlungsimpulse zu erzeugen.
Während vor einigen Jahren Picosekundenpulse der Standard waren, sind nunmehr kommerzielle Systeme bis hinunter zu einigen Femtosekunden verfügbar. Derart kurze Pulse weisen eine sehr große Bandbreite auf:
1 ps <> 1000 GHz = 1 THz 10 fs <> 100 THz
Dies ist die Bandbreite um die Basiswellenlänge, daher ist dies typischerweise nicht Terahertz-Strahlung.
Nichtlineare Optik ist der Optikzweig, der das Verhalten von Licht in nichtlinearen Medien beschreibt, d.h., Medien, in welchen die Polarisation P nichtlinear auf das elektrische Feld E von Licht antwortet. Diese Nichtlinearität wird typischerweise nur bei sehr hohen Lichtintensitäten beobachtet, wie sie beispielsweise durch gepulste Laser bereitgestellt wird. Verschiedene Frequenzmischvorgänge sind möglich, beispielsweise:
• Frequenzverdopplung (second harmonic generation, SHG) , Erzeugung von Licht mit einer verdoppelten Frequenz (der halben Wellenlänge) ;
• Differenzfrequenzerzeugung (difference frequency generation, DFG) , Erzeugung von Licht mit einer Frequenz, die die Differenz zwischen den anderen Frequenzen ist;
• optische Gleichrichtung, Erzeugung quasistatischer elektrischer Felder (ein Spezialfall der DFG) .
Die beiden letztgenannten Vorgänge können verwendet werden, um Strahlung vom leicht erzeugbaren Laserlicht im sichtbaren Bereich in den infraroten Bereich hinein zu verschieben. Die Terahertz-Zeitdomänenspektroskopie (THz-TDS) wird mittels eines kohärenten Emissions- und Erfassungssystems durchgeführt, das Einzel-Zyklus-THz-Pulse emittiert und sie unter hohen Wiederholungsraten erfasst. Das Signal wird in der Form eines elektrischen Feldes erfasst und die Fouriertransformation des Pulssignals ergibt sowohl Amplituden- wie auch Phasenspektren über einen breiten spektralen Bereich.
Die THz-TDS ist mit der gut eingeführten Fourier-
Transformations-Spektroskopie (FTS) verglichen, die Strahlung in der Form einer Leistung erfasst, aber die TDS ist gegenüber der FTS vorteilhaft, weil sie sowohl Phasen- als auch Amplitudeninformation ergibt.
Im Prinzip ist dies im Frequenzbereich ein homodynes System, bei dem die Laserwellenlängen vom IR- zum THz-Band und zurück mit der Hilfe von nichtlinearen Elementen verschoben werden. Als nichtlineare Elemente kommen beispielsweise Auston- Schalter, Halbleiter oder anorganische Kristalle wie KNO oder organische Kristalle wie DAST in Frage.
In der Zeitdomäne wird der Referenzlaserpuls verzögert, um die empfangene Strahlung streng synchron abzutasten oder zu scannen. Die sich ergebende Kurve - als Funktion der Verzögerungszeit - kann einer Fouriertransformation, beispielsweise einer FFT, unterzogen werden, um ein Spektrum zu erhalten, welches das Produkt des Spektrums der THz-Quelle mit der Übertragungskurve der zu untersuchenden Probe ist.
Mit der Kombination zweier Laserdioden und einem nichtlinearen Element ist es möglich, eine Terahertz-Welle einer einzelnen Wellenlänge zu erzeugen. Das System ist vergleichbar zum wohlbekannten Heterodynsystem, das in jedem Radio verwendet wird.
Ein Verfahren zur Herstellung von Terahertz-Wellen ist beispielsweise aus der US 6,144,679 bekannt. Hierin ist beschrieben, wie zwei Strahlungsquellen auf ein nichtlineares optisches Element gerichtet sind, wobei die Wellenlängen der Strahlungsquellen derart ausgewählt sind, dass im nichtlinearen Element eine dritte Strahlung erzeugt wird, deren Frequenz im Terahertz-Bereich liegt. Allerdings ist in der genannten Druckschriften kein Hinweis auf eine einfache Bestimmung von Substanzeigenschaften von zu untersuchenden Objekten zu finden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein spektrales Messsystem zu schaffen, welches eine rasche und zuverlässige Ermittlung von Substanzeigenschaften gestattet.
Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein spektrales Messsystem zu schaffen, welches zusätzlich einfach aufbaubar ist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 oder der nebengeordneten Patentansprüche 3, 16 oder 18 ausgebildeten spektralen Messsystem gelöst. Weitere Merkmale und zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche .
Die gemeinsame erfindungsgemäße Idee beruht für diese Lösungen darauf, dass eine Steuerungseinheit
Strahlungsquellen ansteuert und in Koordination mit dieser Ansteuerung einen Sensor zur Erfassung einer auf den Strahlungen basierenden weiteren Strahlung ausliest. Zur Realisierung stehen zwei Möglichkeiten zur Verfügung: Zum einen können wenigstens zwei Strahlungsquellen vorgesehen sein, von denen wenigstens eine hinsichtlich der emittierten Wellenlänge einstellbar ist. Zum anderen können mehr als zwei Strahlungsquellen vorgesehen sein, welche festgelegte, voneinander unterschiedliche Wellenlängen emittieren.
Mit anderen Worten beruht die gemeinsame erfindungsgemäße Idee der vorliegenden Lösungen darauf, dass eine Steuerungseinheit eine oder mehrere Strahlungsquellen ansteuert und in Koordination mit dieser Ansteuerung einen Sensor zur Erfassung einer auf den Strahlungen basierenden weiteren Strahlung ausliest. Zur Realisierung stehen erfindungsgemäß die folgenden Möglichkeiten zur Verfügung: Zum einen können wenigstens zwei Strahlungsquellen vorgesehen sein, von denen wenigstens eine hinsichtlich der emittierten Wellenlänge einstellbar ist. Zum anderen können mehr als zwei Strahlungsquellen vorgesehen sein, welche festgelegte, voneinander unterschiedliche Wellenlängen emittieren. Zudem wird in einem weiteren erfindungsgemäßen Ansatz die Idee verfolgt, eine einzige Strahlungsquelle einzusetzen, die dazu ausgebildet ist, mehrere Wellenlängen zur Erzeugung von Terahertz-Wellen aussenden zu können, bzw. direkt Terahertz- Wellen auszusenden.
Auch bei mehr als zwei Strahlungsquellen kann wenigstens eine hinsichtlich der emittierten Wellenlänge einstellbare Strahlungsquelle vorgesehen sein, so dass die zugehörigen Terahertz-Frequenzen ein kleines Band überstreichen.
Es handelt sich hierbei also um eine Messseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, sowohl eine Eingangsgröße für ein zu untersuchendes Objekt zu steuern, als auch - in zeitlicher Koordination mit dieser Ansteuerung - eine entsprechende Antwort bzw. Ausgangsgröße vom zu untersuchenden Objekt zu erfassen. Diese Messseinrichtung geht somit weit über ein rein passives Messgerät hinaus und geht auch über eine Erzeugungseinrichtung für vorbestimmte Strahlung weit hinaus. Daher wird der erfindungsgemäße Gegenstand als "Messsystem" bezeichnet.
Der Begriff "Strahlung mit einer vorbestimmten ersten Wellenlänge" bezeichnet hier eine elektromagnetische Strahlung, deren Spektrum bei der vorbestimmten Wellenlänge ein relatives Maximum aufweist.
Mit "Substanzeigenschaft" wird hier zusammenfassend auf eine Zusammensetzung wie auch auf spezifische Eigenschaften eines zu untersuchenden Objekts Bezug genommen. Hinsichtlich einer Zusammensetzung kann eine Substanzeigenschaft darin bestehen, dass das Objekt eine oder mehrere Substanzen enthält. Beim Anwendungsfeld der Sicherheit könnte das zu untersuchende Objekt beispielsweise eine Tasche sein, die einen oder mehrere verschiedene Sprengstoffe enthält. Hinsichtlich spezifischer Eigenschaften könnte das zu untersuchende Objekt beispielsweise die Oberfläche eines geöffneten Halbleiterchips sein, dessen Betrieb überwacht werden soll. Die Substanzeigenschaft wäre in diesem Fall dann ein unterschiedliches Reflexionsvermögen der Halbleiterbahnen in Abhängigkeit von unterschiedlichen Betriebszuständen .
Das erfindungsgemäße spektrale Messsystem zu Ermittlung von Substanzeigenschaften unter Verwendung von Terahertz-
Strahlung umfasst gemäß einem Hauptaspekt der Erfindung wenigstens zwei Strahlungsquellen, von denen wenigstens die erste Strahlungsquelle hinsichtlich ihrer Wellenlänge einstellbar ist. Es ist in diesem Zusammenhang natürlich auch denkbar, dass mehrere Strahlungsquellen vorgesehen sind, beispielsweise drei oder mehr, von denen mehrere oder sogar alle hinsichtlich ihrer Wellenlänge einstellbar sind.
Die erste Strahlungsquelle sendet eine erste Strahlung mit einer vorbestimmten eingestellten ersten Wellenlänge aus und die zweite Strahlungsquelle sendet eine zweite Strahlung mit einer vorbestimmten zweiten Wellenlänge aus, die von der ersten Wellenlänge verschieden ist. Für die vorgesehenen Anwendungszwecke sind die Strahlungsquellen vorzugsweise als Laser ausgeführt, beispielsweise Nd-YAG- oder Diodenlaser.
Die erste und zweite Strahlung ergeben zusammen eine Strahlungskombination, welche in Zusammenwirken mit verschiedenen optischen Komponenten in eine Wechselwirkung mit einem zu untersuchenden Objekt gebracht wird. In Zusammenwirken mit weiteren optischen Komponenten entsteht in Folge eine weitere Strahlung, die letztlich auf der ersten und zweiten Strahlung basiert. Das erfindungsgemäße
Messsystem umfasst einen Sensor, der auf diese weitere Strahlung anspricht. Diese weitere Strahlung wird vom Sensor in ein elektrisches Signal umgewandelt. Ferner umfasst das erfindungsgemäße Messsystem eine Steuerungseinheit. Die Steuerungseinheit ist dazu ausgebildet, die wenigstens zwei Strahlungsquellen anzusteuern und die Wellenlänge der wenigstens einen einstellbaren Strahlungsquelle einzustellen sowie den Sensor auszulesen.
Gemäß einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform entsteht in einem Probenraumbereich, in welchem sich wahlweise das zu untersuchende Objekt befindet, in Abhängigkeit von den Strahlungen der wenigstens zwei Strahlungsquellen eine Terahertz-Strahlung. Die Wellenlänge der Terahertz-Strahlung hängt von den Wellenlängen der
Strahlungsquellen ab. Durch Variation der Wellenlänge der einstellbaren Strahlungsquelle und mit der
Wellenlängenvariation koordiniertem Auslesen des Sensors ist es dem erfindungsgemäßen Messsystem möglich, ein Terahertz- Spektrum des zu untersuchenden Objekts aufzunehmen. Je nach Anordnung der Komponenten zueinander kann es sich hierbei um ein Absorptions- oder ein Reflexionsspektrum handeln. Hierbei bewirkt eine geringfügige Verstimmung der einstellbaren Strahlungsquelle bereits eine große Variation im erzeugten Terahertz-Bereich. Der große Vorteil eines derartigen Systems ist, dass viele der erforderlichen Elemente Standardbauteile aus dem Bereich der Faseroptik bei der Telekommunikation oder der Messverfahren im Bereich des nahen Infrarots sind. Im Prinzip könnten der Emitter oder sogar auch der Empfänger in einer Einzel-Chip-Lösung oder als Multichip-Modul in einem Halbleitergehäuse realisiert werden.
In einer alternativen Ausführungsform weist das spektrale Messsystem zur Ermittlung von Substanzeigenschaften unter Verwendung von Terahertz-Strahlung mehr als zwei Strahlungsquellen auf, die Strahlungen mit voneinander verschiedenen festgelegten Wellenlängen aussenden. Denkbar sind hier Anordnungen mit drei oder vier oder mehr Lasern mit festgelegten Wellenlängen. Eine Steuerungseinheit in dieser Ausführungsform ist dazu ausgebildet, diese Mehrzahl von Strahlungsquellen derart anzusteuern, dass aus dieser Mehrzahl von Strahlungsquellen immer nur genau zwei
Strahlungsquellen ein- und die übrigen ausgeschaltet sind. In zeitlicher Koordination mit dieser Ansteuerung liest die Steuerungseinheit den Sensor aus, welcher auf eine weitere Strahlung anspricht, die auf der Kombination der jeweils zwei ausgewählten Strahlungsquellen basiert. Bei N Strahlungsquellen sind N* (N-I) /2 verschiedene Strahlungskombinationen realisierbar. Auf diese Weise kann, ähnlich wie oben bereits beschrieben, ein Terahertz-Spektrum eines zu untersuchenden Objekts bei N* (N-I) /2 Stützstellen aufgenommen werden.
Das erfindungsgemäße Messsystem weist ferner eine EinAusgabe-Einheit sowie einen Datenspeicher auf, die beide mit der Steuerungseinheit verbunden sind. Im Datenspeicher ist zumindest ein Terahertz-Spektrum einer bekannten Substanz hinterlegt. Die Steuerungseinheit ist dazu ausgebildet, ein wie oben beschrieben aufgenommenes Terahertz-Spektrum eines zu untersuchenden Objekts mit dem wenigstens einen hinterlegten Terahertz-Spektrum zu vergleichen und das Ergebnis des Vergleichs auf die Ein-Ausgabe-Einheit auszugeben. Wiederum auf eine Anwendung im Sicherheitsbereich bezogen könnte im Datenspeicher ein bekanntes Terahertz- Spektrum eines Sprengstoffs hinterlegt sein. Nachdem ein
Terahertz-Spektrum eines zu untersuchenden Objekts wie oben beschrieben aufgenommen wurde, vergleicht die Steuerungseinheit das aktuell gemessene Spektrum mit dem hinterlegten Spektrum. Dieser Vergleich erfolgt mittels einer Methode, die bekanntermaßen zum Vergleich von Spektren herangezogen wird. Beispielsweise könnte ein euklidischer Abstand zwischen dem gemessenen und dem hinterlegten Spektrum berechnet werden. Bei Unterschreiten eines vorgebbaren Schwellwertes wird dann eine Übereinstimmung identifiziert, bei Überschreiten des Schwellwertes wird eine
Nichtübereinstimmung identifiziert. Das Ergebnis dieser Ermittlung wird dann auf der Ein-Ausgabe-Einheit ausgegeben. Die Ausgabe kann derart erfolgen, dass bei Nichtübereinstimmung lediglich ein Text mit dem Inhalt "Keine Übereinstimmung gefunden" auf einem Bildschirm ausgegeben wird, während bei einer Übereinstimmung ein Alarmsignal ausgeben wird, zusammen mit dem Text "Alarm: Sprengstoff A identifiziert". Es kann dann aber auch über eine Netzwerkverbindung oder eine Telekommunikationsverbindung (z.B. ISDN- oder GSM-Modul) eine Warnnachricht an vorbestimmte Personen oder Einrichtungen gesendet werden. Im Datenspeicher kann eine Mehrzahl von Terahertz-Spektren bekannter Substanzen hinterlegt werden. Nach erfolgter Aufnahme des Terahertz-Spektrums eines zu untersuchenden Objektes ist die Steuerungseinheit dann in der Lage, durch Vergleich der hinterlegten Spektren mit dem aufgenommenen Spektrum zu ermitteln, welche Substanz sich im zu untersuchenden Objekt befindet. Beispielsweise könnten Terahertz-Spektren von üblichen Sprengstoffen sowie Terahertz-Spektren von üblichem (harmlosen) Verpackungs- oder Taschenmaterial wie Leder, PE, Leinen, etc. hinterlegt sein. So kann eine größere Sicherheit dahingehend erzielt werden, dass ein notwendiger Alarm nicht unterdrückt wird. Außerdem ist es möglich, vor einem Zusammenbau und einer Programmierung des Messsystems Terahertz-Spektren von Substanzkombinationen aufzunehmen. Beispielsweise kann eine Spektrenreihe mit 99% Sprengstoff A, 1% Leder bis 10% Sprengstoff A, 90% Leder aufgenommen werden. Wenn diese Spektrenreihe im Datenspeicher hinterlegt ist, ist das erfindungsgemäße Messsystem dazu in der Lage, auch Substanzzusammensetzungen zu ermitteln. Auch vorab aufgenommene Messreihen mit Kombinationen von mehr als zwei Bestandteilen sind möglich. Auf diese Weise ist die Zuverlässigkeit des Messsystems erhöht. Für Sicherheitsanwendungen kann dies von ausschlaggebender Bedeutung sein. Besonders vorteilhaft bei diesem Messsystem ist, dass auch weitgehend ungeschultes Bedienpersonal damit arbeiten kann. Damit kann dieses System leicht beispielsweise auch auf Flughäfen eingesetzt werden, wo für gewöhnlich ein hoher Durchsatz an Untersuchungen erforderlich ist.
Die Strahlengänge der Strahlungsquellen sind bei dem erfindungsgemäßen Messsystem derart auf einen Referenzstrahlteiler gerichtet, dass ein Teilstrahl auf ein erstes optisches Element fällt und ein zweiter Teilstrahl auf ein Umlenksystem gerichtet ist.
Vom ersten optischen Element kann dann ein Strahlungsfeld emittiert werden, das zusätzlich zu den eingestrahlten Wellenlängen weitere Wellenlängen umfassen kann.
Ein zweites optisches Element ist in Relation zum ersten optischen Element und zum Umlenksystem derart angeordnet, dass es wenigstens einen Teil der Strahlung des
Strahlungsfeldes aufnehmen kann. Beispielsweise können in einer Ausführungsform das erste optische Element, das zweite optische Element und der Probenraumbereich, der die Probe enthält, in einer Reihe hintereinander angeordnet sein. Dann würde die Probe quasi durchleuchtet werden, es würde also in Transmission gemessen werden. Dies bietet sich an, wenn flüssige oder gasförmige Medien zu untersuchen sind. Alternativ könnten die optischen Elemente im Verhältnis zur Probe auch derart angeordnet sein, dass in Reflexion gemessen wird. Dies ist vorteilhaft, wenn beispielsweise die Aktivität eines Halbleiterchips beobachtet werden soll.
Vorzugsweise wird vom zweiten optischen Element eine Strahlung emittiert, die vom Sensor erfasst werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Strahlungsquellen als Laser und das erste und zweite optische Element als nichtlineare optische Elemente ausgebildet.
Beispielsweise sind die Strahlungsquellen als Diodenlaser ausgebildet. Diodenlaser weisen den besonderen Vorzug auf, dass sie klein und relativ preiswert verfügbar sind. Besonders vorteilhaft wirken die Strahlungskombination der Strahlungsquellen und das erste nichtlineare optische Element derart zusammen, dass das Strahlungsfeld eine Strahlung im Terahertz-Bereich von 0,1 Terahertz bis 100 Terahertz ist. Dieser Frequenzbereich ist zur Durchstrahlung opaker Proben besonders gut geeignet. Während Röntgenstrahlung zu gefährlich ist und herkömmliche Infrarotstrahlung und sichtbares Licht zu schwach sind, stellt die
Terahertzstrahlung eine praktische Möglichkeit dar, gefahrlos und sicher Proben zu durchleuchten.
Das Umlenksystem kann durch Spiegel realisiert sein, alternativ ist es aber auch angedacht, lichtleitende Fasern einzusetzen. Über das Umlenksystem wird die ungestörte, d.h. durch das nichtlineare optische Element unbeeinflusste, Strahlungskombination von den Strahlungsquellen als Referenzstrahlung auf das zweite nichtlineare optische Element gerichtet. Im nichtlinearen optischen Element wechselwirken dann die Terahertz-Strahlung und die Referenzstrahlung derart miteinander, dass wieder eine leicht detektierbare Strahlung entsteht.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messsystems sind die Strahlungsquellen mit einem Strahlungsverstärker auf einem Halbleiterchip integriert. Dies gestattet eine besonders kompakte Bauweise. Zudem werden die Herstellung und die Justierung beim Zusammenbau des erfindungsgemäßen Messsystems erheblich vereinfacht .
Das Messsystem ermöglicht, dass wenigstens eine der Strahlungsquellen sinusoidal oder rechteckförmig moduliert wird. Auf dieses Weise kann auch die Abweichung der Absorptionsspektren gemessen werden.
Ferner sind im Messsystem die Strahlengänge der mehr als zwei Strahlungsquellen derart anordbar, dass sie auf das erste optische Element gerichtet sind, so dass eine Mehrzahl von Terahertz-Wellen gemäß vorbestimmten Schaltfrequenzen der Strahlungsquellen erzeugt werden kann.
Im erfindungsgemäßen Messsystem kann jede Strahlungsquelle mit einer anderen Frequenz beschaltet werden, so dass die sich ergebenden Terahertz-Wellen bei unterschiedlichen Frequenzen moduliert werden können. Durch die auf diese Weise erzeugte Schaltabfolge können beispielsweise zunächst die erste und zweite, danach die zweite und dritte und zum
Schluss die dritte und die erste Strahlungsquelle auf den nichtlinearen Kristall einstrahlen, so dass nacheinander drei unterschiedliche Terahertz-Wellen erzeugt werden.
Ferner ist im erfindungsgemäßen Messsystem das Phase-matching im ersten optischen Element durch unterschiedliche Phasenwinkel der einfallenden Strahlung verbessert. Es ist ein bekanntes Problem in der nichtlinearen Optik, dass die durch die nichtlinearen Effekte erzeugten neuen Strahlungsfelder sich mit anderen Geschwindigkeiten im nichtlinearen Element fortbewegen als die ursprünglich eingestrahlten Strahlungsfelder. Hierdurch können Phasenbeziehungen entstehen, die zu unerwünschten destruktiven Interferenzen führen. Dieses Problem wird durch das sogenannte Phase-matching (index-matching, Anpassung der Brechungsindizes) gelöst. Durch geeignete Ausnutzung von Dispersion und Doppelbrechung, sowie geeignete Anordnung der Strahlungsfelder in Bezug auf die Achsen des anisotropen nichtlinearen optischen Elements läßt sich ein günstigeres Interferenzverhalten einstellen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messsystems sind die Strahlungen der
Strahlungsquellen auf optische Fasern koppelbar. Auf diese Weise entfallen Umlenkspiegel, die erst aufwändig justiert werden müssen, damit die Strahlungen in vorbestimmter Weise auf das erste optische Element fallen.
Insbesondere können die Strahlungen der Strahlungsquellen auf eine einzelne optische Faser koppelbar sein. Wenn nur noch eine Faser vorliegt, ist es besonders einfach, das austretende Strahlungsfeld auf das erste optische Element zu richten. Dies vereinfacht nochmals die Fertigung des Messsystems .
Das Austrittsende der genannten Faser ist derart in Bezug auf das erste optische Element und das zweite optische Element anordbar, dass die aus der Faser austretende Strahlung teilweise auf das erste optische Element und teilweise auf das zweite optische Element fallen kann. Dies wird dadurch erreicht, dass am Austrittsende der Faser ein Strahlteiler angeordnet ist, dessen eine Strahlungsaustrittsfläche dem ersten optischen Element und dessen andere
Strahlungsaustrittsfläche dem zweiten optischen Element zugewandt ist.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messsystems sind abbildende optische Elemente vorgesehen.
Dies können beispielsweise aus Polyethylen gefertigte Linsen sein. Diese Linsen können ferner als Fresnellinsen ausgeführt sein . Wenigstens eines der optischen Elemente ist als nichtlineares optisches Element ausgeführt, das aus DAST (Dimethyl amino 4- N-Methylstilbazolium tosylat) , KDP, ADP, Lithiumniobat, Ba2NaNb5O15, Quarz, GaAs, GaP, BaTiO3, ZnO oder CdS besteht. Diese Aufzählung möglicher Ausgangsmaterialien ist lediglich als beispielhaft anzusehen. Andere geeignete Materialien können ebenfalls zur Verwendung in Frage kommen.
Im erfindungsgemäßen Messsystem kann die Steuerungseinheit als ASIC ausgeführt sein. Wenn die Steuerungseinheit als ASIC ausgeführt ist, ist eine leichte und preiswerte Massenproduktion möglich. Alternativ kann die Steuerungseinheit auch als DSP ausgeführt sein. Damit ist eine besonders rasche Verarbeitung der Messdaten möglich. Auf diese Weise können auch aktuell gemessene Spektren mit einer großen Anzahl an Stützstellen schnell mit den hinterlegten Spektren verglichen werden, so dass eine rasche und sehr zuverlässige Angabe von Substanzeigenschaften möglich ist.
Im erfindungsgemäßen Messsystem kann die Steuerungseinheit alternativ als Embedded System ausgeführt ist. Dies ist insbesondere für Messaufbauten im Bereich der Forschung vorteilhaft. Damit ist eine leichtere Umkonfigurierbarkeit und Anpassung an veränderte Messaufgaben ermöglicht.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann beim erfindungsgemäßen Messsystem der Datenspeicher von einer externen Quelle konfiguriert werden. Auf diese Weise können dynamisch, d.h. auch noch nach einer Fertigung und
Auslieferung weitere Datensätze in Form von Wellenlängen, Intensitäten und zugeordneten Materialangaben zugeführt werden . Insbesondere ist es bei dem erfindungsgemäßen Messsystem möglich, den Datenspeicher über eine Netzverbindung, eine Internetverbindung, eine Telekommunikationsverbindung oder eine induktive Verbindung zu konfigurieren.
Selbstverständlich ist alternativ auch daran zu denken, den Speicher einfach auszuwechseln. Eine raschere Neukonfiguration ist selbstverständlich über die rein elektronischen Wege möglich. Die Neukonfiguration des Speichers kann ein Hinzufügen von weiteren Datensätzen umfassen. Es aber selbstverständlich auch möglich, einen Freischaltcode per Konfigurationsvorgang zuzuführen, durch den bereits abgespeicherte Datensätze in vorbestimmter Weise für Auswerteberechnungen freigeschaltet oder gesperrt werden. Auf diese Weise kann ein Erwerber eines erfindungsgemäßen Messsystem gegen Zahlung einer Gebühr das Messsystem derart nach und nach erweitern, dass immer mehr Substanzen angezeigt werden können, oder im Laufe einer Forschungstätigkeit uninteressant gewordene Substanzen wieder ausgeblendet werden können.
Zusammengefasst ermöglicht das erfindungsgemäße Messsystem also eine Identifizierung von Substanzen oder Substanzeigenschaften, wobei die Besonderheiten einer Terahertz-Strahlung genutzt werden. Die geeignete Ansteuerung mehrerer Strahlungsquellen, beispielsweise Laser oder Laserdioden, führt dazu, dass in einem ersten nichtlinearen optischen Element eine zeitliche Abfolge vorbestimmter Terahertz-Wellenlängen entsteht. Auf diese Weise wird quasi ein Spektrum durchgefahren. Die Messung der sich ergebenden Strahlung unter Zuhilfenahme eines weiteren nichtlinearen optischen Elements führt zu spektralen Informationen der zu untersuchenden Substanz oder Struktur. Die Steuerungseinheit vergleicht dann diese spektralen Informationen mit Spektren bereits bekannter Substanzen oder Strukturen, welche Spektren im Datenspeicher hinterlegt sind. Auf diese Weise kann die Steuerungseinheit ermitteln, welche Substanz / Substanzen / Strukturen bei dem zu untersuchenden Messobjekt vorliegen. Dies gestattet eine besonders rasche Identifizierung gefährlicher Substanzen. Da das erfindungsgemäße Messsystem sehr einfach betrieben werden kann, ist es im höchsten Maße beispielsweise zur Sicherung in Flughäfen oder zur Terrorabwehr geeignet.
Anders gesagt umfasst das erfindungsgemäße Messsystem in einer besonders bevorzugten Ausführungsform nichtlineare Elemente, wie beispielsweise DAST-Kristalle, die von einem oder mehreren Lasern betrieben werden. Insbesondere ist vorgesehen, einen stabilisierten Laser und einen einstellbaren Laser zum Scannen des Terahertz-Spektrums zu verwenden. Alternativ können aber auch mehr als zwei Laser vorgesehen sein. Somit kann quasi-simultan ein vorbestimmter Spektralbereich erfasst werden. Durch Vergleichen der gemessenen Spektren mit Spektren, die in einem Datenspeicher hinterlegt sind, kann dann rasch und zuverlässig ein Hinweis auf die untersuchte Substanz ausgegeben werden. Die Erfassung selber kann optisch synchron unter Verwendung eines zweiten nichtlinearen Elementes durch homodyne Erfassung erfolgen. Besonders vorteilhaft ist es, N Laser vorzusehen, so dass eine Mehrzahl von Frequenzen im Terahertz-Bereich erzeugt werden können. Mit N Lasern ist es möglich, N* (N-I) /2 verschiedene Terahertz-Wellenlängen zu erzeugen. Zusätzlich kann jede Terahertz-Welle unter individuellen Frequenzen moduliert werden, wenn jeder Laser mit Pulsen gemäß verschiedenen Wiederholungsraten moduliert wird. Die Pulswiederholungsrate der Laser muss in der Weise gewählt sein, dass die Schlagfrequenzen zwischen den Pulswiederholungsraten aller Laser unterschiedlich sind. Dieses Schema kann genutzt werden, um jede der Terahertz- Wellen mit phasensensitiven Elementen, wie beispielsweise Lock-In-Verstärkern, bei ihrer individuellen Frequenz zu erfassen .
In dem Falle, dass mehrere Wellenlängen zur Erzeugung von Terahertz-Wellen ausgesandt werden, werden von der Strahlungsquelle Strahlungen mit wenigstens zwei vorbestimmten voneinander verschiedenen Wellenlängen ausgesandt. Vorbestimmt bedeutet dabei, dass durch die Abmessungen oder die Ansteuerung bestimmt ist, welche Wellenlängen ausgesandt werden. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass wenigstens eine der Wellenlängen einstellbar ist.
Als Beispiel kommt hier ein Zwei-Farben-Laser, beispielsweise ein Zwei-Farben-Diodenlaser, in Betracht. Beim Zwei-Farben- Diodenlaser wird der Laserresonator derart betrieben, dass der Laser zwei Strahlungen mit voneinander verschiedenen
Wellenlängen aussendet. Der Vorteil eines derartigen Lasers ist, dass er bei der Herstellung bereits als ein Modul gefertigt werden kann, so dass beim Einbau in ein Messsystem keine weitere Feinjustierung mehr erforderlich ist. Die ausgesandten Wellenlängen unterscheiden sich nur geringfügig. Die bei der Überlagerung der ausgekoppelten Wellenlängen entstehenden Schwebungen werden auf ein optisches Element gerichtet, das diese Strahlungsenergie in Terahertz-Wellen umwandelt. Der Zwei-Farben-Diodenlaser kann derart ausgebildet sein, dass wenigstens eine seiner Wellenlängen im Betrieb einstellbar ist. Der Zwei-Farben-Diodenlaser beruht darauf, dass zwei aneinandergrenzende Bereiche eines Halbleiters eine abweichende Geometrie aufweisen, so dass in ein und demselben Halbleiter zwei unterschiedliche Laserbereiche mit entsprechend unterschiedlichen Wellenlängen vorliegen. Zum Variieren der Wellenlänge nur eines der Laserbereiche wird beispielsweise der Resonatorspiegel für nur den einen Laserbereich verfahren. Damit ist es möglich, zwei vorbestimmte Wellenlängen, von denen wenigstens eine Wellenlänge variabel ist, zu erzeugen. Der Sensor spricht im beschriebenen Messsystem dabei auf eine Strahlung an, die auf den Strahlungen der Strahlungsquelle basiert. Beispielsweise führt die Überlagerung der wenigstens zwei Strahlungen dazu, eine dritte Strahlung mit einer von den Wellenlängen der ersten wenigstens zwei Strahlungen verschiedenen Wellenlänge zu erzeugen. Diese dritte Strahlung ist vorteilhafter Weise ein Terahertz-Strahlung.
Gemäß einem nebengeordneten Aspekt sendet die Strahlungsquelle selbst eine Terahertz-Strahlung aus. Diese Terahertz-Strahlung wird durch ein erstes Element ausgesandt. Dieses Element kann als ein optisches Element, beispielsweise als ein nichtlineares optisches Element, oder als elektrisches Element, beispielsweise als eine photoleitende Antenne, ausgeführt sein. Im Falle der photoleitenden Antenne wird ein intensiver Lichtpuls von kurzer Dauer, etwa 1 ps, auf eine photoleitende Antenne gerichtet, an welcher eine Spannung angelegt ist. Der Lichtimpuls erzeugt freie
Ladungsträger, so dass im elektrischen Feld ein kurzer Stromimpuls entsteht. Dieser induziert einen Puls einer elektromagnetischen Welle im Terahertz-Wellen-Bereich. Das zweite Element kann wie in der beschriebenen Weise ein optisches oder elektrisches Element sein.
Es ist aber auch möglich, die Terahertz-Strahlung durch ein oder mehrere elektronische Bauelemente zu erzeugen. Diesen können mehrere Frequenzverdoppler nachgeordnet sein, wobei mehrere Frequenzen des einen oder der mehreren elektronischen Bauelemente verwendet werden können.
Es ist auch möglich, dass die Strahlungsquelle im Messsystem einen Kamm von Terahertz-Strahlung erzeugt. Die Erzeugung eines derartigen Terahertz-Frequenzkamms ist beispielsweise in "Terahertz Comb Frequency Generation in Nonlinear Optical Devices", Proc. of SPIE, Vol. 6373 (2006) beschrieben. Eine derartige Auswahl einer Strahlungsquelle hat den Vorteil, dass eine Vielzahl von Frequenzen gleichzeitig vorliegt und die Ansteuerung der Strahlungsquelle vereinfacht ist.
Zusammengefasst ermöglicht das erfindungsgemäße Messsystem also eine Identifizierung von Substanzen oder
Substanzeigenschaften, wobei die Besonderheiten einer Terahertz-Strahlung genutzt werden.
Somit ist hier ein preiswertes spektrales Messsystem für den Terahertz-Bereich vorgestellt, wobei die erzielten Lösungen und Leistungsmerkmale, Risiken und Kosten in Bezug auf die Anwendungsgebiete biologischer und chemischer Kampfstoffe, Explosivstoffen sowie "durch-die-Wand-schauen" betont werden.
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen spektralen
Messsystems werden anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung des spektralen Messsystems in einer ersten Ausführungsform;
Figur 2 drei Terahertz-Spektren von unterschiedlichen Sprengstoffen; Figur 3 eine schematische Darstellung des spektralen Messsystems in einer zweiten Ausführungsform;
Figur 4a ein schematisches Ansteuerungsdiagramm der Laser beim spektralen Messsystem in der zweiten Ausführungsform;
Figur 4b ein alternatives schematisches Ansteuerungsdiagramm der Laser beim Messsystem in der zweiten
Ausführungsform;
Figur 5 eine schematische Darstellung des spektralen Messsystems in einer dritten Ausführungsform;
Figur 6 eine schematische Darstellung des spektralen Messsystems in einer vierten Ausführungsform;
Figur 7 eine schematische Darstellung des spektralen Messsystems in einer fünften Ausführungsform;
Figur 8 eine schematische Darstellung des spektralen
Messsystems in einer sechsten Ausführungsform; und
Figur 9 eine schematische Darstellung des spektralen
Messsystems in einer siebten Ausführungsform; und
Figur 10 eine schematische Darstellung eines Terahertz-
Frequenzkamms .
Die Figur 1 zeigt die erste erfindungsgemäße Ausführungsform des spektralen Messsystems. Hierbei sind nur die zur Erläuterung der Erfindung unbedingt erforderlichen Elemente dargestellt. Es ist klar, dass weitere Elemente in bekannter Weise eingebaut sein können, wie beispielsweise variierbare Delay-Strecken, λ/2- oder λ/4-Plättchen, geeignet gewählte Filter und dergleichen. Ein erster Laser 10 (erste Strahlungsquelle) und ein zweiter Laser 20 (zweite
Strahlungsquelle) werden über die jeweilige Schnittstelle 41 und 42 von einer Steuerungseinheit 40 angesteuert. Die Steuerungseinheit 40 ist dazu ausgebildet, die Laser 10 und 20 an- und auszuschalten. Die Steuerungseinheit 40 ist ferner dazu in der Lage, die Wellenlänge wenigstens eines der Laser 10, 20 einzustellen. Dies wird durch eine geeignete Einstellung der Temperatur und des Betriebsstromes, des jeweiligen Lasers 10, 20 erreicht. Im vorliegenden Beispiel wird angenommen, dass die Wellenlänge des Lasers 10 in vorbestimmter Weise eingestellt wird. Beispielsweise emittiert der Laser 10 mit einer einstellbaren Wellenlänge, die in einem Wellenlängenbereich von 1580 bis 1600 nm liegt, während der Laser 20 fest auf eine Wellenlänge 1602 nm eingestellt ist. Auf diese Weise kann mittels eines nichtlinearen optischen Elements eine einstellbare Terahertz- Strahlung von 0.23 bis 2.6 Thz erzeugt werden.
Die Austrittsöffnung des ersten Lasers 10 ist auf einen undurchlässigen Spiegel 11 gerichtet, der so angeordnet ist, dass er die Strahlung des ersten Lasers 10 auf eine
Eintrittsfläche eines nachgeordneten Strahlteilers 21 richtet. Die Austrittsöffnung des zweiten Lasers 20 ist auf eine zweite Eintrittsfläche des Strahlteilers 21 gerichtet.
In der vorliegenden Ausführungsform ist dem ersten
Strahlteiler 21 ein zweiter Strahlteiler 51 nachgeordnet, der den Strahl S5 in die Strahlen S5' und S5' ' aufteilt. In alternativen Ausführungsformen können mehrere Laser vorgesehen sein (s.u.) . In der vorliegenden Ausführungsform ist die Austrittsfläche des ersten Strahlteilers 21 der Eintrittsfläche des zweiten Strahlteilers 51 zugewandt. Eine Austrittsfläche des zweiten Strahlteilers 51 ist einer Eintrittsfläche eines ersten nichtlinearen optischen
Elementes 50, beispielsweise einem DAST-Kristall, zugewandt. Eine weitere Austrittsfläche des zweiten Strahlteilers 51 ist einer Strahlumlenk-Vorrichtung 52, 53 zugewandt. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Strahlumlenk-Vorrichtung 52, 53 aus zwei Spiegeln 52 und 53 ausgeführt, sie kann aber auch besonders einfach handhabbar als Lichtfaser 52 ' ausgeführt sein.
Der Austrittsfläche des ersten nichtlinearen optischen Elementes 50 ist die Eintrittsfläche eines zweiten nichtlinearen optischen Elementes 60 zugewandt angeordnet.
Das zweite nichtlineare optische Element 60 kann ebenfalls aus einem geeignet vorbereiteten DAST-Kristall gebildet sein.
Der zwischen den beiden nichtlinearen optischen Elementen 50 und 60 befindliche Raum R ist dazu vorgesehen, als
Probenraumbereich R wahlweise das zu untersuchende Objekt aufzunehmen .
Statt einen Teil der Sender-Strahlung S5' ' als Referenz zum nichtlinearen, optischen Element 60 zu führen, kann lokal eine Strahlung erzeugt werden, um die Terahertz-Strahlung wieder ins Infrarote zu verschieben. Analog wäre dies ein Lokaloszillator im Radioempfänger. Es kann aber auch ein Bolometer oder ein anderer Terahertz-Detektor direkt ohne das nichtlineare optische Element 60 eingesetzt werden. Die verschiedenen Wellenlängen im Terahertz-Bereich wären dann vielleicht nicht unterscheidbar, sind dies aber, da sie mit verschiedenen Frequenzen empfindlich moduliert sind. Die Austrittsfläche des zweiten nichtlinearen optischen Elementes 60 ist der strahlungssensitiven Fläche eines geeigneten Sensors 90 zugewandt. In der vorliegenden Ausführungsform wird eine handelsübliche Photodiode mit einer geeigneten spektralen Empfindlichkeit eingesetzt. In Systemen, die für reine Forschungszwecke ausgelegt sind, kann an dieser Stelle aber auch ein mit flüssigem Helium gekühltes Bolometer vorgesehen sein. Der Sensor 90 ist dazu bestimmt, eine auftreffende Strahlung in ein elektrisches Signal umzuwandeln, das dann über eine Schnittstelle 49 dann zur Steuerungseinheit 40 gelangt. Hierbei kann eine geeignete Signalverstärkung vorgesehen sein.
Die Steuerungseinheit 40 ist mit einem Datenspeicher 70 sowie mit einer Ein-Ausgabe-Einheit 80 verbunden. Die Ein-Ausgabe- Einheit 80 kann die übliche Kombination eines Computerbildschirms mit entsprechender Tastatur sein. Im Datenspeicher 70 sind Terahertz-Spektren von bekannten Substanzen hinterlegt. Mit anderen Worten sind im
Datenspeicher 70 Terahertz-Spektren verschiedener Substanzen hinterlegt, wobei diese Terahertz-Spektren zuvor mit einem ähnlichen oder vergleichbaren System durch Einbringen bekannter Referenzproben ermittelt wurden. Als Steuerungseinheit 40 kommt ein handelsüblicher PC in Frage, der mit geeigneten Schnittstellen und einer geeigneten Software versehen ist. Die spektralen Daten im Datenspeicher 70 liegen dann in einer oder mehreren Dateien vor, auf die eine weitere Software zugreifen kann, welche spezifisch ist für spektrale Auswertungen. Für eine Massenfertigung ist aber auch an eine Kombination eines Micronontroller-Bausteins mit einem speziell programmierten ASIC zu denken. Im Betrieb senden die Laser 10 und 20 Laserstrahlungen Sl und S2 aus. Diese Kombination von Strahlungen ergibt den Strahl S5. Durch den Strahlteiler 51 wird der Strahl S5 in die Strahlen S5' und S5'1 aufgeteilt. Der Strahl S5' ist auf das nichtlineare Element 50 gerichtet. Im nichtlinearen Element 50 kommt es durch die nichtlineare Überlagerung der Laserstrahlungen Sl und S2 zu einer Differenzwellenlänge, deren Frequenz im Terahertz-Bereich liegt. Diese Frequenz ist besonders gut zur gefahrlosen und zuverlässigen Durchleuchtung verschiedenster Substanzen geeignet. Das so entstehende Terahertz-Strahlungsfeld T befindet sich dem ersten nichtlinearen optischen Element direkt nachgeordnet. Im zweiten nichtlinearen Element 60, z.B. einem Photomixer, werden die entstandene und durch das zu untersuchende Objekt modifizierte Terahertz-Strahlung T und der Referenzstrahl S5'1 überlagert. Auf diese Weise entsteht eine weitere Strahlung S9. Dies ist wieder eine Strahlung im Wellenlängenbereich des nahen Infrarots, welche wiederum vom Sensor 90 erfasst wird. Der ausgelesene Messwert des Sensors 90 wird zusammen mit den Wellenlängeneinstellungen der beiden Laser 10 und 20 in einem temporären Speicher (nicht gezeigt) der Steuerungseinheit 40 abgelegt.
Sodann wird der einstellbare Laser 10 hinsichtlich seiner emittierten Wellenlänge ein wenig in vorbestimmter Weise verstimmt (d.h. eingestellt) . Dies geschieht durch eine geeignete Temperaturvariation des Resonators im Laser. Die sich auf diese Weise nunmehr ergebende Terahertz-Strahlung weist eine andere Frequenz als die zuvor erzeugte Terahertz- Strahlung auf. Auf dieselbe Weise, wie zuvor beschrieben, werden nun die entsprechende Wellenlänge sowie die vom Sensor 90 erfasste Strahlung in der Steuerungseinheit 40 im temporären Speicher abgelegt. Dieser Schritt kann so häufig wie nötig wiederholt werden. Vorzugsweise werden Absorptionswerte bei wenigstens drei unterschiedlichen Terahertz-Frequenzen gemessen.
Auf diese Weise hat das erfindungsgemäße spektrale Messsystem wenigstens drei Stützstellen für das Terahertz- Absorptionsspektrum der zu untersuchenden Substanz aufgenommen. Da jede Substanz ein charakteristisches Terahertz-Spektrum aufweist, ist es der Steuerungseinheit 40 nunmehr möglich, aufgrund der im Datenspeicher 70 hinterlegten Spektren mit zugeordneten Substanzen durch Vergleich mit dem soeben gemessenen Spektrum einen Hinweis auf die aktuell zu messende Substanz auszugeben.
Die Auswertung der gemessenen Werte ist am besten anhand der Figur 2 zusammen mit der nachfolgenden Tabelle zu erläutern. Die Figur 2 zeigt drei Terahertz-Spektren von unterschiedlichen Sprengstoffen A, B und C. Hierbei handelt es sich um Absorptionsspektren, wobei die Frequenz nach rechts aufgetragen ist und die Absorption in beliebigen
Einheiten nach oben aufgetragen ist. Es fällt deutlich auf, dass der Sprengstoff A ein relatives Absorptionsmaximum bei etwa 1,1 THz aufweist, während der Sprengstoff B ein relatives Absorptionsmaximum bei etwa 0,8 THz aufweist und der Sprengstoff B ein nur schwach ausgeprägtes relatives Absorptionsmaximum bei etwa 1,6 THz aufweist.
Der Laser 10 wird so eingestellt, dass dieser zusammen mit dem Laser 20 in vorbestimmter Abfolge die Emission von vier unterschiedlichen Terahertz-Wellen mit Frequenzen tl, t2, t3 und t4 aus dem ersten nichtlinearen Element bewirkt. Die Frequenzen tl, t2, t3 und t4 sind derart gewählt, dass spektrale Charakteristika spezieller Sprengstoffe enthalten sind. Als spektrales Charakteristikum kommt vorteilhaft ein relatives Absorptionsmaximum in Frage.
Wird nun die zu untersuchende Substanz im wie oben beschrieben erzeugten Terahertz-Strahlungsfeld bei den vier vorbestimmten Frequenzen tl, t2, t3 und t4 abgetastet, so werden vier Messwerte bestimmt, die vier Punkte im Absorptionsspektrum der zu untersuchenden Substanz darstellen. Diese vier Punkte dienen als Stützstellen für die nachfolgende Auswertung. Auf der Grundlage der abgespeicherten Spektren, die im Datenspeicher 70 der Steuerungseinheit 40 quasi als Spektralbibliothek hinterlegt sind, ist die Steuerungseinheit 40 nunmehr in der Lage, durch ein oder mehrere Vergleichsoperationen das hinterlegte Spektrum aufzufinden, das eine maximale Ähnlichkeit mit dem gemessenen Spektrum, das auf den vier Stützstellen basiert, aufweist. Als einfachstes Verfahren kann der euklidische Abstand zwischen dem gemessenen Spektrum und den hinterlegten Spektren ermittelt werden: Dasjenige hinterlegte Spektrum, bei welchem der euklidische Abstand minimal ist, gehört mit höchster Wahrscheinlichkeit zu derjenigen Substanz, die augenblicklich auch durchgemessen wird. Falls bei diesem Verfahren keine Substanz aufgefunden wurde, kann als zusätzlicher Schritt eine Normierung aller zu vergleichenden Spektren durchgeführt werden. Es gibt eine Anzahl bekannter Verfahren, mit denen sich die wahrscheinlichste Zusammensetzung der zu untersuchenden Substanz ermitteln lässt, sowie eine Gütezahl, die die Qualität oder statistische Sicherheit der Substanzangabe anzeigt.
Auf diese Weise kann rasch und zuverlässig ermittelt werden, ob und wenn ja welcher Sprengstoff sich gerade im Raum R befindet . Die Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung des spektralen Messsystems in einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform. Gleiche Bezugszeichen wie in Figur 1 bedeuten die gleichen Bauelemente mit den gleichen
Funktionalitäten. Der Unterschied zur ersten Ausführungsform liegt darin, dass hier drei Laser 10, 20 und 30 vorgesehen sind, die bei jeweils fest eingestellten unterschiedlichen Wellenlängen emittieren. Die Strahlung des Lasers 30 wird über den Strahlteiler 31 eingekoppelt, so dass sich der Strahl S5 ergibt. In Abweichung von der ersten
Ausführungsform wird hier außerdem die Referenzstrahlung S5'1 über eine Lichtleitfaser 52 ' umgelenkt und auf das zweite nichtlineare optische Element 60 gerichtet. Die Ansteuerung der Laser 10, 20 und 30 erfolgt durch eine gegenüber der ersten Ausführungsform modifizierte Steuerungseinheit 40'.
Die zweite erfindungsgemäße Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass keiner der Laser (10, 20, 30) verstimmt werden muss, um eine spektrale Variation zu erzielen. Das Terahertz- Spektrum wird vielmehr dadurch abgetastet, dass jeweils nur zwei Laser abstrahlen, während der jeweils dritte Laser ausgeschaltet ist. Auf diese Weise können zeitlich versetzt drei verschiedene Terahertz-Frequenzen erzeugt werden, mittels derer an eben diesen drei Stützstellen das
Absorptionsspektrum einer zu untersuchenden Substanz abgetastet wird. Beispielsweise kann der Laser 10 bei 1995 nm, der Laser 20 bei 1600 nm und der Laser 30 bei 1610 nm emittieren. Die Steuerungseinheit 40' steuert jeweils zwei Laser so an, dass - je nach Kombination - die Terahertz- Frequenzen 0.59 THz, 1.16 THz bzw. 1.75 THz erzeugt werden. Ein Beispiel für eine zeitliche Abfolge solch einer Ansteuerung zeigt Figur 4a. Die Figur 4a zeigt ein schematisches Ansteuerungsdiagramm der Laser beim spektralen Messsystem in der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform. Mit LlO, L20 und L30 sind die Einschaltzeiten der jeweiligen Laser 10, 20 und 30 bezeichnet. Beispielsweise sind zum Zeitpunkt Tl nur die Laser 10 und 20 eingeschaltet, so dass die sich ergebende Terahertz-Strahlung eine Frequenz von fl THz aufweist. In der Steuerungseinheit 40 bzw. dem Datenspeicher 70 ist hinterlegt, welche Kombination von je zwei Lasern zu welcher Terahertz-Strahlung führt. Durch Schalten der Laser gemäß der dargestellten Ansteuerungsabfolge ist es somit möglich, das Spektrum einer zu untersuchenden Substanz an drei Stützstellen zu ermitteln. Wie oben dargestellt errechnet die Ansteuerungseinheit dann durch den Vergleich mit den im
Speicher 70' hinterlegten Spektren, welche Substanz sich mit der größten Wahrscheinlichkeit im Raum R befindet.
Wenn gemäß einem alternativen Modulationsschema nach Fig. 4b die drei Laser 10, 20, 30 mit je einer verschiedenen Pulsfrequenz moduliert werden, so resultiert für die Terahertz-Strahlungen für jede Wellenlänge fi, ±2, fs eine andere Modulationsfrequenz mit den Perioden Period 1, Period 2. Damit können am Empfänger bei drei verschiedenen Modulationsfrequenzen Period 1, 2, 3 die Amplituden gemessen und damit die Strahlung bei den regelmäßigen Terahertz- Wellenlängen bestimmt werden. In der Figur 4b ist dies für zwei der drei möglichen Terahertz-Frequenzen dargestellt. Die Kombination der Laser 20, 30 ist in dieser Darstellung nicht sichtbar, da deren Perioden größer sind als der dargestellte Zeitraum. Damit kann auch quasi-kontinuierlich gemessen werden . In diesem Zusammenhang möge die Auswertung unter Verwendung der untenstehenden Tabelle das Verfahren näher erläutern, folgende Die Tabelle enthält die Absorptionswerte vom Sprengstoff A ("Stoff A"), Sprengstoff B ("Stoff B") und Sprengstoff C ("Stoff C") bei den Terahertz-Frequenzen 0,6, 0,8, 1 und 1,1 THz. Ferner enthält die Tabelle eine Spalte ("Messung") mit einem gemessenen Terahertz-Spektrum von einem zu untersuchenden Objekt. In der jeweiligen Spalte "Diff" neben den jeweiligen StoffSpektren ("Stoff A", "Stoff B" oder "Stoff C") ist das Quadrat der Differenz vom aktuell gemessenen Absorptionswert zum hinterlegten jeweiligen Absorptionswert eines Stoffs bei der entsprechenden Frequenz eingetragen. In der untersten Zeile sind drei Werte (6,24, 45,37 und 47,13) eingetragen. Dies sind die Quadratwurzeln der Summe der jeweiligen Abstandsquadrate pro StoffSpektrum. Mit anderen Worten sind dies die euklidischen Abstände vom aktuell gemessenen Spektrum zum jeweiligen StoffSpektrum. Dasjenige hinterlegte StoffSpektrum, das einen minimalen euklidischen Abstand zum gemessenen Spektrum des zu untersuchenden Objekts aufweist, zeigt mit größter
Wahrscheinlichkeit die im zu untersuchenden Objekt enthaltene Substanz an. Es ist klar, dass die Qualität der Vorhersage zunimmt, je mehr StoffSpektren im Datenspeicher 40 hinterlegt sind. Mit diesem Verfahren ist es auch möglich, Terahertz- Spektren von Stoffgemisch-Reihen im Datenspeicher 40 zu hinterlegen, so dass sogar Zusammensetzungen und Konzentration verschiedener Stoff vom erfindungsgemäßen Messsystem detektiert werden können. Es ist klar, dass auch andere mathematische Verfahren zur Auswertung von Spektren hier eingesetzt werden können. Insbesondere ist hier an statistische Verfahren zu denken, die zusätzlich auch Konfidenzintervalle ausgeben. Ferner ist es mit weiteren mathematischen Verfahren möglich, die Stützstellen der Spektren zu interpolieren. Auf diese Weise ist möglich, falls ein Messsystem mit einer abweichenden Anzahl von Laserdioden zusammengebaut werden soll oder abweichende Wellenlängen eingestellt werden sollen, dieselben bereits einmal aufgenommen Terahertz-Spektren bekannter Substanzen wiederzuverwenden .
Das Einlernen von Meßspektren kann auch durch neuronale Netzwerke durchgeführt werden.
Es ist klar, dass auch mehr als drei Laser eingesetzt werden können. Besonders vorteilhaft werden vier bis acht Laser mit festgelegten unterschiedlichen Wellenlängen eingesetzt.
Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung des spektralen Messsystems in einer dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform. Ähnliche Bezugszeichen bedeuten ähnliche Bauelemente wie in den vorangegangenen Figuren. In der dritten Ausführungsform werden drei Laser 110, 120 und 130 eingesetzt, die von einem digitalen Signalprozessor (DSP) 140 mit Datenspeicher 170 angesteuert werden. Eine Materialprobe M kann wahlweise in das entstehende Terahertz-Strahlungsfeld T eingebracht werden. Der Detektor 190 wandelt die erfasste Lichtintensität in ein elektrisches Signal um, das vom DSP ausgewertet wird. Das Ergebnis der Auswertung gibt der DSP auf die Ein-Ausgabe-Einheit 180 aus.
Figur 6 zeigt eine schematische Darstellung des spektralen Messsystems in einer vierten erfindungsgemäßen
Ausführungsform, wobei ähnliche Bezugszeichen ähnliche Bauelemente wie in den vorangegangenen Figuren bedeuten. Der Unterschied dieser Ausführungsform zu den vorangegangen ist, dass die von vier Lasern 210, 220, 230 und 240 emittierten Strahlungen jeweils durch Lichtwellenleiter S201, S202, S203 und S204 geführt und vereinigt werden. Dies vereinfacht den Zusammenbau des spektralen Messsystems, da es nunmehr nicht erforderlich ist, die Laser einzeln zu justieren. Vielmehr können die Lichtwellenleiter geeignet vorgefertigt werden, so dass beim Zusammenbau des Messsystems nur noch die Enden der Lichtwellenleiter aufgesteckt zu werden brauchen.
Figur 7 zeigt eine schematische Darstellung des spektralen Messsystems in einer fünften erfindungsgemäßen Ausführungsform, wobei ähnliche Bezugszeichen ähnliche
Bauelemente wie in den vorangegangenen Figuren bedeuten. Die Besonderheit der vorliegenden Ausführungsform ist, dass die Messungen hier in einer Reflexionsanordnung erfolgen. Ein Element SOA 350' emittiert eine Terahertz-Strahlung, die durch ein abbildendes Element in den Probenraum gestrahlt wird. Bei dem abbildenden Element 355 kann es sich um eine Linse handeln, beispielsweise eine aus Polyethylen gefertigte Fresnellinse . Die Terahertz-Strahlung durchdringt das zu untersuchende Material M, wird von einer reflektierenden Fläche R reflektiert um schließlich auf ein zweites abbildendes Element 365 zu fallen, das ebenfalls eine aus Polyethylen gefertigte Fresnellinse sein kann. Der Detektor 390 erfasst dann die durch das zweite abbildende Element hindurchtretende Strahlung und leitet ein entsprechendes Signal an den DSP 340 weiter.
Es wird angemerkt, dass der in Figur 7 gezeigte Aufbau des erfindungsgemäßen spektralen Messsystems - unter Weglassen eines Materials M - auch dazu geeignet ist, zeitlich veränderliche Oberflächenbeschaffenheiten der reflektierenden Fläche R zu erfassen. Damit sind Substanzeigenschaften messbar gemacht. Dies ist insbesondere bei der Untersuchung der Aktivität von Halbleiterchips von Vorteil.
Es wurde gezeigt, dass das erfindungsgemäße spektrale Messsystem eine rasche und zuverlässige Bestimmung von Substanzen oder Substanzeigenschaften ermöglicht, ohne, dass ein Benutzer Fachkenntnisse benötigt und, dass sich die Erfindung unter Verwendung preiswerter frei erhältlicher Bauelemente realisieren lässt. Erreicht wird dies dadurch, dass unter mehreren vorbestimmten Wellenlängen Terahertz- Strahlung auf ein zu untersuchendes Material zur Wechselwirkung mit diesem gegeben wird und die sich ergebende Strahlung von einer Steuerungseinheit mit einem zugeordneten Datenspeicher, der spektrale Messdaten enthält, ausgewertet wird.
Die Figur 8 zeigt die sechste erfindungsgemäße Ausführungsform des spektralen Messsystems. Hierbei sind nur die zur Erläuterung der Erfindung unbedingt erforderlichen Elemente dargestellt. Es ist klar, dass weitere Elemente in bekannter Weise eingebaut sein können, wie beispielsweise variierbare Delay-Strecken, λ/2- oder λ/4-Plättchen, geeignet gewählte Filter und dergleichen. Eine Strahlungsquelle 410, die mehrere Strahlungen S401 unterschiedlicher Wellenlängen aussenden kann, beispielsweise zwei Wellenlängen mit λl = 1600 nm und λ2 = 1610 nm, wird durch eine Steuerungseinheit 440 angesteuert.
Die Austrittsöffnung der Strahlungsquelle 410 ist auf einen undurchlässigen Spiegel 411 gerichtet, der so angeordnet ist, dass er die Strahlung der Strahlungsquelle 410 auf eine Eintrittsfläche eines Strahlteiler 451 richtet, welcher den Strahl S405 in die Strahlen S405' und S405' ' aufteilt. Eine Austrittsfläche des Strahlteilers 451 ist einer Eintrittsfläche eines ersten optischen Elementes 450, beispielsweise einem DAST-Kristall oder einer photoleitenden Antenne, zugewandt. Eine weitere Austrittsfläche des Strahlteilers 451 ist einer Strahlumlenk-Vorrichtung 452, 453 zugewandt. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Strahlumlenk-Vorrichtung 452, 453 aus zwei Spiegeln 452 und 453 ausgeführt, sie kann aber auch besonders einfach handhabbar als Lichtfaser ausgeführt sein.
Der Austrittsfläche des ersten optischen Elementes 450 ist die Eintrittsfläche eines zweiten optischen Elementes 460 zugewandt angeordnet. Das zweite optische Element 460 kann ebenfalls aus einem geeignet vorbereiteten DAST-Kristall oder einer photoleitenden Antenne - ohne angelegte äußere Spannung - gebildet sein. Der zwischen den beiden optischen Elementen 450 und 460 befindliche Raum R ist dazu vorgesehen, als Probenraumbereich R wahlweise das zu untersuchende Objekt aufzunehmen .
Die Austrittsfläche des zweiten optischen Elementes 460 ist der strahlungssensitiven Fläche eines geeigneten Sensors 490 zugewandt. In der vorliegenden Ausführungsform wird eine handelsübliche Photodiode mit einer geeigneten spektralen Empfindlichkeit eingesetzt. In Systemen, die für reine Forschungszwecke ausgelegt sind, kann an dieser Stelle aber auch ein mit flüssigem Helium gekühltes Bolometer vorgesehen sein. Der Sensor 490 ist dazu bestimmt, eine auftreffende Strahlung in ein elektrisches Signal umzuwandeln, das dann über eine Schnittstelle 449 dann zur Steuerungseinheit 440 gelangt. Hierbei kann eine geeignete Signalverstärkung vorgesehen sein.
Die Steuerungseinheit 440 ist mit einem Datenspeicher 470 sowie mit einer Ein-Ausgabe-Einheit 480 verbunden. Die EinAusgabe-Einheit 480 kann die übliche Kombination eines Computerbildschirms mit entsprechender Tastatur sein. Im Datenspeicher 470 sind Terahertz-Spektren von bekannten Substanzen hinterlegt. Mit anderen Worten sind im Datenspeicher 470 Terahertz-Spektren verschiedener Substanzen hinterlegt, wobei diese Terahertz-Spektren zuvor mit einem ähnlichen oder vergleichbaren System durch Einbringen bekannter Referenzproben ermittelt wurden.
Die Auswertung der gemessenen Werte ist bereits umfassend in der Hauptanmeldung erläutert, auf die hier ausdrücklich Bezug genommen wird.
Figur 9 zeigt die siebte erfindungsgemäße Ausführungsform des erfindungsgemäßen spektralen Messsystems. Ähnliche Bezugszeichen wie in der zuvor gezeigten Figur bedeuten hierbei ähnliche Bauelemente.
Besonders vorteilhaft an dieser Ausführungsform ist die direkte Erzeugung von Terahertz-Strahlung durch geeignete elektronische Bauelemente wie beispielsweise großflächige GaAs- oder ZnTe-Emitter 550. Die durch den Probenraum hindurchgegangene oder von der Probe reflektierte Strahlung Strahlung wird von einer geeigneten Sensorschaltung 560, S509, 590 aufgenommen und ein Form elektrischer Messsignale an die Steuerungseinheit 540 geleitet.
Figur 10 zeigt idealisiert eine schematische Darstellung eines Terahertz-Frequenzkamms . Hierbei ist eine Strahlungsleistung P gegen eine Terahertz-Frequenz aufgetragen. Deutlich ist hierbei, dass die Terahertz-
Strahlung, die von einem geeigneten Element ausgesandt wird, bei verschiedenen Terahertz-Frequenzen Leistungsmaxima aufweist. Auf diese Weise ist ein simultanes Spektrum verschiedener Terahertz-Frequenzen mit festem Abstand untereinander bereitgestellt. Es ist klar, dass durch geeignete Abmessungen der Strahlungsquelle und eine geeignete Ansteuerung der Strahlungsquelle im Betrieb erheblich mehr Maxima bereitgestellt sein können als hier dargestellt ist. Auch kann der Frequenzkamm als Ganzes dergestalt im Betrieb eingestellt werden, dass die Frequenzen der Maxima variiert werden oder, dass die Abstände der Maxima variiert werden oder beides. Wird eine Strahlungsquelle mit einem derartigen Terahertz-Spektrum verwendet, so kann auf eine Ansteuerung der Strahlungsquelle zur weiteren Variation der Wellenlängen verzichtet werden.
Mit anderen Worten wurde gemäß einem erfindungsgemäßen Aspekt ein spektrales Messsystem zur Ermittlung von Substanzeigenschaften unter Verwendung von Terahertz- Strahlung geschaffen, das umfasst: eine oder mehrere Strahlungsquellen, von denen wenigstens eine erste Strahlungsquelle hinsichtlich ihrer Wellenlänge einstellbar oder konfigurierbar ist, wobei die erste Strahlungsquelle eine erste Strahlung mit einer vorbestimmten ersten Wellenlänge aussendet; und ist gekennzeichnet durch einen Sensor, der auf eine weitere Strahlung anspricht, welche auf der Strahlung der wenigstens einen Strahlungsquelle basiert; eine Steuerungseinheit, die mit der wenigstens einen
Strahlungsquelle und dem Sensor verbunden ist; wobei die Steuerungseinheit dazu ausgebildet ist, die wenigstens eine Strahlungsquelle anzusteuern und die Wellenlänge der wenigstens einen einstellbaren Strahlungsquelle einzustellen sowie den Sensor auszulesen.
Es wurde somit ferner gezeigt, dass das erfindungsgemäße spektrale Messsystem kompakt gebaut werden kann und einen leichten Aufbau ohne komplizierte Justierhandlungen ermöglicht.
Bezugszeichenliste
10 Laser (erste Strahlungsquelle)
11 erster Umlenkspiegel
20 Laser (zweite Strahlungsquelle)
21 zweiter Umlenkspiegel
30 Laser (dritte Strahlungsquelle)
40 Steuerungseinheit
41 Ansteuerungsschnittstelle 4422 Ansteuerungsschnittstelle
49 Ausleseschnittstelle
50 erstes nichtlineares optisches Element
51 Referenzstrahlteuer
52, 53 Umlenksystem 6600 zweites nichtlineares optisches Element
70 Datenspeicher
80 Ein-Ausgabe-Einheit
90 Sensor
Sl Strahlengang der ersten Strahlungsquelle (Laser 10) SS22 Strahlengang der zweiten Strahlungsquelle (Laser20)
S5 Strahlengang der zusammengefassten Strahlen
S5' vom Strahlteiler ausgehender Probenstrahlengang
S5' ' vom Strahlteiler ausgehender Referenzstrahlengang
S9 auf den Sensor gerichteter Strahlengang 441100 Strahlungsquelle
411 Umlenkspiegel
440, 540 Steuerungseinheit
441, 541 Ansteuerungsschnittstelle
449, 549 Ausleseschnittstelle 445500,, 555500 erstes optisches Element
451 Referenzstrahlteiler
452, 453 Umlenksystem
460, 560 zweites optisches Element 470, 570 Datenspeicher 480, 580 Ein-Ausgabe-Einheit 490, 590 Sensor
S401 Strahlengang der Strahlungsquelle 410 S405 Strahlengang der reflektierten Strahlen
S405' vom Strahlteiler ausgehender
Probenstrahlengang S405'1 vom Strahlteiler ausgehender
Referenzstrahlengang S409 auf den Sensor gerichteter Strahlengang
R Probenraumbereich, in dem sich eine zu untersuchende Probe befinden kann T Strahlungsfeld, das auf die Probe einwirkt

Claims

- 1 -Patentansprüche
1. Spektrales Messsystem zur Ermittlung von
Substanzeigenschaften unter Verwendung von Terahertz- Strahlung, umfassend: wenigstens zwei Strahlungsquellen (10, 20), von denen wenigstens die erste Strahlungsquelle (10) hinsichtlich ihrer Wellenlänge einstellbar ist, wobei die erste Strahlungsquelle (10) eine erste Strahlung (Sl) mit einer vorbestimmten ersten
Wellenlänge aussendet und die zweite Strahlungsquelle (20) eine zweite Strahlung (S2) mit einer vorbestimmten zweiten Wellenlänge aussendet, die von der ersten Wellenlänge verschieden ist; gekennzeichnet durch einen Sensor (90), der auf eine weitere Strahlung (S9) anspricht, welche auf den Strahlungen (Sl, S2) der wenigstens zwei Strahlungsquellen (10, 20) basiert; eine Steuerungseinheit (40), die mit den wenigstens zwei Strahlungsquellen (10, 20) und dem Sensor (90) verbunden ist; wobei die Steuerungseinheit (40) dazu ausgebildet ist, die wenigstens zwei Strahlungsquellen (10, 20) anzusteuern und die Wellenlänge der wenigstens einen einstellbaren Strahlungsquelle (10) einzustellen sowie den Sensor (90) auszulesen.
2. Messsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (40) dazu ausgebildet ist, durch die Ansteuerung der wenigstens zwei Strahlungsquellen (10, 20) und die Einstellung der Wellenlänge der - 2 -
wenigstens einen einstellbaren Strahlungsquelle (10) sowie das Auslesen des Sensors (90) ein Terahertz- Spektrum eines zu untersuchenden Objektes zu ermitteln, welches sich wahlweise in einem Probenraumbereich (R) befindet .
3. Spektrales Messsystem zur Ermittlung von Substanzeigenschaften unter Verwendung von Terahertz- Strahlung, umfassend: mehr als zwei Strahlungsquellen (10, 20, 30), die
Strahlungen (Sl, S2, S3) mit voneinander verschiedenen festgelegten Wellenlängen aussenden; gekennzeichnet durch einen Sensor (90), der auf eine weitere Strahlung (S9) anspricht, welche auf einer wahlweisen Kombination von jeweils zwei Strahlungen (Sl, S2; S2, S3; S3, Sl) von den Strahlungen (Sl, S2, S3) der mehr als zwei Strahlungsquellen (10, 20, 30) basiert; eine Steuerungseinheit (40), die mit den mehr als zwei Strahlungsquellen (10, 20, 30) und dem Sensor (90) verbunden ist; wobei die Steuerungseinheit (40) dazu ausgebildet ist, die mehr als zwei Strahlungsquellen (10, 20) anzusteuern sowie den Sensor (90) auszulesen.
4. Messsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (40) dazu ausgebildet ist, durch die Ansteuerung der mehr als zwei Strahlungsquellen (10, 20, 30) sowie das Auslesen des Sensors (90) ein Terahertz-Spektrum eines zu untersuchenden Objektes zu - 3 -
ermitteln, welches sich wahlweise in einem Probenraumbereich (R) befindet.
5. Messsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlengänge (Sl, S2; Sl, S2, S5) der Strahlungsquellen (10, 20; 10, 20, 30) derart auf einen Referenzstrahlteiler (51) gerichtet sind, dass ein Teilstrahl (S51) auf ein erstes optisches Element (50) fallen kann und ein zweiter Teilstrahl (S5' ') auf ein Umlenksystem (52, 53) gerichtet ist.
6. Messsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste optische Element (50) dazu ausgebildet ist, bei Auftreffen der Strahlungen der Strahlungsquellen (10, 20; 10, 20, 30) ein Terahertz-Strahlungsfeld (T) zu emittieren .
7. Messsystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites optisches Element (60) in Relation zum ersten optischen Element (40) und zum Umlenksystem (52, 53) derart angeordnet ist, dass es wenigstens einen Teil der Strahlung des Terahertz- Strahlungsfeldes (T) aufnimmt.
8. Messsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass vom zweiten optischen Element (60) die weitere Strahlung
(S9) , die auf den Strahlungen der Strahlungsquellen basiert (10, 20; 10, 20, 30), emittiert und vom Sensor
(90) erfasst wird. - A -
9. Messsystem nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquellen (10, 20; 10, 20, 30) als Laser und das erste und zweite optische Element (50, 60) als nichtlineare optische Elemente (50, 60) ausgebildet sind.
10. Messsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquellen (10, 20; 10, 20, 30) als Diodenlaser (10, 20; 10, 20, 30) ausgebildet sind.
11. Messsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Strahlungsquellen (10, 20; 10, 20, 30) sinusoidal oder rechteckförmig moduliert wird.
12. Messsystem nach Anspruch 3 in Verbindung mit einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlengänge der mehr als zwei Strahlungsquellen derart anordbar sind, dass sie auf das erste optische Element (50) gerichtet sind, so dass in Abfolge eine Mehrzahl von unterschiedlichen Terahertz-Wellen in Abhängigkeit von unterschiedlichen je zwei gleichzeitig eingeschalteten Strahlungsquellen (10, 20; 20, 30; 30, 10) gemäß vorbestimmten Schaltfrequenzen, die die Strahlungsquellen (10, 20, 30) schalten, erzeugt wird.
13. Messsystem nach einem der Ansprüche 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass jede Strahlungsquelle (10, 20, 30) mit einer anderen Frequenz beschaltet werden kann, so dass die sich ergebenden Terahertz-Wellen bei - 5 -
unterschiedlichen Frequenzen moduliert respektive demoduliert werden können.
14. Messsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungen (Sl, S2; Sl, S2, S3) der Strahlungsquellen auf optische Fasern koppelbar sind.
15. Messsystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungen (S201, S202, S203, S204) der Strahlungsquellen auf eine einzelne optische Faser koppelbar sind.
16. Spektrales Messsystem zur Ermittlung von Substanzeigenschaften unter Verwendung von Terahertz- Strahlung, umfassend: eine Strahlungsquelle (410), die dazu ausgebildet ist, Strahlungen (S401) mit wenigstens zwei vorbestimmten, voneinander verschiedenen Wellenlängen auszusenden gekennzeichnet durch einen Sensor (490), der auf eine Strahlung (S409) anspricht, welche auf den Strahlungen (S401) der Strahlungsquelle (410) basiert; eine Steuerungseinheit (440), die mit der Strahlungsquelle (410) und dem Sensor (490) verbunden ist; wobei die Steuerungseinheit (440) dazu ausgebildet ist, die Strahlungsquelle (410) anzusteuern und den Sensor (490) auszulesen. - 6 -
17. Messsystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass an der Strahlungsquelle (410) wenigstens eine der Wellenlängen einstellbar ist.
18. Spektrales Messsystem zur Ermittlung von
Substanzeigenschaften unter Verwendung von Terahertz- Strahlung, umfassend: ein als Terahertz-Strahlungsquelle (550) ausgebildetes erstes Element (550), das dazu ausgebildet ist, ein Terahertz-Strahlungsfeld (T) auszusenden gekennzeichnet durch ein als Sensor (560) ausgebildetes zweites Element (560), das auf Strahlungen eines Terahertz- Strahlungsfeldes (T) anspricht; eine Steuerungseinheit (540), die mit der
Strahlungsquelle (550) und dem Sensor (560) verbunden ist; wobei die Steuerungseinheit (540) dazu ausgebildet ist, die Strahlungsquelle (540) anzusteuern und den Sensor (560) auszulesen.
19. Messsystem nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Element (550) eine elektronische Terahertz-Quelle ist.
20. Messsystem nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten Element (550) ein oder mehrere Frequenzverdoppler nachgeordnet sind. - 7 -
21. Messsystem nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Element (550) dazu ausgebildet ist, einen Terahertz-Frequenzkamm (P, f/Thz] auszusenden .
22. Messsystem nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (440; 540) dazu ausgebildet ist, durch die Ansteuerung der Strahlungsquelle (410; 550) und das Auslesen des Sensors (490; 560) ein Terahertz-Spektrum eines zu untersuchenden Objektes zu ermitteln, welches sich wahlweise in einem Probenraumbereich (R) befindet.
23. Messsystem nach Anspruch 16 in Verbindung mit Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlengänge
(S401, S405) der Strahlungsquelle (410) derart auf einen Referenzstrahlteiler (451) gerichtet sind, dass ein Teilstrahl (S4051) auf ein erstes optisches Element
(450) fallen kann und ein zweiter Teilstrahl (S4051 1) auf ein Umlenksystem (452, 453) gerichtet ist.
24. Messsystem nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das erste optische Element (450) dazu ausgebildet ist, bei Auftreffen der Strahlungen der Strahlungsquelle (410) ein Terahertz-Strahlungsfeld (T) zu emittieren.
25. Messsystem nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites optisches Element (460) in Relation zum ersten optischen Element (450) und zum Umlenksystem (452, 453) derart angeordnet ist, dass es wenigstens einen Teil der Strahlung des Terahertz- Strahlungsfeldes (T) aufnimmt.
26. Messsystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass vom zweiten optischen Element (460) die weitere Strahlung (S409), die auf den Strahlungen der Strahlungsquelle (410) basiert, emittiert und vom Sensor (490) erfasst wird.
27. Messsystem nach einem der Ansprüche 16 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (410) als Diodenlaser (410) ausgebildet ist.
28. Messsystem nach Anspruch 16 in Verbindung mit einem der Ansprüche 22 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die
Strahlungsquelle (410) derart ansteuerbar ist, dass sie unterschiedliche vorbestimmte Kombinationen von Wellenlängen der Strahlungen (S401) aussenden kann, so dass in Abfolge eine Mehrzahl von unterschiedlichen Terahertz-Wellen in Abhängigkeit von unterschiedlichen je zwei gleichzeitig ausgesandten Wellenlängen gemäß vorbestimmten Schaltfrequenzen, die die Strahlungsquelle (410) schalten, erzeugt wird.
29. Messsystem nach einem der Ansprüche 16 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (410; 550) mit einer vorbestimmbaren Frequenz beschaltet werden kann, so dass die sich ergebenden Terahertz-Wellen bei unterschiedlichen Frequenzen moduliert respektive demoduliert werden können. - 9 -
30. Messsystem nach Anspruch 16 in Verbindung mit einem der Ansprüche 22 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungen (S401, S405) der Strahlungsquelle auf optische Fasern koppelbar sind.
31. Messsystem nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungen (S401, S405) der Strahlungsquelle auf eine einzelne optische Faser koppelbar sind.
32. Messsystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (40; 440; 540) mit einer Ein-Ausgabe-Einheit (80; 480; 580), sowie mit einem Datenspeicher (70; 470; 570), in dem wenigstens ein Terahertz-Spektrum einer bekannten Substanz hinterlegt ist, verbunden ist.
33. Messsystem nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (40; 440; 540) dazu ausgebildet ist, das Terahertz-Spektrum des zu untersuchenden Objekts mit dem wenigstens einen hinterlegten Terahertz-Spektrum der bekannten Substanz zu vergleichen und das Ergebnis des Vergleichs auf der Ein-Ausgabe-Einheit (80; 480; 580) auszugeben.
34. Messsystem nach einem der Ansprüche 7 bis 15 oder 18 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass das erste optische Element (50; 450; 550), das zweite optische Element (60; 460; 560) und der Probenraumbereich (R) derart zueinander angeordnet sind, dass das Terahertz- Strahlungsfeld (T) , das durch den Probenraumbereich (R) - 1 0 -
hindurchtritt, vom zweiten optischen Element (60; 460; 560) aufgenommen wird.
35. Messsystem nach einem der Ansprüche 7 bis 15 oder 18 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass das erste optische
Element (50; 450; 550), das zweite optische Element (60; 460; 560) und der Probenraumbereich (R) derart zueinander angeordnet sind, dass das Terahertz- Strahlungsfeld (T) , das am Probenraumbereich (R) reflektiert wird, vom zweiten nichtlinearen optischen Element (60; 460; 560) aufgenommen wird.
36. Messsystem nach einem der Ansprüche 5 bis 15 oder 23 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass das Umlenksystem (52, 53; 452, 452) durch eine Mehrzahl von Spiegeln (52, 53; 152; 153; 452, 453) realisiert ist.
37. Messsystem nach einem der Ansprüche 5 bis 15 oder 23 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass das Umlenksystem (52, 53; 452, 453) durch lichtleitende Fasern (S201, S202, S203, S204; S301, S302, S303, S304) realisiert ist.
38. Messsystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquellen (10, 20; 10, 20, 30) mit einem Strahlungsverstärker auf einem Halbleiterchip integriert sind.
39. Messsystem nach einem der Ansprüche 5 bis 15 oder 23 bis
38, dadurch gekennzeichnet, dass das Phase-matching im ersten optischen Element (50; 450) durch - 1 1 -
unterschiedliche Phasenwinkel der einfallenden Strahlung verbessert ist.
40. Messsystem nach Anspruch 15 oder 31, dadurch gekennzeichnet, dass das Austrittsende der Faser derart in Bezug auf das erste optische Element und das zweite optische Element anordbar ist, dass die aus der Faser austretende Strahlung teilweise auf das erste optische Element und teilweise auf das zweite optische Element fallen kann.
41. Messsystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass abbildende optische Elemente (355, 365) vorgesehen sind.
42. Messsystem nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, dass aus Polyethylen gefertigte Linsen (355, 365) als abbildende optische Elemente (355, 365) fungieren.
43. Messsystem nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsen (355, 365) als Fresnellinsen (355, 365) ausgeführt sind.
44. Messsystem nach einem der Ansprüche 5 bis 15 oder 23 bis 43, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der optischen Elemente (50, 60) als nichtlineares optisches Element (50, 60) ausgeführt ist, das aus DAST (Dimethyl amino 4-N-Methylstilbazolium tosylat) , KDP, ADP, Lithiumniobat, Ba2NaNb5O15, Quarz, GaAs, GaP, BaTiO3, ZnO oder CdS besteht. - 12 -
45. Messsystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (40) als ASIC ausgeführt ist.
46. Messsystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (40; 140; 440; 540) als DSP ausgeführt ist.
47. Messsystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (40; 140; 440; 540) als Embedded System ausgeführt ist.
48. Messsystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Datenspeicher (70; 170; 470; 570) von einer externen Quelle konfiguriert werden kann .
49. Messsystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Datenspeicher (70; 170; 470; 570) über eine Netzverbindung, eine Internetverbindung, eine Telekommunikationsverbindung oder eine induktive Verbindung konfiguriert wird.
50. Messsystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ein-Ausgabe-Einheit (80; 180; 480; 580) einen Bildschirm, eine Maus, ein Tastatur, ein Diskettenlaufwerk, ein CD- oder DVD- Laufwerk, ein Magnetbandlaufwerk, eine Festplatte, einen - 13 -
Netzwerkanschluss, einen Alarmsignalgeber, einen Telekommunikationsanschluss umfassen kann.
51. Messsystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Terahertz-
Strahlungsfeld (T) eine Strahlung im Terahertz-Bereich von 0,1 Terahertz bis 100 Terahertz ist.
52. Messsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder einem der Ansprüche 25 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (10; 410) als Laser und wenigstens eines vom ersten und zweiten optischen Element (50, 60; 450, 460) als nichtlineares optisches Element (50, 60; 450, 460) oder als photoleitende Antenne und/oder photoleitender Detektor ausgebildet sind.
53. Messsystem nach Anspruch 16 in Verbindung mit einem der Ansprüche 33 bis 52, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Elemente (450, 460) als photoleitende Antenne ausgebildet ist.
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