WO2011015298A1 - Thz-spektroskop und verfahren zur bestimmung der spektralen frequenz- und / oder phasenantwort einer probe - Google Patents

Thz-spektroskop und verfahren zur bestimmung der spektralen frequenz- und / oder phasenantwort einer probe Download PDF

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Technische Universität Carolo-Wilhelmina Zu Braunschweig
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    • 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
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a terahertz (THz) spectroscope with a multimode laser light source for generating a multimode laser radiation with equidistant mode spacings, with a beam splitter for splitting the laser light beam into a transmission path and a reception path, a delay unit in the transmission or reception path or in the path of a THz wave, an emitter, preferably in the form of a photoconductive antenna in the transmission path for emitting electromagnetic THz waves in the THz frequency range and a detector, preferably in the form of a photoconductive antenna in the receiving path for detecting electromagnetic
  • THz terahertz
  • Response pulses of a sample which is arranged in the beam path of the emitter and detector and can be acted upon by the electromagnetic THz waves of the emitter, and with a connectable to a signal measuring output of the detector signal evaluation unit for the evaluation of the spectral frequency and / or phase response of the sample as a function from the response pulses of the sample picked up by the detector with respect to the multimode laser radiation, which modulates the detector, guided by the laser light source in the reception path directly onto the detector.
  • the invention further relates to a method for determining the spectral
  • the THz frequency range is in the electromagnetic spectrum between
  • Electromagnetic THz radiation permeates many materials as well as biological tissue and has the advantage of not being ionizing due to the low energy of its photons.
  • THz time domain spectroscopy samples are exposed to THz pulses of less than 1 picosecond duration. The change in the transmission of the THz pulse through the sample is measured and dependent on the
  • Delay time of the response pulses which has elapsed since the excitation of the sample with a THz pulse, measured and evaluated for the determination of physical or chemical properties of the sample in the time domain.
  • Metrological devices operating in the THz frequency range are suitable for a large number of practically relevant applications, for example in quality control, safety technology, in industrial process monitoring and in the field of process control
  • Fujita, M. Hangyo "Application of photomixing of multimode LD light on THz spectroscopy", in: IEEE Conference Digist, 27th International Conference on Infrared and mm-waves, Septembe 2002, pp. 249-250, and M. Tani, O. Morikawa, S. Matsuura, M. Hangyo: “Generation of terahertzradiation by photomixing with dual and multiple-mode lasers ", in: Semiconductors Science Technology, Volume 20, No.
  • pages 151 to 163 discloses an inexpensive THz spectroscope utilizing the intensity fluctuation of the laser light of CW multimode laser diodes, wherein Laser beams from two laser diodes with different center wavelengths are mixed to obtain a larger bandwidth.
  • femtosecond laser-based THz spectroscopes have lower sensitivity. Femtosecond lasers, on the other hand, are hardly suitable for everyday use due to their high sensitivity and complex handling.
  • Femtosecond lasers also lead to the necessity of using non-dispersive optics. In addition to the high costs for femtosecond laser sources, this also leads to high secondary costs. Also results from the pulsed radiation
  • THz spectroscopes in the form of continuous-wave THz systems are known.
  • two frequency-stabilized laser lines are mixed. This results in a THz beat which contains a single frequency component and accordingly results in limited measurement information.
  • the necessary frequency stabilization leads to a relatively high cost and effort.
  • EP 1 508 795 A1 discloses an absorption spectrometer which has a spectral
  • Multimode laser as a light source and arranged on the light path to a sample multi-channel detector has.
  • the spectral multimode laser emits a plurality of light modes of different wavelengths, wherein the mode spacing can be constant.
  • Multimode laser light sources using THz spectroscope continues to improve so that the spectral frequency and / or phase response can be determined reliably and with improved sensitivity.
  • the object is achieved with the THz spectroscope of the type mentioned in that the signal evaluation unit for separating individual response pulses from the measurement signal based on the equidistant distances of the response pulses to each other, which they have due to the equidistant mode spacing of the laser radiation, and
  • Determining the spectral frequency and / or phase response of the sample from the separate response pulses is set up.
  • THz signals can be acquired which correspond to those of conventional femtosecond-based high-sensitivity
  • the detected signal then consists of equidistant
  • Measuring pulses are generated at a constant pulse repetition rate, which leads to equally equidistantly spaced response pulses.
  • the pulse repetition rate is determined by the resonant length of the laser diode and can be selected by suitable choice of the
  • a mode spacing of laser light radiation is understood to mean the spacing of the frequencies or wavelengths of the natural oscillations (resonance frequencies) of the laser resonator.
  • the frequencies of the longitudinal modes are determined by the fact that the optical wavelength in the resonator must be an integer multiple of the wavelength.
  • equidistant mode spacings are understood to mean that the characteristic modes, ie the natural oscillations or resonant frequencies, are equidistant from one another.
  • the frequency spacings of the multiple spectral components of the laser light beam of a multi-mode laser, referred to as "modes" are the same throughout Frequency spectrum of the multimode laser equal.
  • the signal evaluation unit for determining the spectral frequency and / or phase response of the sample is set up by evaluating the measurement signal in the time domain, taking into account the equidistant distances of the response pulses.
  • the evaluation of the measurement signal in the time domain can be carried out quickly compared to the signal evaluation in the frequency domain with reduced computational effort.
  • the signal evaluation in the time domain succeeds despite the noisy measurement signal simply and reliably in that the response pulses can be extracted from the measured signal with the aid of the known equidistant distances.
  • a time interval of the measuring signal should be evaluated, in which the respective measuring pulse is located.
  • the time interval should preferably be selected such that the corresponding measuring pulse is at the beginning of the time interval and then the reaction time follows on the measuring pulse.
  • the delay time of the response pulses to a measuring pulse depends in particular on the optical thickness of the sample.
  • Laser light source such as a laser diode, to a periodically repeating THz measurement signal whose time period is inversely proportional to the mode spacing.
  • the response pulses of a time interval can be related uniquely to the measuring pulse of the time interval, if the time interval is smaller as the period of successive measuring pulses.
  • the optical thickness of the sample is moderate, resulting in a time delay of the first response pulse less than the time period between two consecutive measuring pulses.
  • yet detectable echo response pulses have a time delay that is greater than the time period between two consecutive measurement pulses. Then, echo-response pulses to an earlier measurement pulse in the time interval of one
  • Time interval of the measurement signal no conclusions on the spectral frequency and / or phase response of the sample meet this measurement pulse. Nevertheless, in order to be able to carry out an evaluation despite evaluation of a limited time interval of the measuring signal, a numerical method is proposed which utilizes the knowledge of the general response behavior of a sample.
  • the method provides, for an optical thickness of the sample in which the response pulses are either completely or partially in the form of echo-response pulses outside the current time interval, that the signal evaluation unit for numerically forming a simulated impulse response and determining a simulated impulse response
  • Comparative measurement signal by convolution of the simulated impulse response with the signal of the measuring pulse, as well as the best possible adjustment of the comparison measurement signal to the measurement signal by optimizing the simulated impulse response is set up.
  • the simulated impulse response describes the spectral frequency and / or
  • the simulated impulse response considers the response pulses outside the current time interval by mapping them into the current time interval. For this purpose, the periodicity of the response pulses under
  • an impulse response of the sample to a Measured pulse which is numerically formed as a simulated impulse response.
  • the response pulses lying outside the time interval are thereby taken into account in the current time interval by virtue of the fact that the signal components which exceed the time interval are quasi-temporally from the beginning in the current time interval
  • the THz spectroscope has a high-pass filter.
  • This high-pass filter can be, for example, a hole aperture in the transmission and / or reception path and / or an absorber element in the path of the electromagnetic THz wave.
  • a high-pass filter can also be formed by a suitable metallization structure of the photoconductive antennas.
  • the high-pass filter can alternatively or additionally also be embodied as a digital filter for the digitized measurement signal.
  • the high-pass filter can also be formed by the antenna design of the emitter and / or the detector.
  • the THz spectroscope for repeated periodic switching on and off of the multimode laser light source with a chop frequency for limiting the acting on the photoconductive antenna in the transmission path
  • Laser light power is set up.
  • the photoconductive antenna must be protected from overload by constantly switching between positive and negative supply voltage. This requires a relatively complicated circuit technology, which can be avoided by a quasi-CW operation of the laser light source. It has been recognized that the repeated, periodic fast turn-on and turn-off of the laser diode has exactly the same effect the "chopping" of the photoconductive antenna in the transmission path, so that the conventional switching of the supply voltage is no longer necessary.
  • the object of the present invention is also to provide an improved method for determining the spectral frequency and / or phase response of a sample to electromagnetic measuring pulses in the THz frequency range with a THz spectroscope described above.
  • FIG. 1 - block diagram of a THz spectroscope
  • Figure 2 perspective view of a photoconductive antenna
  • FIG. 3 shows a diagram of a measurement signal of a sample THz operated without a sample.
  • Figure 4 Diagram of a measurement signal of a THz spectroscope with equidistantly spaced response pulses.
  • FIG. 1 shows a block diagram of a THz spectroscope 1, which in a known manner has a laser light source 2 whose laser light beam 3 is divided into a transmission path 5 and a reception path 6 with the aid of a beam splitter 4.
  • a delay unit 7 is installed in order to delay the laser light beam in the reception path 6 by an adjustable time constant ⁇ .
  • the optionally delayed laser light beam in the receiving path 6 is used to modulate a photoconductive antenna 8, which is controlled and interconnected as a detector for electromagnetic waves in the THz frequency range and provides a measurement signal at the output, which is performed in a signal evaluation unit 9.
  • the measuring signal characterized by the current at the output of the photoconductive antenna is preferably digitized and evaluated in the signal evaluation unit for determining the spectral frequency and / or phase response of a sample 10 to a measuring pulse 11.
  • an electro-optic detector such as e.g. a ZnTe (zinc telluride) crystal, are used.
  • the laser radiation 12 via a deflection mirror 13 of the
  • Delay unit 7 is passed to the photoconductive antenna 8, which intercepts the transmitted through the sample THz radiation 14 on the other side.
  • the THz radiation of the sample is redirected to the photoconductive antenna 8 via collimating and focusing optical components 15.
  • the laser light beam is also directed via deflection mirror 21 to a photoconductive antenna 17, which is connected as an emitter for emitting electromagnetic THz waves 20 in the THz frequency range, the THz waves are triggered by laser radiation 18 in the transmission path 5.
  • the THz waves 20 emitted by the photoconductive antenna 17 in the transmission path 5 are likewise focused onto the sample 10 with a collimating and focusing optical system 19.
  • the beam guidance of the laser radiation can either in one
  • optical fibers e.g. Glass fibers
  • the laser light source 2 is a multimode laser light source that generates multimode laser radiation with equidistant mode spacings.
  • Mode spacings of the laser light source 2 used which is preferably designed as a multimode laser diode, lead to a periodically repeating THz measuring signal, the time period Tr being inversely proportional to the mode spacing.
  • FIG. 2 shows a sketch of a photoconductive antenna in the transmission path in the perspective view.
  • the photoconductive antenna is implemented as a dipole antenna 22 on a gallium arsenide substrate.
  • the dipole antenna 22 is biased with a supply voltage Vb.
  • a silicon lens 23 is arranged in the emission region.
  • Measuring pulse 11 leads.
  • THz measurement signals can be recorded, which signals those of conventional femtosecond laser based Spectroscopy systems correspond.
  • the detected measurement signal consists, as shown in FIG. 3, of equidistant pulses.
  • the measurement signal shown has pulses with a pulse repetition rate of approximately 41 ps, which results from the equidistant mode spacing of approximately 24 GHz of the multimode laser diode used to record the measurement signal.
  • the resulting pulse repetition rate is given by the resonator length of the laser diode and can be optimized by a suitable choice of the laser diodes 2.
  • FIG. 4 shows an exemplary measurement signal of the THz spectroscope 1, in which, in contrast to the measurement signal from FIG. 3, a sample is now introduced into the signal path.
  • the detected signal S (t) is composed on the basis of the periodically obtained THz measurement signal from individual components SO (t), which are repeated shifted by the time Tr.
  • the detected signal S (t) can be described as follows:
  • a time interval of length Tr is now selected for signal evaluation, which is preferably also inversely proportional to the mode spacing under certain circumstances also lower.
  • the time interval includes a signal SO (t) with a respective measuring pulse 1 1.
  • Response pulses A 0 to A n are completely within the interval Tr and can thus be evaluated.
  • the optical thickness of the sample 10 is moderate and the time delay of the first response signal A 0 is smaller than the time period Tr. In doing so, however, occur still detectable Fabry-Perot echo response pulses A n on whose time delay are greater than the time period Tr of the selected time interval.
  • a time interval of the longer Tr can also be selected for signal evaluation, which in turn is inversely proportional to the mode spacing and includes a signal SO (t) with the measuring pulse.
  • the sample signal SpO (t) will then be partially within the interval 0: Tr.
  • partially echo-reply pulses A n will be pushed into the next intervals K * Tr: K (+ l) * Tr.
  • Tr echo response pulses A n are pushed out of the signal components lying in front of them.
  • the simulated measuring signal can be overlapped with the detected measuring signal in the best possible way. In this way, a signal evaluation limited to a limited time interval is possible.
  • the optical thickness of the sample is so large that both the time delay of the first response signal and the time delay of the still detectable Fabry-Perot echo response pulses is greater than the time period Tr. In this case, a limited time interval of the
  • Length Tr which includes the signal SO (t) with the measuring pulse.
  • the sample signal SpO (t) i. the response of the sample to the measuring pulse will be completely outside the time interval. However, the sample signal of a preceding interval will be shifted to the current time interval. Thus, the sample signal can be evaluated analogously to the case 2 described above.
  • a sample which shifts the response pulse to a measurement pulse by the time Tr can not directly be distinguished from a sample which shifts the signal by two times Tr. That is, the sample thickness must be known with some accuracy, as long as thick samples according to the present case are to be evaluated. The necessary accuracy is given by the time Tr.
  • the time delay from the introduction of the sample caused by the fact that its optical thickness is greater than the optical thickness of the atmosphere displaced by the sample, must be able to be estimated in the order of M x Tr, i.
  • This coarse thickness information can be derived either from the parameters of the

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Abstract

Ein THz-Spektroskop (1) mit einer Multimode-Laserlichtquelle (2) zur Erzeugung einer Multimode-Laserstrahlung mit äquidistanten Modenabständen, mit einem Strahlteiler (4) zur Aufteilung des Laserlichtstrahls (3) in einen Sendepfad (5) und einen Empfangspfad (6), einer Verzögerungseinheit (7) im Sende- oder Empfangspfad (5, 6) oder im Pfad einer THz- Welle (20), einem Emitter (17), vorzugsweise in Form einer photoleitfähigen Antenne im Sendepfad (5) zur Aussendung von elektromagnetischen THz-Wellen (20) im THz-Frequenzbereich und einem Detektor (8), vorzugsweise in Form einer photoleitfähigen Antenne im Empfangspfad zur Erfassung elektromagnetischer Antwortpulse (A) einer Probe (10), die im Strahlengang des Emitters (17) und Detektors (8) angeordnet und mit den elektromagnetischen THz-Wellen (20) des Emitters (17) beaufschlagbar ist, und mit einer an einen Signalmessausgang des Detektors (8) anschließbaren Signalauswerteeinheit (9), die zur Auswertung der spektralen Frequenz- und/oder Phasenantwort der Probe (10) in Abhängigkeit von den vom Detektor (8) aufgenommenen Antwortpulsen (A) der Probe (10) in Bezug zu der von der Laserlichtquelle (2) im Empfangspfad (6) direkt auf den Detektor (8) geleiteten Multimode-Laserstrahlung (12), die den Detektor (10) moduliert, eingerichtet ist, wird beschrieben. Die Signalauswerteeinheit (9) ist zur Separation einzelner Antwortpulse (A) aus dem Messsignal anhand der äquidistanten Abstände der Antwortpulse (A) zueinander, die diese aufgrund der äquidistanten Modenabstände der Laserstrahlung haben, und zur Bestimmung der spektralen Frequenz- und/oder Phasenantwort der Probe (10) aus den separierten Antwortpulsen (A) eingerichtet.

Description

THz-Spektroskop und Verfahren zur Bestimmung der spektralen Frequenz- und/oder Phasenantwort einer Probe
Die Erfindung betrifft ein Terahertz (THz)-Spektroskop mit einer Multimode- Laserlichtquelle zur Erzeugung einer Multimode-Laserstrahlung mit äquidistanten Modenabständen, mit einem Strahlteiler zur Aufteilung des Laserlichtstrahls in einen Sendepfad und einen Empfangspfad, einer Verzögerungseinheit im Sende- oder Empfangspfad oder im Pfad einer THz- Welle, einem Emitter, vorzugsweise in Form einer photoleitfähigen Antenne im Sendepfad zur Aussendung von elektromagnetischen THz- Wellen im THz-Frequenzbereich und einem Detektor, vorzugsweise in Form einer photoleitfähigen Antenne im Empfangspfad zur Erfassung elektromagnetischer
Antwortpulse einer Probe, die im Strahlengang des Emitters und Detektors angeordnet und mit den elektromagnetischen THz- Wellen des Emitters beaufschlagbar ist, und mit einer an einen Signalmessausgang des Detektors anschließbaren Signalauswerteeinheit, die zur Auswertung der spektralen Frequenz- und/oder Phasenantwort der Probe in Abhängigkeit von den vom Detektor aufgenommenen Antwortpulsen der Probe in Bezug zu der von der Laserlichtquelle im Empfangspfad direkt auf den Detektor geleiteten Multimode-Laserstrahlung, die den Detektor moduliert, eingerichtet ist.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Bestimmung der spektralen
Frequenz- und/oder Phasenantwort einer Probe auf elektromagnetische Messpulse im THz-Frequenzbereich mit einem solchen THz-Spektroskop.
Der THz-Frequenzbereich liegt im elektromagnetischen Spektrum zwischen
Infrarotstrahlung und der Mikrowellenstrahlung und umfasst einen Frequenzbereich von etwa 100 GHz bis 3 THz bzw. eine Wellenlänge zwischen 100 bis 3000 μm. n\ ικιr≥asrsoι c Elektromagnetische THz-Strahlung durchdringt viele Materialien und auch biologisches Gewebe und hat den Vorteil, dass sie aufgrund der geringen Energie ihrer Photonen nicht ionisierend wirkt. Bei der THz-Zeitbereichs-Spektroskopie werden Proben mit THz-Pulsen mit einer Dauer von weniger als 1 Picosekunde beaufschlagt. Die Änderung der Transmission des THz-Pulses durch die Probe wird gemessen und in Abhängigkeit von der
Verzögerungszeit der Antwortpulse, die seit der Anregung der Probe mit einem THz- PuIs verstrichen ist, gemessen und zur Bestimmung von physikalischen oder chemischen Eigenschaften der Probe im Zeitbereich ausgewertet.
Metrologische, im THz-Frequenzbereich arbeitende Geräte eignen sich für eine Vielzahl von praxisrelevanten Applikationen, beispielsweise in der Qualitätskontrolle, der Sicherheitstechnik, in der industriellen Prozessüberwachung und in der
Medizintechnik. Insbesondere breitbandige THz- Spektroskope können hier effizient eingesetzt werden. Ein Problem stellt dabei jedoch der relativ große apparative
Aufwand für die Messapparatur und insbesondere für die Femtosekunden- Laserlichtquelle dar. O. Morikawa, M. Tonoushi, M. Hangyo:„A cross-correlation spectoscopy in subterahertz region using an incoherent light source", in: Applied Physics Letters, Vol. 76, No. 12, 20. März 2000, Seiten 1519 bis 1521 offenbart ein THz- Spektroskopiesystem, bei dem ein aufwändiger Femtosekunden-Laser durch eine kostengünstigere Multimode-Laserlichtquelle ersetzt wird. Multimode-Diodenlaser sind technisch ausgereift und in großen Stückzahlen preiswert fügbar. Es wurde gezeigt, dass damit ein sehr kompaktes und preiswertes THz-Spektroskop aufgebaut werden kann, wenngleich das Signal-Rausch- Verhältnis im Vergleich zu aufwändigeren Zeitbereichsspektroskopen (Time-Domain-Spectroscopy TDS) gering ist. O. Morikawa, M. Fujita, M. Hangyo: "Application of photomixing of multimode LD light on THz-spectroscopy", in: IEEE Conference Digist, 27th International Conference on Infrared and mm-waves, September 2002, Seiten 249 bis 250, sowie M. Tani, O. Morikawa, S. Matsuura, M. Hangyo: "Generation of terahertzradiation by photomixing with dual- and multiple-mode lasers", in: Semiconductors Science Technology, Volume 20, No. 7, Juli 2005, Seiten 151 bis 163 offenbart ein preiswertes THz-Spektroskop unter Ausnutzung der Intensitätsfluktuation des Laserlichtes von CW-Multimode- Laserdioden, wobei Laserstrahlen von zwei Laserdioden mit unterschiedlichen Mitten- Wellenlängen gemischt werden, um eine größere Bandbreite zu erhalten.
Derartige breitbandige THz-Spektrometer sind preiswerter als auf
Femtosekundenlasern basierende THz-Spektroskope, haben jedoch eine geringere Sensitivität. Femtosekundenlaser sind hingegen aufgrund der hohen Sensibilität und aufwändigen Handhabung kaum alltagstauglich. Die kurzen Laserpulse der
Femtosekundenlaser führen zudem zur Notwendigkeit, nicht-dispersive Optik zu verwenden. Dies führt neben den hohen Kosten für Femtosekundenlaserquellen auch zu hohen Sekundärkosten. Ebenfalls resultiert aus der gepulsten Strahlung ein
beträchtliches Gefahrenpotenzial für menschliche Augen.
Weiterhin sind THz-Spektroskope in Form von Dauerstrich-THz-Systemen bekannt. Hierbei werden zwei frequenzstabilisierte Laserlinien gemischt. Daraus resultiert eine THz- Schwebung, die eine einzelne Frequenzkomponente enthält und dementsprechend resultiert eine begrenzte Messinformation. Die notwendige Frequenzstabilisierung führt zu einem relativ hohen Aufwand und Kosten.
US 5,198,873 offenbart ein Interferometer zur Messung der Verschiebung eines
Beugungsgitters mit einem Multimoden-Laser. EP 1 508 795 Al offenbart ein Absorptionsspektrometer, das einen spektralen
Multimode-Laser als Lichtquelle und einen auf dem Lichtweg nach einer Probe angeordneten Mehrkanaldetektor hat. Der spektrale Multimode-Laser emittiert eine Vielzahl von Lichtmoden unterschiedlicher Wellenlänge, wobei der Modenabstand konstant sein kann.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein preiswerte
Multimode-Laserlichtquellen nutzendes THz-Spektroskop weiter so zu verbessern, dass die spektrale Frequenz- und/oder Phasenantwort zuverlässig und unter Verbesserung der Sensitivität bestimmt werden kann.
Die Aufgabe wird mit dem THz- Spektroskop der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Signalauswerteeinheit zur Separation einzelner Antwortpulse aus dem Messsignal anhand der äquidistanten Abstände der Antwortpulse zueinander, die diese aufgrund der äquidistanten Modenabstände der Laserstrahlung haben, und zur
Bestimmung der spektralen Frequenz- und/oder Phasenantwort der Probe aus den separaten Antwortpulsen eingerichtet ist.
Es wurde erkannt, dass unter Verwendung einer Laserdiode, die einen äquidistanten Modenabstand aufweist, THz-Signale aufgenommen werden können, welche jenen Signalen von konventionellen, auf Femtosekunden basierenden hochsensitiven
Systemen entsprechen. Das detektierte Signal besteht dann aus äquidistanten
Antwortpulsen, die anhand der äquidistanten Abstände z. B. mit numerischen
Methoden eindeutig aus dem Messsignal separierbar sind. Es wird somit ausgenutzt, dass aufgrund des äquidistanten Modenabstands einer Multimode-Laserdiode
Messpulse mit konstanter Pulswiederholrate erzeugt werden, die zu ebenfalls äquidistant beabstandeten Antwortpulsen führen. Die Pulswiederholrate wird durch die resonante Länge der Laserdiode bestimmt und kann durch geeignete Wahl der
Laserdioden optimiert werden.
Unter einem Modenabstand von Laserlichtstrahlung wird der Abstand der Frequenzen bzw. Wellenlängen der Eigenschwingungen (Resonanzfrequenzen) des Laserresonators verstanden. Die Frequenzen der longitudinalen Moden sind dadurch bestimmt, dass die optische Wellenlänge im Resonator ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge sein muss.
Entsprechend wird unter äquidistanten Modenabständen verstanden, dass die charakteristischen Moden, d.h. die Eigenschwingungen bzw. Resonanzfrequenzen, gleich beabstandet zueinander sind. Mit anderen Worten sind die Frequenzabstände bzw. Wellenlängenabstände der mehreren Spektralkomponenten des Laserlichtstrahls eines Multimode-Lasers, die als„Modi" bezeichnet werden, über das gesamte Frequenzspektrum des Multimode-Lasers gleich.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Signalauswerteeinheit zur Bestimmung der spektralen Frequenz- und/oder Phasenantwort der Probe durch Auswertung des Messsignals im Zeitbereich unter Berücksichtigung der äquidistanten Abstände der Antwortpulse eingerichtet ist. Die Auswertung des Messsignals im Zeitbereich lässt sich im Vergleich zur Signalauswertung im Frequenzbereich schnell mit reduziertem Rechenaufwand durchführen. Die Signalauswertung im Zeitbereich gelingt trotz verrauschtem Messsignal einfach und zuverlässig dadurch, dass die Antwortpulse mit Hilfe der bekannten äquidistanten Abstände aus dem Messsignal extrahiert werden können.
Um die Antwortpulse auf einen spezifischen Messpuls von den Antwortpulsen früherer oder späterer Messpulse unterscheiden zu können, ist es vorteilhaft, die Auswertung des Messsignals in Zeitintervallen des Messsignals vorzunehmen. Dabei sollte zur Bestimmung der spektralen Frequenz- und/oder Phasenantwort der Probe auf einen ausgewählten Messpuls ein Zeitintervall des Messsignals ausgewertet werden, in dem der jeweilige Messpuls liegt. Das Zeitintervall soll vorzugsweise so gewählt werden, dass der entsprechende Messpuls am Anfang des Zeitintervalls ist und sich dann die Reaktionszeit auf dem Messpuls anschließt. Die Verzögerungszeit der Antwortpulse auf einen Messpuls ist insbesondere von der optischen Dicke der Probe abhängig. Auf der anderen Seite führen die äquidistanten Modenabständen der eingesetzten
Laserlichtquelle, wie z.B. eine Laserdiode, zu einem sich periodisch wiederholenden THz-Messsignal, dessen Zeitperiode invers proportional zu dem Modenabstand ist.
Wenn die optische Dicke der Probe gering und damit die Zeitverzögerung des Signals sowie die Zeitverzögerung von noch detektierbaren Echo-Antwortpulsen kleiner als die Zeitperiode der sich wiederholenden Messpulse ist, können die Antwortpulse eines Zeitintervalls eindeutig auf den Messpuls des Zeitintervalls bezogen werden, sofern das Zeitintervall kleiner als die Zeitperiode aufeinander folgender Messpulse ist.
Es kann aber auch vorkommen, dass die optische Dicke der Probe moderat ist und zu einer Zeitverzögerung des ersten Antwortpulses führt, die kleiner als die Zeitperiode zwischen zwei aufeinander folgenden Messpulsen ist. Noch detektierbare Echo- Antwortpulse haben aufgrund der optischen Dicke jedoch eine Zeitverzögerung, die größer als die Zeitperiode zwischen zwei aufeinander folgenden Messpulsen ist. Dann sind Echo-Antwortpulse auf einen früheren Messpuls im Zeitintervall eines
nachfolgenden Messpulses vorhanden, die bei der Auswertung eines den jeweiligen Messpuls enthaltenen Zeitintervalls nicht berücksichtigt werden.
Denkbar ist auch ein Fall, bei der die optische Dicke der Probe so groß ist, dass die Zeitverzögerung des ersten Antwortpulses und der noch detektierbaren Echo- Antwortpulse größer als die Zeitperiode aufeinander folgender Messpulse ist. In diesem Falle lässt sich unmittelbar aus dem an den jeweiligen Messpuls enthaltenen
Zeitintervall des Messsignals keine Rückschlüsse auf die spektrale Frequenz- und/oder Phasenantwort der Probe auf diesen Messpuls treffen. Um dennoch trotz Auswertung eines begrenzten Zeitintervalls des Messsignals eine Auswertung vornehmen zu können, wird ein numerisches Verfahren vorgeschlagen, dass die Kenntnis des generellen Antwortverhaltens einer Probe ausnutzt.
Das Verfahren sieht für eine optische Dicke der Probe, bei der Antwortpulse entweder vollständig oder teilweise in Form von Echo-Antwortpulsen außerhalb des aktuellen Zeitintervalls liegen, vor, dass die Signalauswerteeinheit zur numerischen Bildung einer simulierten Impulsantwort und Bestimmung eines simulierten
Vergleichsmesssignals durch Faltung der simulierten Impulsantwort mit dem Signal des Messpulses, sowie zur bestmöglichen Anpassung des Vergleichmesssignals an das Messsignal durch Optimierung der simulierten Impulsantwort eingerichtet ist. Die simulierte Impulsantwort beschreibt dabei die spektrale Frequenz- und/oder
Phasenantwort. Die simulierte Impulsantwort berücksichtigt die außerhalb des aktuellen Zeitintervalls liegenden Antwortpulse durch Abbildung derselben in das aktuelle Zeitintervall. Hierfür wird die Periodizität der Antwortpulse unter
Abschätzung der Zeitverschiebung der Antwortpulse in Abhängigkeit von der optischen Dicke der Probe ausgenutzt.
Bei dem Verfahren wird somit zunächst eine Impulsantwort der Probe auf einen Messpuls angenommen, die numerisch als simulierte Impulsantwort gebildet wird. Durch Wahl von geeigneten Startwerten für die Probenparameter und einer geeigneten Optimierung kann das auf Basis der simulierten Impulsantwort simulierte Signal mit dem detektierten Messsignal bestmöglich überlappt werden, wobei mit Hilfe an sich bekannter Optimierungsverfahren literativ eine Anpassung der Parameter der simulierten Impulsantwort so lange erfolgt bis eine hinreichend gute Anpassung von simuliertem Messsignal und tatsächlichem Messsignal gefunden wurde.
Die außerhalb des Zeitintervalls liegenden Antwortpulse werden dabei im aktuellen Zeitintervall dadurch berücksichtigt, dass die das Zeitintervall überschreitenden Signalkomponenten quasi zeitlich von vorne in dem aktuellen Zeitintervall
berücksichtigt werden. Dieses gelingt durch die Periodizität der Antwortpulse.
Zur Reduzierung von Grundrauschen ist es weiterhin vorteilhaft, wenn das THz- Spektroskop einen Hochpassfilter hat. Dieses Hochpassfilter kann beispielsweise eine Lochapertur im Sende- und/oder Empfangspfad und/oder ein Absorberelement im Pfad der elektromagnetischen THz- Welle sein. Ein Hochpassfilter kann auch durch eine geeignete Metallisierungsstruktur der photoleitfähigen Antennen gebildet werden.. Das Hochpassfilter kann alternativ oder zusätzlich auch als digitales Filter für das digitalisierte Messsignal ausgeführt sein. Ferner kann das Hochpassfilter auch durch das Antennendesign des Emitters und/oder des Detektors gebildet werden.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das THz-Spektroskop zur wiederholten periodischen Ein- und Ausschaltung der Multimode-Laserlichtquelle mit einer Chopfrequenz zur Begrenzung der auf die photoleitfähigen Antenne im Sendepfad einwirkenden
Laserlichtleistung eingerichtet ist.
Üblicherweise muss die photoleitfähige Antenne durch ständiges Umschalten zwischen positiver und negativer Versorgungsspannung vor Überlastung geschützt werden. Dies erfordert eine relativ aufwendige Schaltungstechnik, die durch einen quasi-CW-Betrieb der Laserlichtquelle vermieden werden kann. Es wurde erkannt, dass das wiederholte, periodische schnelle Ein- und Ausschalten der Laserdiode genau den gleichen Effekt des„Choppens" der photoleitfähigen Antenne im Sendepfad hat. Das herkömmliche Umschalten der Versorgungsspannung ist damit nicht mehr nötig.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es weiterhin, ein verbessertes Verfahren zur Bestimmung der spektralen Frequenz- und/oder Phasenantwort einer Probe auf elektromagnetische Messpulse im THz-Frequenzbereich mit einem oben beschriebenen THz-Spektroskop zu schaffen.
Die Aufgabe wird durch ein solches Verfahren mit den Schritten gelöst:
Beaufschlagen der Probe mit elektromagnetischen THz- Wellen, die von einer photoleitfähigen Antenne im Sendepfad mit Hilfe einer Multimode- Laserstrahlung mit äquidistanten Modenabständen erzeugt werden; Aufnehmen eines Messsignals einer photoleitfähigen Antenne im Empfangspfad zur Erfassung von Messpulsen, die das Autokorrelationssignal zwischen der durch die Laserstrahlung modulierten Empfangsantenne und den elektromagnetischen THz- Wellen im THz-Frequenzbereich darstellen: Aufnehmen eines Messsignals einer photoleitfähigen Antenne im Empfangspfad zur Erfassung von Antwortpulsen der Probe auf die Messpulse;
Separieren einzelner Antwortpulse aus dem Messsignal anhand der äquidistanten Abstände der Antwortpulse zueinander, die diese aufgrund der äquidistanten Modenabstände der Laserstrahlung haben und
Bestimmen der spektralen Frequenz- und/oder Phasenantwort der Probe aus den separierten Antwortpulsen.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben. Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit den beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 - Blockdiagramm eines THz- Spektroskops;
Figur 2 - perspektivische Darstellung einer photoleitfähigen Antenne;
Figur 3 - Diagramm eines Messsignals eines ohne Probe betriebenen THz-
Spetroskops mit periodisch aufeinander folgenden Messpulsen; und
Figur 4 - Diagramm eines Messsignals eines THz-Spektroskops mit äquidistant voneinander beabstandeten Antwortpulsen.
Figur 1 lässt ein Blockdiagramm eines THz-Spektroskops 1 erkennen, das in bekannter Weise eine Laserlichtquelle 2 hat, deren Laserlichtstrahl 3 mit Hilfe eines Strahlteilers 4 in einen Sendepfad 5 und in einen Empfangspfad 6 aufgeteilt wird. Im Empfangspfad 6 ist eine Verzögerungseinheit 7 eingebaut, um den Laserlichtstrahl im Empfangspfad 6 um eine einstellbare Zeitkonstante τ zu verzögern. Der gegebenenfalls verzögerte Laserlichtstrahl im Empfangspfad 6 dient zur Modulation einer photoleitfähigen Antenne 8, die als Detektor für elektromagnetische Wellen im THz-Frequenzbereich angesteuert und verschaltet ist und ein Messsignal am Ausgang bereitstellt, das in einer Signalauswerteeinheit 9 geführt wird. Dass durch den Strom am Ausgang der photoleitfähigen Antenne charakterisierte Messsignal wird vorzugsweise digitalisiert und in der Signalauswerteeinheit zur Bestimmung der spektralen Frequenz- und/oder Phasenantwort einer Probe 10 auf einen Messpuls 11 ausgewertet. Alternativ kann als Detektor anstelle einer photoleitfähigen Antenne ein elektro-optischer Detektor, wie z.B. ein ZnTe (Zinktellurid) Kristall, eingesetzt werden.
Hierzu wird die Laserstrahlung 12 über einen Umlenkspiegel 13 von der
Verzögerungseinheit 7 auf die photoleitfähige Antenne 8 geleitet, die auf der anderen Seite die durch die Probe transmittierte THz-Strahlung 14 auffängt. Die THz-Strahlung der Probe wird über kolimierende und fokussierende optische Komponenten 15 auf die photoleitfähige Antenne 8 umgelenkt. Im Sendepfad 5 wird der Laserlichtstrahl ebenfalls über Umlenkspiegel 21 auf eine photoleitfähige Antenne 17 geleitet, die als Emitter zur Emission elektromagnetischer THz-Wellen 20 im THz-Frequenzbereich geschaltet ist, wobei die THz-Wellen durch Laserstrahlung 18 im Sendepfad 5 ausgelöst werden. Die von der photoleitfähigen Antenne 17 im Sendepfad 5 emittierten THz-Wellen 20 werden ebenfalls mit einer kolimierenden und fokussierenden Optik 19 auf die Probe 10 fokussiert.
Die Strahlführung der Laserstrahlung kann dabei entweder in einer
Freistrahlrealisierung durch Luft oder mittels Lichtwellenleiter, wie z.B. Glasfasern, erfolgen.
Die Laserlichtquelle 2 ist eine Multimode-Laserlichtquelle, die eine Multimode- Laserstrahlung mit äquidistanten Modenabständen erzeugt. Die äquidistanten
Modenabstände der eingesetzten Laserlichtquelle 2, die vorzugsweise als Multimode- Laserdiode ausgeführt ist, führen zu einem sich periodisch wiederholenden THz- Messsignal, wobei die Zeitperiode Tr invers proportional zu dem Modenabstand ist.
Figur 2 lässt eine Skizze einer photoleitfähigen Antenne im Sendepfad in der perspektivischen Ansicht erkennen. Die photoleitfähige Antenne ist als Dipolantenne 22 auf einem Galliumarsenidsubstrat ausgeführt. Die Dipolantenne 22 wird mit einer Versorgungsspannung Vb vorgespannt. Im Abstrahlbereich ist eine Siliziumlinse 23 angeordnet. Wenn ein optischer Multimode-Laserstrahl 18, d.h. ein Strahl aus kohärentem Licht, in dem mehrere Moden schwingen, auf den Abstrahlbereich der photoleitfähigen Antenne 17 trifft, wird eine THz- Welle abgestrahlt, die zu dem
Messpuls 11 führt.
Derartige photoleitfähige Antennen sind hinreichend bekannt und im Handel erhältlich. Mittels der Laserdiode 2, welche einen äquidistanten Modenabstand aufweist und eine hohe Strahlqualität besitzt (d.h. die Laseremission erfolgt ohne ein Auftreten von höheren transversalen Moden), können THz-Messsignale aufgenommen werden, welche jene Signale von konventionellen auf Femtosekundenlaser basierenden Spektroskopiesystemen entsprechen. Das detektierte Messsignal besteht, wie in Figur 3 gezeigt, aus äquidistanten Pulsen. Das dargestellte Messsignal weist Pulse mit einer Pulswiederholrate von etwa 41 ps auf, die durch den äquidistanten Modenabstand von etwa 24 GHz der zur Aufnahme des Messsignals genutzten Multimode-Laserdiode, herrührt.
Aufgrund der äquidistanten Pulse im Messsignal kann sowohl eine
Zeitbereichsdatenauswertung als auch eine Frequenzbereichsauswertung der
aufgenommenen Messdaten erfolgen, da die einzelnen Pulse eindeutig separierbar sind. Die resultierende Pulswiederholrate ist durch die Resonatorlänge der Laserdiode gegeben und kann durch geeignete Wahl der Laserdioden 2 optimiert werden.
Figur 4 lässt ein beispielhaftes Messsignal des THz-Spektroskops 1 erkennen, bei dem im Unterschied zum Messsignal aus Figur 3 nunmehr eine Probe in den Signalpfad eingebracht ist.
Erkennbar ist, dass die Messpulse 11 aufgrund der äquidistanten Modenabstände df der eingesetzten Laserdiode mit einer Zeitperiode Tr = 1/df periodisch wiederholt auftreten. Nach Beaufschlagung der Probe mit einem Messpuls 11 wechselwirkt die THz- Welle mit der Probe und verändert das Messsignal. Dabei tritt eine zeitliche
Verschiebung der THz-Welle und eine frequenzabhängige Amplitudenabschwächung auf. Ferner werden Fabry-Perot(FP)-Echos durch mehrfache Reflektion in der Probe 10 hervorgerufen. Diese Effekte lassen sich durch die Impulsantwort H(t) der Probe 10, d.h. der inversen Forier-/Laplace-Tranformierten der Übertragungsfunktion, über eine Faltungsoperation * mit dem THz-Signal bzw. dem ohne Probe detektierten Signal S(t) beschreiben. Das detektierte Signal S(t) setzt sich aufgrund des periodisch gewonnen THz-Messsignals aus Einzelkomponenten SO(t) zusammen, welche sich um die Zeit Tr verschoben wiederholen. Das detektierte Signal S(t) lässt sich wie folgt beschreiben:
S(t) = [∑S0(t - m x Tr)] .
m=-oo
Unter Berücksichtigung der Wechselwirkung mit der Probe 10 ergibt sich nach Faltung das Messsignal wie folgt:
SpO(O =∑ SO(t - m x Tr) * H(t) .
Die lineare Eigenschaft der Faltung wird ausgenutzt, um entweder jedes Einzelsignal SO(t) separat mit der Impulsantwort H(t) der Probe zu falten oder das Gesamtsignal S(t) das gesamte detektierte Messsignal Sp(t) lässt sich somit wie folgt analytisch beschreiben:
Sp(t) = S(t) * H(t) = [∑ S0(t - m x Tr)]* H(t) = [∑S0(t - mx Tr) * H(O] .
Figure imgf000014_0001
CO
Zur Bestimmung der spektralen Frequenz- und/oder Phasenantwort der Probe 10 wird nun zur Signalauswertung ein Zeitintervall der Länge Tr gewählt, die vorzugsweise invers proportional zu dem Modenabstand unter Umständen auch geringer ist. Das Zeitintervall schließt ein Signal SO(t) mit einem jeweiligen Messpuls 1 1 ein.
Bei der konkreten Untersuchung von Proben 10 müssen dann drei Fälle unterschieden werden. Im ersten Fall ist die optische Dicke der Probe 10 gering und sowohl die
Zeitverzögerung des ersten Antwortpulses A0 als auch die Zeitverzögerung der noch detektierbaren Fabry-Perot-Echo-Antwortpulse A1, A2, ..., An, als auch deren
Amplitude größer als der Signal-zu-Rausch-Abstand ist, sind kleiner als die
Zeitperiode Tr.
Im ersten Fall wird das Probensignal SpO(t) mit sämtlichen detektierbaren
Antwortpulsen A0 bis An vollständig innerhalb des Intervalls Tr liegen und kann somit ausgewertet werden. Im zweiten Fall ist die optische Dicke der Probe 10 moderat und die Zeitverzögerung des ersten Antwortsignals A0 ist kleiner als die Zeitperiode Tr. Dabei treten jedoch noch detektierbare Fabry-Perot-Echo-Antwortpulse An auf, deren Zeitverzögerung größer sind als die Zeitperiode Tr des gewählten Zeitintervalls.
In diesem Falle kann zur Signalauswertung ebenfalls ein Zeitintervall der Länger Tr gewählt werden, die wiederum invers proportional zu dem Modenabstand ist und ein Signal SO(t) mit dem Messpuls einschließt. Das Probensignal SpO(t) wird dann teilweise innerhalb des Intervalls 0:Tr liegen. Teilweise werden jedoch Echo- Antwortpulse An in die nächsten Intervalle K*Tr:K(+l)*Tr geschoben werden. Analog werden in das erste Intervall 0:Tr Echo- Antwortpulse An aus den davor liegenden Signalkomponenten geschoben. Um das detektierte Signal dennoch auswerten zu können, wird die Kenntnis des generellen Probenverhaltens ausgenutzt. Die
Zeitverschiebungen St des ersten Antwortpulses Ao und der Echo-Antwortpulse Am mit m = 1, 2, ... sind analytisch miteinander wie folgt verknüpft: m = 0 : ä∞(na - n0)L ,
/M = I : δt∞(3na— no)L , m = 2 : δt oc (5na - no)L , wobei m die Ordnung des Echopulses, L die Probendicke, na der spektral gemittelte Brechungsindex der Probe 10 und n0 der Brechungsindex der Atmosphäre ist.
Durch numerische Bildung einer Impulsantwort Hsim(t) und Faltung mit dem Signal SO(t) kann für bekannte Probenparameter eine vollständige Beschreibung des
Gesamtsignals Sp(t) erfolgen. Aufgrund der Periodizität werden dabei die
Signalkomponenten, welche das Intervall 0:Tr überschreiten, wieder von der anderen Seite in das Intervall hineingeschoben. Durch Auswahl von geeigneten Startwerten für die Probenparameter, die Parameter der simulierten Impulsantwort Hsim(t) bestimmen, und einer geeigneten Optimierung kann das simulierte Messsignal mit dem detektierten Messsignal bestmöglich überlappt werden. Auf diese Weise ist eine Signalauswertung begrenzt auf ein limitiertes Zeitintervall möglich. In einem anderen Fall ist die optische Dicke der Probe so groß, dass sowohl die Zeitverzögerung des ersten Antwortsignals als auch die Zeitverzögerung der noch detektierbaren Fabry-Perot-Echo-Antwortpulse größer als die Zeitperiode Tr ist. In diesem Falle kann zur Signalauswertung ebenfalls ein limitiertes Zeitintervall der
Länge Tr gewählt werden, welches das Signal SO(t) mit dem Messpuls einschließt. Das Probensignal SpO(t), d.h. das Antwortverhalten der Probe auf den Messpuls, wird vollständig außerhalb des Zeitintervalls liegen. Jedoch wird das Probensignal eines davor liegenden Intervalls in das aktuelle Zeitintervall geschoben werden. Somit kann das Probensignal analog zum oben beschriebenen Fall 2 ausgewertet werden.
Allerdings tritt hierbei eine Mehrdeutigkeit auf. Eine Probe, welche den Antwortpuls auf einen Messpuls um die Zeit Tr verschiebt, kann direkt nicht von einer Probe unterschieden werden, welches das Signal um zweimal Tr verschiebt. D.h., dass die Probendicke mit einer gewissen Genauigkeit bekannt sein muss, sofern auch dicke Proben gemäß dem vorliegenden Fall ausgewertet werden sollen. Die notwendige Genauigkeit ist dabei durch die Zeit Tr gegeben. Die Zeitverzögerung durch das Einbringen der Probe, hervorgerufen durch den Umstand, dass deren optische Dicke größer ist als die optische Dicke der Atmosphäre, welche durch die Probe verdrängt wird, muss in der Größenordnung M x Tr abgeschätzt werden können, d.h.
M x Tr x Cn
L = 1O
(" - I)
Beispielsweise wird bei einer Zeitkonstante Tr = 50 ps und einem Probenmaterial Polypropylen (PP) mit n = 1,5 und einer Dicke >L = 3 cm zu einer Verschiebung gemäß des letzt beschriebenen Falls 3 führen. D.h., wenn Proben dicker als 3 cm untersucht werden sollen, ist deren Dicke auf 3 cm genau anzugeben.
Diese groben Dickeninformation kann entweder aus den Parametern des
Herstellungsprozesses abgeschätzt oder mit einem zusätzlichen, z.B. auf optischer Basis arbeitenden Dickensensor, parallel zur THz-Charakterisierung ermittelt werden. Alternativ ist es möglich, bei Kenntnis des Brechungsindexes der Probe mit Hilfe der zu Fall 2 für die Echopulse beschriebenen Gleichung aus den Fabry-Perot-Echo- Antwortpulsen eine Dickenbestimmung durchzuführen.

Claims

Patentansprüche:
1. THz- Spektroskop (1) mit einer Multimode-Laserlichtquelle (2) zur Erzeugung einer Multimode-Laserstrahlung (18) mit äquidistanten Modenabständen, mit einem Strahlteiler (4) zur Aufteilung des Laserlichtstrahls (3) in einen
Sendepfad (5) und einen Empfangspfad (6), einer Verzögerungseinheit (7) im Sende- oder Empfangspfad (5, 6) oder im Pfad einer THz- Welle (20), einem Emitter, vorzugsweise in Form einer photoleitfähigen Antenne (17) im
Sendepfad (5) zur Aussendung von elektromagnetischen THz- Wellen (20) im
THz-Frequenzbereich und einem Detektor (8), vorzugsweise in Form einer photoleitfähigen Antenne im Empfangspfad zur Erfassung elektromagnetischer Antwortpulse (A) einer Probe (10), die im Strahlengang des Emitters (17) und Detektors (8) angeordnet und mit den elektromagnetischen THz-Wellen (20) des Emitters (17) beaufschlagbar ist, und mit einer an einen Signalmessausgang des
Detektors (8) anschließbaren Signalauswerteeinheit (9), die zur Auswertung der spektralen Frequenz- und/oder Phasenantwort der Probe (10) in Abhängigkeit von den vom Detektor (8) aufgenommenen Antwortpulsen (A) der Probe (10) in Bezug zu der von der Laserlichtquelle (2) im Empfangspfad (6) direkt auf den Detektor (8) geleiteten Multimode-Laserstrahlung (12), die den Detektor (10) moduliert, eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die
Signalauswerteeinheit (9) zur Separation einzelner Antwortpulse (A) aus dem Messsignal anhand der äquidistanten Abstände der Antwortpulse (A)
zueinander, die diese aufgrund der äquidistanten Modenabstände der
Laserstrahlung haben, und zur Bestimmung der spektralen Frequenz- und/oder
Phasenantwort der Probe (10) aus den separierten Antwortpulsen (A)
eingerichtet ist.
2. THz-Spektroskop (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Signalauswerteeinheit (9) zur Bestimmung der spektralen Frequenz- und/oder
Phasenantwort der Probe (10) durch Auswertung des Messsignals im Zeitbereich unter Berücksichtigung der äquidistanten Abstände der Antwortpulse (A) eingerichtet ist.
3. THz-Spektroskop (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalauswerteeinheit (9) zur Auswertung von Zeitintervallen (Tr) des
Messsignals derart eingerichtet ist, dass die Zeitintervalle (Tr) kleiner oder gleich dem zeitlichen äquidistanten Abstand der Antwortpulse (A) gewählt ist, wobei die spektrale Frequenz- und/oder Phasenantwort auf einen in einem jeweiligen aktuellen Zeitintervall (Tr) liegenden Messpuls (11) in Abhängigkeit von der optischen Dicke der Probe (10) aus diesem aktuellen Zeitintervall des Messsignals bestimmt wird.
4. THz-Spektroskop (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer optischen Dicke der Probe (10), bei der Antwortpulse (A) außerhalb des aktuellen Zeitintervalls (Tr) liegen, die Signalauswerteeinheit (9) zur
numerischen Bildung einer simulierten Impulsantwort (Hsim(t)) und
Bestimmung eines simulierten Vergleichsmesssignals (Ssim(t)) durch Faltung der simulierten Impulsantwort (Hsim(t)) mit dem Signal des Messpulses (SO(t)), sowie zur bestmöglichen Anpassung des Vergleichsmesssignals (Ssim(t)) an das Messsignal (Smess(t)) durch Optimierung der simulierten Impulsantwort (Hsim(t)) eingerichtet ist, wobei die simulierte Impulsantwort (Hsim(t)) die spektrale Frequenz- und/oder Phasenantwort beschreibt und wobei die simulierte
Impulsantwort (Hsim(t)) unter Ausnutzung der Periodizität der Antwortpulse (A) unter Abschätzung der Zeitverschiebung der Antwortpulse (A) in
Abhängigkeit von der optischen Dicke der Probe (10) außerhalb des aktuellen Zeitintervalls (Tr) liegende Antwortpulse (A) durch Abbildung in das aktuelle Zeitintervall (Tr) berücksichtigt.
5. THz-Spektroskop (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das THz-Spektroskop (1) ein Hochpassfilter zur
Reduzierung von Grundrauschen hat.
6. THz-Spektroskop (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das
Hochpassfilter eine Lochapertur und/oder ein Absorberelement im Sende- und/oder Empfangspfad ist und/oder durch eine Metallisierungsstruktur der photoleitfahigen Antennen (8, 17) gebildet ist.
7. THz- Spektroskop (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das
Hochpassfilter als digitales Filter für das digitalisierte Messsignal ausgeführt ist.
8. THz-Spektroskop (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das THz-Spektroskop (1) zur wiederholten periodischen Ein- und Ausschaltung der Multimode-Laserlichtquelle (2) mit einer
Chopfrequenz zur Begrenzung der auf die photoleitfähige Antenne (17) im Sendepfad (5) einwirkenden Laserlichtleistung eingerichtet ist.
9. Verfahren zur Bestimmung der spektralen Frequenz- und/oder Phasenantwort einer Probe (10) auf elektromagnetische Messpulse im THz-Frequenzbereich mit einem THz-Spektroskop (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch:
Beaufschlagen der Probe (10) mit elektromagnetischen Wellen (20), die von einem Emitter (17) im Sendepfad (5) mit Hilfe einer Laserstrahlung (18) mit mehreren Moden und äquidistanten Modenabständen erzeugt werden;
Aufnehmen eines Messsignals eines Detektors (8) im Empfangspfad (6) zur Erfassung von Messpulsen (1 1), die das Autokorrelationssignal zwischen dem durch die Laserstrahlung (12) modulierten Detektor (8) und den elektromagnetischen THz- Wellen darstellen;
Aufnehmen eines Messsignals einer photoleitfahigen Antenne (8) im Empfangspfad (6) zur Erfassung von Antwortpulsen (A) der Probe (10) auf die Messpulse (11);
Separieren einzelner Antwortpulse (A) aus dem Messsignal anhand der äquidistanten Abstände der Antwortpulse (A) zueinander, die diese aufgrund der äquidistanten Modenabstände der Laserpulse (18) haben, und
Bestimmen der spektralen Frequenz- und/oder Phasenantwort der Probe (10) aus den separierten Antwortpulsen (A).
10. Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch Bestimmen der spek-tralen Frequenz- und/oder Phasenantwort der Probe (10) durch Auswertung des Messsignals im Zeitbereich unter Berücksichtigung der äquidistanten Abstände der Antwortpulse (A).
11. Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch Auswerten von
Zeitintervallen (Tr) des Messsignals derart, dass die Zeitintervalle (Tr) kleiner oder gleich dem zeitlichen äquidistanten Abstand der Moden gewählt wird, wobei die spektrale Frequenz- und/oder Phasenantwort auf einen in einem jeweiligen aktuellen Zeitintervall (Tr) liegenden Messpuls (11) in Abhängigkeit von der optischen Dicke der Probe (10) aus diesem aktuellen Zeitintervall (Tr) des Messsignals bestimmt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer optischen Dicke der Probe (10), bei der Antwortpulse (A) außerhalb des aktuellen
Zeitintervalls (Tr) liegen, eine numerische Bildung einer simulierten
Impulsantwort (Hsim(t)) und Bestimmung eines simulierten
Vergleichsmesssignals (Ssim(t)) durch Faltung der simulierten Impulsantwort (Hsim(t)) mit dem Signal des Messpulses (Smess(t)), sowie zur bestmöglichen Anpassung des Vergleichsmesssignals (Ssim(t)) an das Messsignal (Smess(t)) durch Optimierung der simulierten Impulsantwort (Hsim(t)) erfolgt, wobei die optimierte simulierte Impulsantwort (Hsim(t)) die spektrale Frequenz- und/oder Phasenantwort beschreibt und wobei die simulierte Impulsantwort (Hsim(t)) unter Ausnutzung der Periodizität der Antwortpulse (A) und Abschätzung der Zeitverschiebung der Antwortpulse (A) in Abhängigkeit von der optischen
Dicke der Probe (10) außerhalb des aktuellen Zeitintervalls (Tr) liegende Antwortpulse (A) durch Abbildung in das aktuelle Zeitintervall (Tr)
berücksichtigt.
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