WO2020148218A1 - Hochfrequenzvorrichtung und verfahren zum erzeugen und erfassen von elektromagnetischer thz-strahlung - Google Patents

Hochfrequenzvorrichtung und verfahren zum erzeugen und erfassen von elektromagnetischer thz-strahlung Download PDF

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WO2020148218A1
WO2020148218A1 PCT/EP2020/050663 EP2020050663W WO2020148218A1 WO 2020148218 A1 WO2020148218 A1 WO 2020148218A1 EP 2020050663 W EP2020050663 W EP 2020050663W WO 2020148218 A1 WO2020148218 A1 WO 2020148218A1
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mixer element
electromagnetic radiation
frequency
source
radiation
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PCT/EP2020/050663
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Inventor
Daniel MOLTER
Michael KOLANO
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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Publication date
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    • G01—MEASURING; TESTING
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    • 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
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/90—Non-optical transmission systems, e.g. transmission systems employing non-photonic corpuscular radiation
    • G—PHYSICS
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    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/3528—Non-linear optics for producing a supercontinuum

Definitions

  • the present invention relates to a high-frequency device with a source for electromagnetic radiation, which is designed such that it generates and emits electromagnetic radiation in a first frequency range during operation of the high-frequency device, a beam splitter that is generated in a beam path during operation from the source and emitted electromagnetic radiation and which is designed such that it divides the electromagnetic radiation generated by the source into a first part and a second part, a first mixer element as an emitter, which is arranged and configured such that it is in the operation of the High-frequency device generates and emits electromagnetic THz radiation in a second frequency range that is different from the first frequency range, and a second mixer element as a detector, which is arranged and designed in such a way that, in the operation of the high-frequency device, the THz radiation emitted by the first mixer element is detected, and a delay device, the beam splitter, the first mixer element, the second mixer element and the delay device being arranged such that, during operation of the high-frequency device, the first part of the electromagnetic radiation hits the first mixer element and the
  • the present invention relates to a method for generating and detecting electromagnetic THz radiation with the steps: generating and emitting electromagnetic radiation in a first frequency range, splitting the emitted electromagnetic radiation so that a first part of the electromagnetic radiation is directed to a first mixer element and a second part of the electromagnetic radiation is directed onto a second mixer element, generating electromagnetic THz radiation in the first mixer element, emitting the THz radiation from the first mixer element and delay-resolved detection of the THz radiation emitted by the first mixer element with the second Mixer element.
  • THz technology has proven its applicability in many fields of application.
  • One type of high-frequency device for generating and detecting electromagnetic THz radiation is based on the conversion of electromagnetic radiation in a first frequency range, for example in the infrared spectral range, into the THz radiation.
  • a first frequency range for example in the infrared spectral range
  • optoelectronic high-frequency components with a photoconductive switch illuminated by the electromagnetic radiation in the first frequency range or non-linear electro-optical crystals are used.
  • Continuous wave systems are also used. Two modes are generated in the first spectra area with one or two lasers. The two modes have a frequency spacing which is equal to the frequency of the THz radiation to be generated. With these two modes, a first mixer element for generating the THz radiation is illuminated as before.
  • a high-frequency device with a source for electromagnetic radiation, which is designed such that it generates and emits electromagnetic radiation in a first frequency range during operation of the high-frequency device, a beam splitter, which is in a beam path in the Operation of the source generated and emitted electromagnetic radiation is arranged and which is designed such that it divides the electromagnetic radiation generated by the source into a first part and a second part, a first mixer element as an emitter, which is arranged and configured such that it generates and emits electromagnetic THz radiation in the operation of the high-frequency device in a second frequency range that differs from the first frequency range, a second mixer element as a detector, which is arranged and designed such that it is in operation of the ho Frequency device detects the THz radiation emitted by the first mixer element, and a delay device, the beam splitter, the first mixer element, the second mixer element and the delay device being arranged such that, during the operation of the high-frequency device, the first part of the
  • This continuous spectrum in the first frequency range leads to a continuous, ie also gapless, THz spectrum when mixed in the first mixer element.
  • such broadband sources with a continuous spectrum are less expensive than the ultrashort pulse lasers otherwise used in the prior art.
  • a beam splitter cube can serve as a beam splitter for splitting the electromagnetic radiation generated and emitted by the source in the case of a bulk optic structure.
  • the beam splitter can be designed as a fiber coupler.
  • the first mixer element and / or the second mixer element is designed as a nonlinear electro-optical crystal.
  • a photoconductive switch in the sense of the present application is an electrical switch, via which an electrical current flow is possible when the switch or a section thereof is illuminated with the electromagnetic radiation in the first frequency range.
  • a photoconductive switch generally has, at least in sections, a photoconductive substrate, in particular a semiconductor substrate. In this substrate charge carriers are generated when the electromagnetic radiation is irradiated in the first frequency range, which enable current to be transported across the switch.
  • Alternative terms for such a photoconductive switch are “photoswitch” or “photoconductive switch”.
  • the switch is biased with a voltage source, so that a current flows through the photoconductive switch when illuminated.
  • a simple embodiment of such a photoconductive switch is a metallic structure on a photoconductive semiconductor substrate, the structure being interrupted at one point. At this point, the electromagnetic radiation in the first frequency range for switching the photoconductive switch is focused in the operation of the device.
  • the interrupted one The structure can be, for example, an essentially square gap in an otherwise approximately rectangular conductor.
  • structures are also suitable, which are commonly referred to as MSM structures (metal-semiconductor-metal structures), in which individual fingers of the opposite contacts engage in the manner of two interlaced combs, with a sufficient gap with semiconductor material between the individual fingers of the switch is available.
  • the charge carriers generated in the substrate of the photoconductive switch have the shortest possible carrier lifetime.
  • Silicon and gallium arsenide grown at low temperatures are therefore particularly suitable as substrate material for the photoconductive switch.
  • a more complex optoelectronic component for example a PIN photodiode, which also provides a short switching time, can also be used as the photoconductive switch.
  • a photoconductive switch for example biased with a direct voltage, is illuminated with the electromagnetic radiation in the first frequency range, i. H. closed.
  • the resulting current flow generates the high-frequency radiation.
  • the first mixer element or the second mixer element in one embodiment has an antenna structure connected to the photoconductive switch in addition to the photoconductive switch.
  • all antenna structures known from high-frequency technology are suitable as the antenna structure for the first mixer element and / or the second mixer element.
  • the antenna structure of the first and / or the second mixer element is a dipole antenna, a bow-tie antenna or a spiral antenna.
  • THz radiation in the sense of the present application denotes electromagnetic radiation in a frequency range from 800 MHz to 10 THz, preferably from 1 GHz to 5 THz.
  • the delay device in the sense of the present application serves to set and vary a difference between a first optical path length and a second optical path length.
  • first optical path length the optical path length of the first part of the electromagnetic radiation in the first frequency range from the beam splitter to the first mixer element plus the THz radiation from the first mixer element to the second mixer element is to be considered.
  • the second optical path length is the optical path length of the second part of the electromagnetic radiation in the first frequency range from the beam splitter to the second mixer element.
  • a divisibility of the difference between the first optical path length and the second optical path length can be realized, for example, by a mechanical linear adjuster with a mirror or retroreflector mounted thereon, a translation of the mirror or retroreflector the geometric path and thus also the optical path, for example of the first part of the electromagnetic radiation or the second Part of the electromagnetic radiation and thus the difference in the optical path lengths changes.
  • the difference is adjustably changeable around a zero position in which the first optical path length and the second optical path length are the same.
  • the delay device makes it possible to delay the arrival of the THz radiation on the second mixer element in relation to the arrival of the electromagnetic radiation in the second frequency range, part of which generated the THz radiation, so that a cross-correlation can be detected.
  • the first frequency range of the electromagnetic radiation generated and emitted by the source lies in a range which corresponds to a wavelength in a range from 1.2 pm to 1.7 gm.
  • the electromagnetic radiation in the first frequency range preferably has a wavelength range with a bandwidth around 1.55 pm or 1.3 pm. Sources of electromagnetic radiation at these wavelengths are commercially available, particularly for telecommunications applications.
  • the electromagnetic radiation emitted by the source has a continuous spectrum in the first frequency range. Only a continuous spectrum in the first frequency range ensures a continuous, gapless spectrum of the THz radiation generated and emitted by the first mixer element.
  • a continuous spectrum of the source in the sense of the present application is understood to be a spectrum with a frequency bandwidth of at least 1 GHz, the intensity of the electromagnetic radiation in the first frequency range being greater than 0 over the entire frequency bandwidth.
  • the electromagnetic radiation generated and emitted by the source has a non-zero intensity over a frequency bandwidth of at least 500 GHz, preferably a non-zero intensity over a frequency bandwidth of 2 THz.
  • the electromagnetic radiation generated and emitted by the source has a non-zero intensity over a frequency bandwidth of at most 10 THz.
  • the source is designed in such a way that the intensity of the electromagnetic radiation generated and emitted by the source is greater than -20 dB, preferably as -10 dB and particularly preferably as -5 dB based on the frequency spectrum maximum intensity within the frequency bandwidth.
  • the electromagnetic radiation generated and emitted by the source is incoherent in time.
  • the source is selected from a superluminescent diode, a light-emitting diode, a thermal light source or a rare earth-doped optical amplifier, for example an erbium-doped fiber amplifier.
  • all of these sources provide broadband electromagnetic radiation in the first frequency range with the necessary intensity. At least in embodiments thereof, they can be designed such that no discrete modes of the generated and emitted electromagnetic radiation are formed. Therefore, in one embodiment of the invention, the exit facets of the source are provided with an anti-reflective coating in order to prevent the formation of a resonator and thus of longitudinal modes in the spectrum of the electromagnetic radiation generated in the first frequency range. In one embodiment of the invention, the source has no resonator.
  • the source for the first electromagnetic radiation is suitable for generating THz radiation at the first mixer element, in one embodiment of the invention the source has a frequency bandwidth of integrated total power of at least 1 mW, preferably of at least 20 mW.
  • a bandpass filter is arranged in the beam path of the electromagnetic radiation between the source and the beam splitter, the bandpass filter preferably having a bandwidth of 15 nm, preferably a bandwidth of 10 nm and particularly preferably 5 nm.
  • a bandwidth limitation is particularly expedient in an embodiment in which the source has a continuous spectrum with an intensity that differs from 0 over a large frequency bandwidth. If one were to illuminate the first mixer element and / or the second mixer element with the electromagnetic radiation with the entire frequency bandwidth, then mixing frequencies outside the usable THz frequency range would be generated, which would only heat the mixer elements and thus reduce the signal-to-noise.
  • an optical isolator and / or a bandpass filter and / or an optical amplifier preferably in the order specified, is arranged in the beam path of the electromagnetic radiation between the source and the beam splitter.
  • the optical isolator is used to prevent radiation from reflecting back into the source.
  • the optical isolator thus isolates the source of external influences on its spectrum.
  • the optical amplifier serves to increase the power of the electromagnetic radiation generated and emitted by the source in the first frequency range, so that sufficient power is available, in particular for operating the first mixer element as an emitter.
  • At least one of the aforementioned tasks is also solved by a method for generating and detecting electromagnetic THz radiation, the method comprising the steps: generating and emitting electromagnetic radiation in a first frequency range, splitting the emitted electromagnetic radiation so that a first part of the electromagnetic radiation is directed to a first mixer element and a second part of the electromagnetic radiation is directed to a second mixer element, generation of electromagnetic THz radiation in the first mixer element, radiation of the THz radiation from the first mixer element and delay-resolved detection the THz radiation emitted by the first mixer element with the second mixer element, wherein the electromagnetic radiation in the first frequency range ver a continuous spectrum with a 0 over a frequency bandwidth of at least 1 GHz different intensity.
  • the difference between the first optical path length and the second optical path length is varied, preferably around the zero difference, as described in detail above for the high-frequency device .
  • the amplitude of the electrical field of the THz radiation is recorded as a function of the delay or path length difference between the first optical path length and the second optical path length.
  • the cross-correlation as a function of the delay can be transformed by a Fourier transformation into a frequency spectrum in which the amplitude of the electric field of the THz radiation is plotted against the frequency.
  • Figure 1 is a schematic representation of a radio frequency system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a plot of the intensity of the electromagnetic radiation generated and emitted by the source 2 from FIG. 1 in the first frequency range according to the bandpass filter from FIG. 1 versus the wavelength.
  • FIG. 3 a is a plot of the amplitude of the electromagnetic field of the THz radiation generated and emitted by the first mixer element 9 from FIG. 1 in relation to the delay.
  • FIG. 3 b is a plot of the amplitude of the electromagnetic field of the THz radiation generated and emitted by the first mixer element 9 from FIG. 1 in relation to the frequency.
  • FIG. 4 a is a plot of the amplitude of the electromagnetic field of the THz radiation measured with a high-frequency device from the prior art compared to the delay.
  • Figure 4 b is a plot of the amplitude of the electromagnetic field of the THz radiation compared to the frequency measured with a high-frequency device from the prior art.
  • the realization of a high-frequency system shown in FIG. 1 is based on fiber optic components except for the delay device and the THz beam guidance.
  • the basis is a source 2 for generating electromagnetic radiation at a wavelength of 1.55 pm or approximately 193.4 THz.
  • This electromagnetic radiation which is guided in the beam direction after the source 2 in the fiber sections 3 and the further components of the device 1, forms the electromagnetic radiation in the first frequency range in the sense of the present application.
  • source 2 is a superluminescent diode, as is commercially available for telecommunication applications.
  • the available glass fiber components have a low attenuation around a wavelength of 1.55 pm.
  • An optical isolator 4 is arranged in the beam path of the electromagnetic radiation in the beam direction behind the source 2. This serves to protect the superluminescent diode 2 from external interference, that is to say in particular to prevent reflections of the electromagnetic radiation from the other components back into the source 2.
  • a bandpass filter 5 is provided further in the beam direction behind the optical isolator 4. This has a bandwidth of 21 nm (FWHM), 1 1, 7 nm (FWHM) or 7.5 nm (FWHM).
  • the bandwidth limitation introduced in the further beam path due to the bandpass filter 5 reduces the bandwidth of the electromagnetic radiation made available to the mixer elements 9, 10 in the first frequency range, which can be effectively converted by the mixer elements 9, 10 by the thermal load on the mixer elements and thus the noise of the System to reduce.
  • FIG. 3 shows the wavelength spectrum of the electromagnetic radiation in the first frequency range behind the bandpass filter 5, the intensity in dB versus the wavelength being plotted for three different bandwidths (FWHM) of the bandpass filter.
  • the solid line shows the spectrum for a bandpass filter 5 with a bandwidth of 7.5 nm (FWHM)
  • the dashed line shows the spectrum for a bandpass filter 5 with a bandwidth of 11.7 nm (FWHM)
  • the dotted line shows this Wavelength spectrum for a bandpass filter 5 with a bandwidth of 21 nm (FWHM). It can be clearly seen that the spectrum is continuous over the entire frequency range, i.e. has a non-zero intensity without gaps.
  • the amplifier 6 amplifies the power provided by the source 2 to a level so that both mixer elements 9, 10 can be driven by the electromagnetic radiation provided in the first frequency range.
  • the fiber coupler 7 as a beam splitter in the sense of the present application divides the electromagnetic radiation into a first part and a second part, the power which is given to the first mixer element 9 as emitter being greater than the power of the second in the implementation shown Part of the electromagnetic radiation which is applied to the second mixer element 10 as a detector.
  • the mixer elements 9, 10 each have a photoconductive switch with an antenna structure.
  • the photoconductive switch of the first mixer element 9 is electrically biased with a voltage source, so that when the photoconductive switch is illuminated, a current flows through the photoconductive switch, thus generating an electromagnetic field of the THz radiation 1 1.
  • an electrical current is in the second mixer element 10 as a detector measured via the photoconductive switch. This current is driven by the electric field of the THz radiation 1 1, which is coupled into the photoconductive switch via the antenna.
  • the charge carriers required for the current flow are in turn generated by the electromagnetic radiation in the first frequency range, ie the radiation from the source 2.
  • the optical path lengths are initially dimensioned such that a wave train divided by the beam splitter 7 simultaneously hits the second mixer element 10 like that of this wave train in the first mixer element 9 generated THz radiation 1 1.
  • a first optical path length from the beam splitter 7 to the second mixer element 10 is measured first as the sum of the optical path lengths of the electromagnetic radiation in the first frequency range from the beam splitter 7 to the first mixer element 9 and the THz Radiation from the first mixer element 9 to the second mixer element 10 is equal to a second optical path length measured from the beam splitter 7 via the delay device 8 to the second mixer element 10.
  • the high-frequency device 1 also has between the beam splitter 7 and the second mixer element 10 has a delay device 8 which makes the difference between the first optical path length and the second optical path length adjustable by the difference of 0 (zero difference).
  • the THz radiation 1 1 between the first mixer element 9 and the second mixer element 10 is guided with the aid of paraboloid mirrors 12, 13, an object 14, i.e. an object 14 in the beam of the THz radiation 1 1. a sample is arranged.
  • FIG. 3 a shows the amplitude of the electrical field of the THz radiation 1 1 recorded with the aid of the second mixer element 10 as a detector and the variation of the optical path length difference with the aid of the delay device 8 plotted against the delay, i.e. the optical path length difference between the first optical path length and the second optical path length, in ps. 3 a), three representations for the three different bandwidths of the bandpass filter 5 are shown superimposed. The lower system noise is clearly visible at the lowest bandwidth of 7.5 nm (FWHM).
  • FIG. 3 b) shows the amplitude of the electrical field of the THz radiation in arbitrary units compared to the frequency in THz. It can be clearly seen that, like the electromagnetic radiation in the first frequency range that is generated by the source 2, this too Spectrum of THz radiation 1 1 is continuous and gapless. The dips in the spectrum are based on water absorption lines, but the amplitude of the electric field is greater than 0 over the entire THz frequency range.
  • THz spectrum This characterization of the THz spectrum is particularly clear as being continuous in comparison with a measurement which is shown in FIGS. 4 a) and 4 b).
  • the source 2 from the high-frequency device 1 from FIG. 1 was replaced by a multimode laser diode.
  • Their spectrum consisted of discrete modes with equidistant spacing. Therefore, the THz spectrum from FIG. 4 b) is also constructed from a series of discrete modes, which correspond to the distance between different modes of the spectrum of the electromagnetic radiation of the multimode laser diode.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hochfrequenzvorrichtung mit einer Quelle für elektromagnetische Strahlung, die derart ausgestaltet ist, dass sie in einem Betrieb der Hochfrequenzvorrichtung elektromagnetische Strahlung in einem ersten Frequenzbereich erzeugt und abstrahlt,einem Strahlteiler, der in einem Strahlengang der in dem Betrieb von der Quelle erzeugten und abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung angeordnet ist und der derart ausgestaltet ist, dass er die von der Quelle erzeugte elektromagnetische Strahlung in einen ersten Teil und einen zweiten Teil aufteilt,einem ersten Mischerelement als Emitter, das derart angeordnet und ausgestaltet ist, dass es in dem Betrieb der Hochfrequenzvorrichtung elektromagnetische THz-Strahlung in einem von dem ersten Frequenzbereich verschiedenen zweiten Frequenzbereich erzeugt und abstrahlt, einem zweiten Mischerelement als Detektor, das derart angeordnet und ausgestaltet ist, dass es in dem Betrieb der Hochfrequenzvorrichtung die von dem ersten Mischerelement abgestrahlte THz- Strahlung erfasst, und einer Verzögerungseinrichtung, wobei der Strahlteiler, das erste Mischerelement,das zweite Mischerelement und die Verzögerungseinrichtung derart angeordnet sind, dass indem Betrieb der Hochfrequenzvorrichtung der erste Teil der elektromagnetischen Strahlung auf das erste Mischerelement trifft und der zweite Teil auf das zweite Mischerelement trifft, und wobei die Verzögerungseinrichtung derart angeordnet und ausgestaltet ist, dass eine Differenz zwischen einer ersten optischen Weglänge des ersten Teils der elektromagnetischen Strahlung in dem ersten Frequenzbereich von dem Strahlteiler zu dem ersten Mischerelement sowie der THz-Strahlung von dem ersten Mischerelement zu dem zweiten Mischerelement und einer zweiten optischen Weglänge des zweiten Teils der elektromagnetischen Strahlung in dem ersten Frequenzbereich von dem Strahlteiler bis zu dem zweiten Mischerelement einstellbar veränderbar ist, wobei die Quelle derart ausgestaltet ist, dass die von ihr erzeugte und abgestrahlte elektromagnetische Strahlung in dem ersten Frequenzbereich ein kontinuierliches Spektrum mit einer über eine Frequenzbandbreite von mindestens 1 GHz hinweg von 0 verschiedenen Intensität aufweist.

Description

Hochfrequenzvorrichtung und Verfahren zum Erzeugen und Erfassen von
elektromagnetischer THz-Strahlung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hochfrequenzvorrichtung mit einer Quelle für elektromagnetische Strahlung, die derart ausgestaltet ist, dass sie in einem Betrieb der Hochfrequenzvorrichtung elektromagnetische Strahlung in einem ersten Frequenzbereich erzeugt und abstrahlt, einem Strahlteiler, der in einem Strahlengang der in dem Betrieb von der Quelle erzeugten und abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung angeordnet ist und der derart ausgestaltet ist, dass er die von der Quelle erzeugte elektromagnetische Strahlung in einen ersten Teil und einen zweiten Teil aufteilt, einem ersten Mischerelement als Emitter, das derart angeordnet und ausgestaltet ist, dass es in dem Betrieb der Hochfrequenzvorrichtung elektromagnetische THz-Strahlung in einem von dem ersten Frequenzbereich verschiedenen zweiten Frequenzbereich erzeugt und abstrahlt, und einem zweiten Mischerelement als Detektor, das derart angeordnet und ausgestaltet ist, dass in dem Betrieb der Hochfrequenzvorrichtung die von dem ersten Mischerelement abgestrahlte THz- Strahlung erfasst, und einer Verzögerungseinrichtung, wobei der Strahlteiler, das erste Mischerelement, das zweite Mischerelement und die Verzögerungseinrichtung derart angeordnet sind, dass in dem Betrieb der Hochfrequenzvorrichtung der erste Teil der elektromagnetischen Strahlung auf das erste Mischerelement trifft und der zweite Teil auf das zweitem Mischerelement trifft, und wobei die Verzögerungseinrichtung derart angeordnet und ausgestaltet ist, dass eine Differenz zwischen einer ersten optischen Weglänge des ersten Teils der elektromagnetischen Strahlung in dem ersten Frequenzbereich von dem Strahlteiler zu dem ersten Mischerelement sowie der THz-Strahlung von dem ersten Mischerelement zu dem zweiten Mischerelement und einer zweiten optischen Weglänge des zweiten Teils der elektromagnetischen Strahlung in dem ersten Frequenzbereich von dem Strahlteiler bis zu dem zweiten Mischerelement einstellbar veränderbar ist.
Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen und Erfassen von elektromagnetischer THz-Strahlung mit den Schritten: Erzeugen und Abstrahlen von elektromagnetischer Strahlung in einem ersten Frequenzbereich, Aufteilen der abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung, sodass ein erster Teil der elektromagnetischen Strahlung auf ein erstes Mischerelement geleitet wird und ein zweiter Teil der elektromagnetischen Strahlung auf ein zweites Mischerelement geleitet wird, Erzeugen von elektromagnetischer THz-Strahlung in dem ersten Mischerelement, Abstrahlen der THz-Strahlung von dem ersten Mischerelement und verzögerungsaufgelöstes Erfassen der von dem ersten Mischerelement abgestrahlten THz-Strahlung mit dem zweiten Mischerelement. Die THz-Technologie hat in den letzten Jahren ihre Einsatzfähigkeit in vielen Anwendungsfeldern bewiesen. Ein Typ von Hochfrequenzvorrichtungen zum Erzeugen und Erfassen von elektromagnetischer THz-Strahlung beruht auf der Konversion von elektromagnetischer Strahlung in einem ersten Frequenzbereich, beispielsweise im infraroten Spektralbereich, in die THz-Strahlung. Zur Konversion werden optoelektronische Hochfrequenzbauteile mit einem von der elektromagnetischen Strahlung in dem ersten Frequenzbereich beleuchteten photoleitenden Schalter oder nichtlineare elektrooptische Kristalle verwendet.
Zum Treiben des Konversionsprozesses kommen insbesondere kostenintensive Ultrakurzpulslaser mit einer Pulsdauer von rund 100 fs zum Einsatz. Bei der Konversion der elektromagnetischen Pulse in dem ersten Frequenzbereich in die THz-Strahlung in dem jeweiligen Mischerelement entsteht ebenfalls pulsförmige, d.h. spektral breitbandige THz-Strahlung.
Darüber hinaus kommen auch Dauerstrichsysteme zum Einsatz. Dabei werden mit einem oder zwei Lasern zwei Moden in dem ersten Spektra Ibereich erzeugt. Die beiden Moden haben einen Frequenzabstand, welcher gleich der Frequenz der zu erzeugenden THz-Strahlung ist. Mit diesen beiden Moden wird wie zuvor ein erstes Mischerelement zum Erzeugen der THz-Strahlung beleuchtet.
Es versteht sich, dass ein derartiges System schmalbandige THz-Strahlung erzeugt und daher nur für spezielle spektroskopische oder bildgebende Anwendungen geeignet ist. Es ist möglich, den Linienabstand der beiden Moden zu verändern, sodass zeitlich nacheinander eine Reihe von diskreten THz-Frequenzen adressiert werden kann. Allerdings weisen auch derartige Systeme den Nachteil hoher Kosten aufgrund der Quellen für die beiden Lasermoden auf. Zudem erfordern frequenzaufgelöste Messungen eine verglichen mit gepulsten Systemen deutlich längere Messzeit.
Daher beschreiben O. Morikawa et al. in„ A cross-correlation spectroscopy in subterahertz region using an incoherent light source“, Appl. Phys. Lett. , Bd. 67, Nr. 12, Seite 1519 ff., 20. März 2000, ein THz-Spektroskopiesystem, bei welchem ein erstes Mischerlement als Emitter und ein zweites Mischerelement als Detektor von einer kostengünstigen Mehrmodenlaserdiode getrieben werden, welche elektromagnetische Strahlung in dem ersten Frequenzbereich mit einer Vielzahl von diskreten, äquidistanten Moden. Die von dem ersten Mischerelement erzeugte und von dem zweiten Mischerelement erfasste THz-Strahlung weist daher allerdings ebenfalls eine Vielzahl von diskreten über den THz-Frequenzbereich äquidistant verteilten Linien auf. Zwar hat sich ein solches System als deutlich preisgünstiger erwiesen als Zeitbereichsspektroskopie-Systeme auf Basis von Ultrakurzpulslasern, jedoch deckt auch ein solches System das THz-Spektrum nicht vollständig kontinuierlich ab. Vielmehr werden ausschließlich diskrete Linien an verschiedenen Frequenzpunkten des THz-Spektrums bereitgestellt. Daher ist ein solches System für frequenzaufgelöste Spektroskopie ungeeignet.
Demgegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Hochfrequenzvorrichtung sowie ein Verfahren zum Erzeugen und Erfassen von elektromagnetischerTHz-Strahlung bereitzustellen, welche kostengünstig ist. Zudem ist eine Aufgabe der Erfindung eine derartige Vorrichtung sowie eine derartiges Verfahren bereitzustellen, welches ein kontinuierliches, d.h. zusammenhängendes, und breitbandiges THz-Spektrum abdeckt.
Zumindest eine der zuvor genannten Aufgaben wird gelöst durch eine Hochfrequenzvorrichtung mit einer Quelle für elektromagnetische Strahlung, die derart ausgestaltet ist, dass sie in einem Betrieb der Hochfrequenzvorrichtung elektromagnetische Strahlung in einem ersten Frequenzbereich erzeugt und abstrahlt, einem Strahlteiler, der in einem Strahlengang der in dem Betrieb von der Quelle erzeugten und abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung angeordnet ist und der derart ausgestaltet ist, dass er die von der Quelle erzeugte elektromagnetische Strahlung in einen ersten Teil und einen zweiten Teil aufteilt, einem ersten Mischerelement als Emitter, das derart angeordnet und ausgestaltet ist, dass es in dem Betrieb der Hochfrequenzvorrichtung elektromagnetische THz-Strahlung in einem von dem ersten Frequenzbereich verschiedenen zweiten Frequenzbereich erzeugt und abstrahlt, einem zweiten Mischerelement als Detektor, das derart angeordnet und ausgestaltet ist, dass es in dem Betrieb der Hochfrequenzvorrichtung die von dem ersten Mischerelement abgestrahlte THz-Strahlung erfasst, und einer Verzögerungseinrichtung , wobei der Strahlteiler, das erste Mischerelement, das zweite Mischerelement und die Verzögerungseinrichtung derart angeordnet sind, dass in dem Betrieb der Hochfrequenzvorrichtung der erste Teil der elektromagnetischen Strahlung auf das erste Mischerelement trifft und der zweite Teil auf das zweite Mischerelement trifft, und wobei die Verzögerungseinrichtung derart angeordnet und ausgestaltet ist, dass eine Differenz zwischen einer ersten optischen Weglänge des ersten Teils der elektromagnetischen Strahlung in dem ersten Frequenzbereich von dem Strahlteiler zu dem ersten Mischerelement sowie der THz-Strahlung von dem ersten Mischerelement zu dem zweiten Mischerelement und einer zweiten optischen Weglänge des zweiten Teils der elektromagnetischen Strahlung in dem ersten Frequenzbereich von dem Strahlteiler bis zu dem zweiten Mischerelement einstellbar veränderbar ist, wobei die Quelle derart ausgestaltet ist, dass die von ihr erzeugte und abgestrahlte elektromagnetische Strahlung in dem ersten Frequenzbereich ein kontinuierliches Spektrum mit einer über eine Frequenzbandbreite von mindestens 1 GHz hinweg von 0 verschiedenen Intensität aufweist. Es ist eine Idee der vorliegenden Erfindung zum Treiben sowohl des Mischerelements als Emitter als auch des zweiten Mischerelements als Detektor eine Quelle zu verwenden, die ein kontinuier liches Spektrum der elektromagnetischen Strahlung in dem ersten Frequenzbereich erzeugt und abstrahlt. Dieses kontinuierliche Spektrum in dem ersten Frequenzbereich führt bei der Mischung in dem ersten Mischerelement zu einem kontinuierlichen, d.h. ebenfalls lückenlosen THz-Spekt- rum. Dies ermöglicht die Nutzung einer solchen Hochfrequenzvorrichtung zur Spektroskopie von beliebigen Proben, da anders als beispielsweise bei der Verwendung von mehrmodigen Laserdio den als Quelle für die elektromagnetische Strahlung in dem ersten Frequenzbereich keine Lücken im Spektrum der elektromagnetischen THz-Strahlung auftreten. Zudem sind derartige breitbandige Quellen mit einem kontinuierlichen Spektrum kostengünstiger als die sonst im Stand der Technik verwendeten Ultrakurzpulslaser.
Als Strahlteiler zum Aufteilen der von der Quelle erzeugten und abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung kann bei einem Aufbau in Bulk-Optik beispielsweise ein Strahlteilerwürfel dienen. Bei einem Aufbau mit faseroptischen Komponenten kann der Strahlteiler als Faserkoppler ausgestaltet sein.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist das erste Mischerelement und/oder das zweite Mi scherelement als nichtlinearer elektrooptischer Kristall ausgestaltet.
Insbesondere eignet sich aber als erstes Mischerelement und/oder als zweites Mischerelement eine Anordnung mit einem photoleitenden Schalter und einer Antennenstruktur. Ein photoleitender Schalter im Sinne der vorliegenden Anmeldung ist ein elektrischer Schalter, über welchen ein elektrischer Stromfluss dann möglich ist, wenn der Schalter oder ein Abschnitt davon mit der elekt romagnetischen Strahlung in dem ersten Frequenzbereich beleuchtet wird. Dazu weist ein solcher photoleitender Schalter in der Regel zumindest abschnittsweise ein photoleitfähiges Substrat auf, insbesondere ein Halbleitersubstrat. In diesem Substrat werden beim Einstrahlen der elektromag netischen Strahlung in dem ersten Frequenzbereich Ladungsträger generiert, welche einen Strom transport über den Schalter hinweg ermöglichen. Alternative Begriffe für einen solchen photolei tenden Schalter sind„Photoschalter“ oder„photoleitfähiger Schalter“. In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Schalter mit einer Spannungsquelle vorgespannt, so dass bei einer Beleuchtung ein Strom über den photoleitenden Schalter fließt.
Eine einfache Ausführungsform eines solchen photoleitenden Schalters ist eine metallische Struk tur auf einem photoleitenden Halbleitersubstrat, wobei die Struktur an einer Stelle unterbrochen ist. Auf diese Stelle wird die elektromagnetische Strahlung in dem ersten Frequenzbereich zum Schal ten des photoleitenden Schalters in dem Betrieb der Vorrichtung fokussiert. Die unterbrochene Stelle der Struktur kann beispielsweise eine im Wesentlichen quadratische Lücke in einem ansonsten etwa rechteckigen Leiter seien. Es eignen sich jedoch auch Strukturen, welche gemeinhin als MSM-Strukturen (Metal-Semiconductor-Metal-Strukturen) bezeichnet werden, bei denen einzelne Finger dergegenüberliegenden Kontakte nach Art zweier verschränkter Kämme ineinandergreifen, wobei zwischen den einzelnen Fingern des Schalters eine ausreichende Lücke mit Halbleitermaterial vorhanden ist.
Damit ein solches optoelektronisches Hochfrequenzbauteil mit einem photoleitenden Schalter die Hochfrequenzstrahlung auch mit der erforderlichen Frequenz und Bandbreite erzeugen kann, ist es zweckmäßig, wenn in einer Ausführungsform die in dem Substrat des photoleitenden Schalters erzeugten Ladungsträger eine möglichst kurze Ladungsträgerlebensdauer aufweisen. Daher eignen sich als Substratmaterial für den photoleitenden Schalter insbesondere Silizium und bei niedrigen Temperaturen gewachsenes Galliumarsenid. Alternativ kann als photoleitender Schalter auch ein komplexeres optoelektronisches Bauteil, beispielsweise eine PIN-Photodiode, verwendet werden, welches ebenfalls eine kurze Schaltzeit bereitstellt.
Zum Erzeugen von THz-Strahlung wird ein beispielsweise mit einer Gleichspannung vorgespannter photoleitender Schalter mit der elektromagnetischen Strahlung in dem ersten Frequenzbereich beleuchtet, d. h. geschlossen. Der dadurch entstehende Stromfluss erzeugt die Hochfrequenzstrahlung. Zum Abstrahlen der THz-Strahlung bzw. zum Empfangen der THz-Strahlung weist das erste Mischerelement bzw. das zweite Mischerelement in einer Ausführungsform zusätzlich zu dem photoleitenden Schalter eine mit dem photoleitenden Schalter verbundene Antennenstruktur auf. Grundsätzlich sind als Antennenstruktur für das erste Mischerelement und/oder das zweite Mischerelement sämtliche aus der Hochfrequenztechnik bekannten Antennenstrukturen geeignet. In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Antennenstruktur des ersten und/oder des zweiten Mischerelements eine Dipolantenne, eine Bow-Tie-Antenne oder eine Spiralantenne.
THz-Strahlung im Sinne der vorliegenden Anmeldung bezeichnet elektromagnetische Strahlung in einen Frequenzbereich von 800 MHz bis 10 THz, vorzugsweise von 1 GHz bis 5 THz.
Die Verzögerungseinrichtung im Sinne der vorliegenden Anmeldung dient dazu, eine Differenz zwischen einer ersten optischen Weglänge und einer zweiten optischen Weglänge einzustellen und zu variieren. Zu betrachten ist für die erste optische Weglänge die optische Weglänge des ersten Teils der elektromagnetischen Strahlung in dem ersten Frequenzbereich von dem Strahlteiler zu dem ersten Mischerelement zuzüglich der THz-Strahlung von dem ersten Mischerelement zu dem zweiten Mischerelement. Als zweite optische Weglänge wird die optische Weglänge des zweiten Teils der elektromagnetischen Strahlung in dem ersten Frequenzbereich von dem Strahlteiler bis zu dem zweiten Mischerelement betrachtet. Eine Einsteilbarkeit der Differenz zwischen der ersten optischen Weglänge und der zweiten optischen Weglänge kann beispielsweise durch einen mechanischen Linearversteller mit einem darauf montierten Spiegel oder Retroreflektor realisiert sein, wobei eine Translation des Spiegels bzw. Retroreflektors den geometrischen Weg und damit auch den optischen Weg beispielsweise des ersten Teils der elektromagnetischen Strahlung oder des zweiten T eils der elektromagnetischen Strahlung und damit die Differenz der optischen Weglängen ändert. In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Differenz um eine Nullposition, in welcher die erste optische Weglänge und die zweite optische Weglänge gleich sind, herum einstellbar veränderbar.
Durch die Verzögerungseinrichtung ist es möglich, das Eintreffen der THz-Strahlung zeitlich gegenüber dem Eintreffen der elektromagnetischen Strahlung in dem zweiten Frequenzbereich, von der ein Teil die THz-Strahlung generiert hat, auf dem zweiten Mischerelement zu verschieben, sodass eine Kreuzkorrelation erfasst werden kann.
Der erste Frequenzbereich der von der Quelle erzeugten und abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung liegt in einer Ausführungsform in einem Bereich, welcher eine Wellenlänge in einem Bereich von 1 ,2 pm bis 1 ,7 gm entspricht. Vorzugsweise hat die elektromagnetische Strahlung in dem ersten Frequenzbereich einen Wellenlängenbereich mit einer Bandbreite um 1 ,55 pm oder 1 ,3 pm herum. Quellen für elektromagnetische Strahlung bei diesen Wellenlängen sind kommerziell, insbesondere für Telekommunikationsanwendungen, erhältlich.
Für die vorliegende Erfindung ist es entscheidend, dass die von der Quelle abgestrahlte elektromagnetische Strahlung in dem ersten Frequenzbereich ein kontinuierliches Spektrum aufweist. Nur ein kontinuierliches Spektrum in dem ersten Frequenzbereich gewährleistet ein kontinuierliches, lückenloses Spektrum der von dem ersten Mischerelement erzeugten und abgestrahlten THz- Strahlung. Unter einem kontinuierlichen Spektrum der Quelle im Sinne der vorliegenden Anmeldung wird ein Spektrum mit einer Frequenzbandbreite von mindestens 1 GHz verstanden, wobei über die gesamte Frequenzbandbreite hinweg die Intensität der elektromagnetischen Strahlung in dem ersten Frequenzbereich größer als 0 ist. In einer Ausführungsform der Erfindung weist die von der Quelle erzeugte und abgestrahlte elektromagnetische Strahlung über eine Frequenzbandbreite von mindestens 500 GHz eine von 0 verschiedenen Intensität auf, vorzugsweise über eine Frequenzbandbreite von 2 THz hinweg eine von 0 verschiedene Intensität auf.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die von der Quelle erzeugte und abgestrahlte elektromagnetische Strahlung über eine Frequenzbandbreite von maximal 10 THz eine von 0 verschiedene Intensität auf. In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Quelle derart ausgestaltet, dass über die gesamte Frequenzbandbreite hinweg die Intensität der von der Quelle erzeugten und abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung größer ist als -20 dB, vorzugsweise als -10 dB und besonders bevorzugt als -5 dB bezogen auf die maximale Intensität innerhalb der Frequenzbandbreite.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die von der Quelle erzeugte und abgestrahlte elektromagnetische Strahlung zeitlich inkohärent.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Quelle ausgewählt aus einer Superlumineszenzdiode, einer Leuchtdiode, einer thermischen Lichtquelle oder einem Seltenen-Erden-do- tierten optischen Verstärker, beispielsweise einem Erbium-dotierten Faserverstärker. Alle diese Quellen stellen grundsätzlich breitbandige elektromagnetische Strahlung in dem ersten Frequenzbereich mit der notwendigen Intensität zur Verfügung. Sie lassen sich zumindest in Ausführungsformen davon so ausgestalten, dass keine diskreten Moden der erzeugten und abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung gebildet werden. Daher sind in einer Ausführungsform der Erfindung die Austrittsfacetten der Quelle mit einer entspiegelnden Vergütung versehen, um das Ausbilden eines Resonators und damit von longitudinalen Moden im Spektrum der erzeugten elektromagnetischen Strahlung in dem ersten Frequenzbereich zu verhindern. In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Quelle keinen Resonator auf.
Damit die Quelle für die erste elektromagnetische Strahlung geeignet ist, THz-Strahlung an dem ersten Mischerelement zu generieren, weist die Quelle in einer Ausführungsform der Erfindung Frequenzbandbreite integrierte Gesamtleistung von mindestens 1 mW, vorzugsweise von mindestens 20 mW auf.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist in dem Strahlengang der elektromagnetischen Strahlung zwischen der Quelle und dem Strahlteiler ein Bandpassfilter angeordnet, wobei das Bandpassfilter vorzugsweise eine Bandbreite von 15 nm, bevorzugt eine Bandbreite von 10 nm und besonders bevorzugt von 5 nm aufweist. Eine derartige Bandbreitenbegrenzung ist insbesondere in einer Ausführungsform zweckmäßig, bei welcher die Quelle ein kontinuierliches Spektrum mit einer über eine große Frequenzbandbreite hinweg von 0 verschiedene Intensität aufweist. Würde man das erste Mischerelement und/oder das zweite Mischerelement mit der elektromagnetischen Strahlung mit der gesamten Frequenzbandbreite beleuchten, so werden Mischfrequenzen außerhalb des nutzbaren THz-Frequenzbereichs generiert, die lediglich zu einer Erwärmung der Mischerelemente und damit zu einem verringerten Signal-zu-Rausch-Verhältnis der Hochfrequenzvorrichtung führen, nicht aber zur Intensität der nutzbaren und abstrahlbaren THz-Strahlung beitragen. Die angegebenen Bandbreiten beschreiben die Halbwertsbreite (FWHM) des Filters. In einer Ausführungsform der Erfindung ist in dem Strahlengang der elektromagnetischen Strahlung zwischen der Quelle und dem Strahlteiler ein optischer Isolator und/oder ein Bandpassfilter und/oder ein optischer Verstärker, vorzugsweise in der angegebenen Reihenfolge, angeordnet. Der optische Isolator dient dazu, eine Rückreflexion von Strahlung in die Quelle zu verhindern. Damit isoliert der optische Isolator die Quelle von Einflüssen von außen auf ihr Spektrum. Der optische Verstärker dient dazu, die Leistung der von der Quelle erzeugten und abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung in dem ersten Frequenzbereich zu erhöhen, sodass insbesondere zum Betreiben des ersten Mischerelements als Emitter ausreichend Leistung zur Verfügung steht.
Darüber hinaus wird zumindest eine der zuvor genannten Aufgaben auch durch ein Verfahren zum Erzeugen und Erfassen von elektromagnetischer THz-Strahlung gelöst, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Erzeugen und Abstrahlen von elektromagnetischer Strahlung in einem ersten Frequenzbereich, Aufteilen der abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung, sodass ein erster Teil der elektromagnetischen Strahlung auf ein erstes Mischerelement geleitet wird und ein zweiter Teil der elektromagnetischen Strahlung auf ein zweites Mischerelement geleitet wird, Erzeugen von elektromagnetischer THz-Strahlung in dem ersten Mischerelement, Abstrahlen der THz-Strah- lung von dem ersten Mischerelement und verzögerungsaufgelöstes Erfassen der von dem ersten Mischerelement abgestrahlten THz-Strahlung mit dem zweiten Mischerelement, wobei die elektromagnetische Strahlung in dem ersten Frequenzbereich ein kontinuierliches Spektrum mit einer über eine Frequenzbandbreite von mindestens 1 GHz hinweg von 0 verschiedene Intensität aufweist.
Soweit zuvor Aspekte der Erfindung im Hinblick auf die Hochfrequenzvorrichtung beschrieben wurden, so gelten diese auch für das entsprechende Verfahren zum Erzeugen und Erfassen von elektronischer THz-Strahlung. Wird das Verfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer Hochfrequenzvorrichtung gemäß dieser Findung ausgeführt, so weist diese Vorrichtung die entsprechenden Einrichtungen hierfür auf. Insbesondere sind Ausführungsformen der Hochfrequenzvorrichtung zum Ausführen von Ausführungsformen des Verfahrens geeignet.
Für das verzögerungsaufgelöste Erfassen der THz-Strahlung, d. h. des elektrischen Feldes der THz-Strahlung, wird wie oben im Detail für die Hochfrequenzvorrichtung beschrieben, die Differenz zwischen der ersten optischen Weglänge und der zweiten optischen Weglänge, vorzugsweise um die Null-Differenz herum, variiert. Erfasst wird auf diese Weise die Amplitude des elektrischen Feldes der THz-Strahlung in Abhängigkeit von der Verzögerung oder Weglängendifferenz zwischen der ersten optischen Weglänge und der zweiten optischen Weglänge. Die so erfasste Kreuzkorrelation in Abhängigkeit von der Verzögerung lässt sich durch eine Fourier-Transformation in ein Frequenzspektrum transformieren, bei welchem die Amplitude des elektrischen Feldes der THz- Strahlung gegen die Frequenz aufgetragen ist. Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung einer Ausführungsform und der dazu zugehörigen Figuren deutlich. In den Figuren sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Figur 1 ist eine schematische Darstellung eines Hochfrequenzsystems gemäß einer Aus führungsform der vorliegenden Erfindung.
Figur 2 ist eine Auftragung der Intensität der von der Quelle 2 aus Figur 1 erzeugten und abgestrahlten elektromagnetische Strahlung in dem ersten Frequenzbereich ge messen nach dem Bandpassfilter aus Figur 1 gegenüber der Wellenlänge.
Figur 3 a) ist eine Auftragung der Amplitude des elektromagnetischen Feldes der von dem ersten Mischerelement 9 aus Figur 1 erzeugten und abgestrahlten THz-Strahlung gegenüber der Verzögerung.
Figur 3 b) ist eine Auftragung der Amplitude des elektromagnetischen Feldes der von dem ersten Mischerelement 9 aus Figur 1 erzeugten und abgestrahlten THz-Strahlung gegenüber der Frequenz.
Figur 4 a) ist eine Auftragung der mit einer Hochfrequenzvorrichtung aus dem Stand der Tech nik gemessenen Amplitude des elektromagnetischen Feldes der THz-Strahlung ge genüber der Verzögerung.
Figur 4 b) ist eine Auftragung der mit einer Hochfrequenzvorrichtung aus dem Stand der Tech nik gemessenen Amplitude des elektromagnetischen Feldes der THz-Strahlung ge genüber der Frequenz.
Die in Figur 1 gezeigte Realisierung eines Hochfrequenzsystems basiert bis auf die Verzögerungs einrichtung und die THz-Strahlführung auf faseroptischen Komponenten. Grundlage ist eine Quelle 2 zum Erzeugen elektromagnetischer Strahlung bei einer Wellenlänge von 1 ,55 pm oder etwa 193,4 THz. Diese elektromagnetische Strahlung, welche in Strahlrichtung nach der Quelle 2 in den Faserabschnitten 3 und den weiteren Komponenten der Vorrichtung 1 geführt wird, bildet im Sinne der vorliegenden Anmeldung die elektromagnetische Strahlung in dem ersten Frequenzbereich. Die Quelle 2 ist in der dargestellten Implementierung eine Superlumineszenzdiode, so wie sie für Telekommunikationsanwendungen kommerziell erhältlich ist. Um eine Wellenlänge von 1 ,55 pm herum haben die erhältlichen Glasfaserkomponenten eine geringe Dämpfung. In Strahlrichtung hinter der Quelle 2 ist ein optischer Isolator 4 im Strahlengang der elektromagnetischen Strahlung angeordnet. Dieser dient dazu, die Superlumineszenzdiode 2 vor Störeinflüssen von außen schützen, d. h. insbesondere Reflexionen der elektromagnetischen Strahlung an den weiteren Komponenten zurück in die Quelle 2 zu verhindern.
Weiter in Strahlrichtung hinter dem optischen Isolator 4 ist ein Bandpassfilter 5 vorgesehen. Dieses hat wahlweise eine Bandbreite von 21 nm (FWHM), 1 1 ,7 nm (FWHM) oder 7,5 nm (FWHM). Die aufgrund des Bandpassfilters 5 eingeführte Bandbreitenbegrenzung im weiteren Strahlengang reduziert die den Mischerelementen 9, 10 bereitgestellte Bandbreite der elektromagnetischen Strahlung in dem ersten Frequenzbereich, welche von den Mischerelementen 9, 10 wirksam gewandelt werden kann, um die thermische Belastung der Mischerelemente und damit das Rauschen des Systems zu reduzieren.
Figur 3 zeigt das Wellenlängenspektrum der elektromagnetischen Strahlung in dem ersten Frequenzbereich hinter dem Bandpassfilter 5, wobei die Intensität in dB gegenüber der Wellenlänge für drei verschiedene Bandbreiten (FWHM) des Bandpassfilters aufgetragen ist. Die durchgezogene Linie zeigt das Spektrum für einen Bandpassfilter 5 mit einer Bandbreite von 7,5 nm (FWHM), die gestrichelte Linie zeigt das Spektrum für einen Bandpassfilter 5 mit einer Bandbreite von 1 1 ,7 nm (FWHM) und die gepunktete Linie zeigt das Wellenlängenspektrum für einen Bandpassfilter 5 mit einer Bandbreite von 21 nm (FWHM). Deutlich zu erkennen ist, dass das Spektrum über den gesamten Frequenzbereich hinweg kontinuierlich ist, d.h. lückenlos eine von 0 verschiedene Intensität aufweist.
Der Verstärker 6 verstärkt die von der Quelle 2 bereitgestellte Leistung auf ein Niveau, sodass beide Mischerelemente 9, 10 von der bereitgestellten elektromagnetischen Strahlung in dem ersten Frequenzbereich getrieben werden können.
Der Faserkoppler 7 als Strahlteiler im Sinne der vorliegenden Anmeldung teilt die elektromagnetische Strahlung in einen ersten Teil und einen zweiten Teil auf, wobei in der dargestellten Realisierung die Leistung, welche auf das erste Mischerelement 9 als Emitter gegeben wird, größer ist als die Leistung des zweiten Teils der elektromagnetischen Strahlung, welche auf das zweite Mischerelement 10 als Detektor gegeben wird.
Die Mischerelemente 9, 10 weisen jeweils einen photoleitenden Schalter mit einer Antennenstruktur auf. Der photoleitende Schalter des ersten Mischerelements 9 ist mit einer Spannungsquelle elektrisch vorgespannt, sodass beim Beleuchten des photoleitenden Schalters ein Strom über den photoleitenden Schalter fließt, und so ein elektromagnetisches Feld der THz-Strahlung 1 1 generiert. Demgegenüber wird in dem zweiten Mischerelement 10 als Detektor ein elektrischer Strom über den photoleitenden Schalter gemessen. Dieser Strom wird getrieben vom elektrischen Feld der THz-Strahlung 1 1 , welche über die Antenne in den photoleitenden Schalter eingekoppelt wird. Die notwendigen Ladungsträger für den Stromfluss wiederum werden von der elektromagnetischen Strahlung in dem ersten Frequenzbereich, d.h. der Strahlung von der Quelle 2 generiert.
Um das elektrische Feld der THz-Strahlung auf dem zweiten Mischerelement 10 messen zu können, sind die optischen Weglängen zunächst so bemessen, dass ein von dem Strahlteiler 7 geteilter Wellenzug gleichzeitig auf dem zweiten Mischerelement 10 auftrifft wie die von diesem Wellenzug in dem ersten Mischerelement 9 generierte THz-Strahlung 1 1. D.h. mit anderen Worten ausgedrückt ist zunächst einmal eine erste optische Weglänge von dem Strahlteiler 7 bis zu dem zweiten Mischerelement 10 gemessen als die Summe aus den optischen Weglängen der elektromagnetischen Strahlung in dem ersten Frequenzbereich von dem Strahlteiler 7 bis zu dem ersten Mischerelement 9 und der THz-Strahlung von dem ersten Mischerelement 9 bis zu dem zweiten Mischerelement 10 gleich einer zweiten optischen Weglänge gemessen von dem Strahlteiler 7 über die Verzögerungseinrichtung 8 bis zu dem zweiten Mischerelement 10. Um dennoch eine Kreuzkorrelation erfassen zu können weist die Hochfrequenzvorrichtung 1 darüber hinaus zwischen dem Strahlteiler 7 und dem zweiten Mischerelement 10 eine Verzögerungseinrichtung 8 auf, welche die Differenz zwischen der ersten optischen Weglänge und der zweiten optischen Weglänge um die Differenz von 0 (Null-Differenz) herum einstellbar veränderbar macht.
Die THz-Strahlung 1 1 zwischen dem ersten Mischerelement 9 und dem zweiten Mischerelement 10 wird mithilfe von Paraboloidspiegeln 12, 13 geführt, wobei in dem Strahl der THz-Strahlung 1 1 ein Objekt 14, d.h. eine Probe angeordnet ist.
Die Figur 3 a) zeigt die mithilfe des zweiten Mischerelements 10 als Detektor und der Variation der optischen Weglängendifferenz mit Hilfe der Verzögerungseinrichtung 8 verzögerungsaufgelöst erfasste Amplitude des elektrischen Feldes der THz-Strahlung 1 1 aufgetragen gegenüber der Verzögerung, d.h. der optischen Weglängendifferenz zwischen der ersten optischen Weglänge und der zweiten optischen Weglänge, in ps. Dabei sind in der Darstellung der Figur 3 a) drei Darstellungen für die drei verschiedenen Bandbreiten des Bandpassfilters 5 überlagert gezeigt. Deutlich ist das geringere Systemrauschen bei der geringsten Bandbreite von 7,5 nm (FWHM) erkennbar.
Führt man für die Verzögerungsbereichsdarstellung aus Figur 3 a) eine Fourier-Transformation durch, so erhält man das in Figur 3 b) dargestellte, zugehörige Frequenzspektrum. In Figur 3 b) ist die Amplitude des elektrischen Feldes der THz-Strahlung in willkürlichen Einheiten gegenüber der Frequenz in THz aufgetragen ist. Deutlich ist zu erkennen, dass ebenso wie die elektromagnetische Strahlung in dem ersten Frequenzbereich, die von der Quelle 2 generiert wird, auch das Spektrum der THz-Strahlung 1 1 kontinuierlich und lückenlos ist. Die Einbrüche im Spektrum beruhen auf Wasserabsorptionslinien, die Amplitude des elektrischen Feldes ist jedoch über den gesamten THz-Frequenzbereich hinweg größer als 0.
Besonders deutlich wird diese Charakterisierung des THz-Spektrums als kontinuierlich im Vergleich mit einer Messung, die in den Figuren 4 a) und 4 b) dargestellt ist. Hierzu wurde die Quelle 2 aus der Hochfrequenzvorrichtung 1 aus Figur 1 durch eine Mehrmodenlaserdiode ersetzt. Deren Spektrum bestand aus diskreten Moden mit äquidistantem Abstand. Daher ist auch das THz-Spekt- rum aus Figur 4 b) aus einer Reihe von diskreten Moden aufgebaut, welche dem Abstand unterschiedlicher Moden des Spektrums der elektromagnetischen Strahlung der Mehrmodenlaserdiode entsprechen.
Für Zwecke der ursprünglichen Offenbarung wird darauf hingewiesen, dass sämtliche Merkmale, wie sie sich aus der vorliegenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen für einen Fachmann erschließen, auch wenn sie konkret nur im Zusammenhang mit bestimmten weiteren Merkmalen beschrieben wurden, sowohl einzeln als auch in beliebigen Zusammenstellung mit anderen der hier offenbarten Merkmale oder Merkmalsgruppen kombinierbar sind, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wurde oder technische Gegebenheiten derartige Kombination unmöglich oder sinnlos machen. Auf die umfassende, explizite Darstellung sämtlicher denkbarer Merkmalskombination wird hier nur der Kürze und der Lesbarkeit der Beschreibung wegen verzichtet.
Während die Erfindung im Detail in den Zeichnungen und der vorangehenden Beschreibung dargestellt und beschrieben wurde, erfolgt diese Darstellung und Beschreibung lediglich beispielhaft und ist nicht als Beschränkung des Schutzbereichs gedacht, so wie er durch die Ansprüche definiert wird. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt.
Variationen der offenbarten Ausführungsformen sind für den Fachmann aus den Zeichnungen, der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen offensichtlich. In den Ansprüchen schließt das Wort„aufweisen“ nicht andere Elemente oder Schritte aus, und der unbestimmte Artikel„eine“ oder „ein“ schließt eine Mehrzahl nicht aus. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Merkmale in unterschiedlichen Ansprüchen beansprucht sind, schließt ihre Kombination nicht aus. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Beschränkung des Schutzbereichs gedacht. Bezugszeichen
1 Hochfrequenzvorrichtung
2 Quelle
3 Faserabschnitt
4 optischer Isolator
5 Bandpassfilter
6 Verstärker
7 Strahlteiler
8 Verzögerungseinrichtung
9 erstes Mischerelement
10 zweites Mischerelement
11 THz-Strahlung
12, 13 Paraboloidspiegel
14 Objekt (Probe)

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Hochfrequenzvorrichtung (1) mit
einer Quelle (2) für elektromagnetische Strahlung, die derart ausgestaltet ist, dass sie in einem Betrieb der Hochfrequenzvorrichtung (1) elektromagnetische Strahlung in einem ersten Frequenzbereich erzeugt und abstrahlt,
einem Strahlteiler (7), der in einem Strahlengang der in dem Betrieb von der Quelle (2) erzeugten und abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung angeordnet ist und der derart ausgestaltet ist, dass er die von der Quelle (2) erzeugte elektromagnetische Strahlung in einen ersten Teil und einen zweiten Teil aufteilt, einem ersten Mischerelement (9) als Emitter, das derart angeordnet und ausgestaltet ist, dass es in dem Betrieb der Hochfrequenzvorrichtung (1) elektromagnetische THz-Strahlung (1 1) in einem von dem ersten Frequenzbereich verschiedenen zweiten Frequenzbereich erzeugt und abstrahlt,
einem zweiten Mischerelement (10) als Detektor, das derart angeordnet und ausgestaltet ist, dass es in dem Betrieb der Hochfrequenzvorrichtung (1 ) die von dem ersten Mischerelement (9) abgestrahlte THz-Strahlung erfasst, und einer Verzögerungseinrichtung (8),
wobei der Strahlteiler (7), das erste Mischerelement (9), das zweite Mischerelement (10) und die Verzögerungseinrichtung (8) derart angeordnet sind, dass im dem Betrieb der Hochfrequenzvorrichtung (1) der erste Teil der elektromagnetischen Strahlung auf das erste Mischerelement (9) trifft und der zweite Teil auf das zweite Mischerelement (10) trifft, und
wobei die Verzögerungseinrichtung (8) derart angeordnet und ausgestaltet ist, dass eine Differenz zwischen einer ersten optischen Weglänge des ersten Teils der elektromagnetischen Strahlung in dem ersten Frequenzbereich von dem Strahlteiler zu dem ersten Mischerelement (9) sowie der THz-Strahlung (1 1) von dem ersten Mischerelement (9) zu dem zweiten Mischerelement (10) und einer zweiten optischen Weglänge des zweiten Teils der elektromagnetischen Strahlung in dem ersten Frequenzbereich von dem Strahlteiler bis zu dem zweiten Mischerelement (10) einstellbar veränderbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Quelle (2) derart ausgestaltet ist, dass die von ihr erzeugte und abgestrahlte elektromagnetische Strahlung in dem ersten Frequenzbereich ein kontinuierliches Spektrum mit einer über eine Frequenzbandbreite von mindestens 1 GHz hinweg von 0 verschiedenen Intensität aufweist.
2. Hochfrequenzvorrichtung (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeich net, dass die Quelle (2) derart ausgestaltet ist, dass die von der Quelle (2) erzeugte und abgestrahlte elektromagnetische Strahlung über eine Frequenzbandbreite von mindestens 500 GHz eine von 0 verschiedene Intensität aufweist, vorzugsweise über eine Frequenz bandbreite von mindestens 2 THz hinweg eine von 0 verschiedene Intensität aufweist.
3. Hochfrequenzvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die Quelle (2) derart ausgestaltet ist, dass über die gesamte Frequenz bandbreite hinweg die Intensität der von der Quelle (2) erzeugten und abgestrahlten elekt romagnetischen Strahlung größer ist als -20 dB, vorzugsweise als -10 dB und besonders bevorzugt als -5 dB bezogen auf die maximale Intensität innerhalb der Frequenzband breite.
4. Hochfrequenzvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die Quelle (2) derart ausgestaltet ist, dass die von der Quelle (2) er zeugte und abgestrahlte elektromagnetische Strahlung zeitlich inkohärent ist.
5. Hochfrequenzvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die Quelle (2) ausgewählt ist aus einer Superlumineszenzdiode, einer Leuchtdiode, einer thermischen Lichtquelle oder einem seltene-Erden-dotierten optischen Verstärker.
6. Hochfrequenzvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die Quelle (2) eine über die Frequenzbandbreite integrierte Leistung von mindestens 1 mW, vorzugsweise von mindestens 20 mW aufweist.
7. Hochfrequenzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass in dem Strahlengang der elektromagnetischen Strahlung zwischen der Quelle (2) und dem Strahlteiler (7) ein Bandpassfilter (5) angeordnet ist, vorzugsweise ein Bandpassfilter (5) mit einer Bandbreite von 15 nm oder weniger, bevorzugt mit einer Band breite von 10 nm oder weniger und besonders bevorzugt von 5 nm oder weniger.
8. Hochfrequenzvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass in dem Strahlengang der elektromagnetischen Strahlung zwischen der Quelle (2) und dem Strahlteiler (7) ein optischer Isolator (4) und/oder ein Bandpassfilter (5) und/oder ein optischer Verstärker (6), vorzugsweise in der angegebenen Reihenfolge, an geordnet sind.
9. Hochfrequenzvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass erste Mischerelement (9) und/oder das zweite Mischerelement (10) einen photoleitenden Schalter mit einer Antennenstruktur aufweist.
10. Verfahren zum Erzeugen und Erfassen von elektromagnetischer THz-Strahlung (1 1) mit den Schritten
Erzeugen und Abstrahlen von elektromagnetischer Strahlung in einem ersten Frequenzbereich,
Aufteilen der abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung, so dass ein erster Teil der elektromagnetischen Strahlung auf ein erstes Mischerelement (9) geleitet wird und ein zweiter Teil der elektromagnetischen Strahlung auf ein zweites Mischerelement (10) geleitet wird,
Erzeugen von elektromagnetischer THz-Strahlung (1 1 ) in dem ersten Mischerelement (9),
Abstrahlen der THz-Strahlung von dem ersten Mischerelement (9) und verzögerungsaufgelöstes Erfassen der von dem ersten Mischerelement (9) abgestrahlten THz-Strahlung (1 1) mit dem zweiten Mischerelement (10), dadurch gekennzeichnet, dass
die elektromagnetische Strahlung in dem ersten Frequenzbereich ein kontinuierli- ches Spektrum mit einer über eine Frequenzbandbreite von mindestens 1 GHz hinweg von 0 verschiedenen Intensität aufweist.
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