WO2021176011A1 - Arrangement and method for electromagnetic frequency modification - Google Patents

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WO2021176011A1
WO2021176011A1 PCT/EP2021/055508 EP2021055508W WO2021176011A1 WO 2021176011 A1 WO2021176011 A1 WO 2021176011A1 EP 2021055508 W EP2021055508 W EP 2021055508W WO 2021176011 A1 WO2021176011 A1 WO 2021176011A1
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modulator device
frequency
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PCT/EP2021/055508
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Gerald Fuetterer
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Technische Hochschule Deggendorf
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    • H04B10/516Details of coding or modulation
    • H04B10/548Phase or frequency modulation

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for the frequency modification of electromagnetic radiation, which is based on the interaction of electromagnetic wave fields with electrical charges under the action of an external field and is particularly compact and inexpensive.
  • the invention further relates to an optical arrangement which comprises such a modulator device and a method for modulating a frequency and / or an amplitude of electromagnetic radiation using such a modulator device.
  • the modulation of electromagnetic waves is one of the basis of the transmission of information. For example, amplitudes, frequencies, phases and polarization states can be modulated. In addition to the transmission of information, the modulation of electromagnetic waves is also playing an increasing role in optical measurement technology. Parameters such as the frequency bandwidth to be achieved for the modulation, the size, the number of components required, the technologies required for the components, the robustness of the system, the spectral properties of the system, the required manufacturing tolerances and the price of manufacture are decisive criteria for the respective Use.
  • Frequency modulation is playing an increasingly important role in three-dimensional measurement technology, in human-machine interaction and in sensor technology that is being developed for autonomous driving.
  • a modulation of electromagnetic radiation can also take place in the form of a pulsed emission and a time-segmented sampling.
  • Electromagnetic waves typically have wavelengths of 10 13 m to about 10 4 m, see G. Joos, “Textbook of Theoretical Physics”, Akademische Verlagsgesellschaft Geest & Portig K.-G., Leipzig (1956).
  • acousto-optical modulators are used to introduce a frequency shift .
  • a Bragg grating moving through a crystal is used to diffract laser beams.
  • the modulation frequency with which a piezoelectric transducer is operated is modulated onto the electromagnetic radiation. Typical frequencies of the modulation are in the range from 1 MHz to 1 GHz. Frequency range extensions are possible by means of differential circuits or by means of one behind the other.
  • the spectral transmission depends on the material, i.e. crystals.
  • a necessary boundary condition and a limitation for acceptable wavelengths and angles is compliance with the so-called Bragg condition, with the exception of the so-called Raman-Nath regime, which has only low diffraction efficiencies.
  • Pockels cells can be used for phase modulation and / or for changing a polarization state.
  • amplitude modulation For example, it is also possible to modulate in the MHz range.
  • the high voltages ( ⁇ kV) to be generated and the price of the crystals and the electronics are disadvantageous.
  • the spectral transmission depends on the material of the crystal, which generally has the highest possible electro-optical coefficient. A reduction in the design is limited.
  • the amplitude of electromagnetic radiation can also be modulated with liquid crystal toes or with micromechanical components (MEMS).
  • MEMS micromechanical components
  • a sufficiently simple modulation of the phase or the polarization state is also possible by means of liquid crystal cells.
  • a light source moves in a ring resonator arrangement. Waves from this light source propagate along opposing optical paths. A frequency change in the interference signal can be detected as a function of the angular velocity present.
  • the measuring principle is based on the Doppler shift.
  • modulating electromagnetic radiation for example by means of variably rotated analyzers, ie by means of polarization filters, or by means of other arrangements.
  • the present invention is based on the object of providing a device through which functions of various components, such as acousto-optical modulators, can be implemented as replacements, but in a more compact design, with a smaller number of components and / or in a smaller overall volume.
  • This object is achieved by a modulator device for modulating a frequency and / or an amplitude of electromagnetic radiation according to claim 1.
  • Modulator device can in particular denote any device that is suitable for modulating a frequency and / or an amplitude of electromagnetic radiation or a light beam and / or each component of an optical arrangement that performs the function within the optical arrangement To modulate frequency and / or an amplitude of an electromagnetic radiation or a light beam.
  • “Modulate frequency” here can mean in particular that a frequency of electromagnetic radiation or a light beam is specifically changed or shifted.
  • “Modulate amplitude” can mean in particular that an amplitude of an electromagnetic radiation or a light beam is specifically changed or adjusted. An amplitude can also be modulated indirectly by frequency modulation.
  • the modulator device according to the invention comprises a substrate which is coated at least in sections with a modulator layer.
  • the substrate can have any material composition as long as it fulfills its tasks according to the invention, which mainly consist in supporting the modulator layer lying thereon.
  • the substrate can in particular have a dielectric material.
  • the modulator layer is at least partially reflective for the electromagnetic radiation to be modulated. To this extent, the modulator layer can reflect at least part of the electromagnetic radiation to be modulated that is incident on the modulator layer.
  • the modulator layer thus forms a reflective layer or a reflective surface of the modulator device. In some embodiments, the modulator layer can completely reflect electromagnetic radiation incident thereon.
  • the modulator layer is electrically conductive. This means that the modulator layer comprises free charge carriers which, when an electrical field or an electrical voltage difference is applied to the modulator layer, create a corresponding electrical current.
  • the charge carriers of the modulator layer can, for example, be or include negatively charged electrons, positively charged electron holes or charged ions.
  • the modulator device further comprises an adjustable current source.
  • the current source is set up in particular to generate an adjustable electrical field or an adjustable electrical voltage difference.
  • the power source can be a direct current source or an alternating current source.
  • the current source can preferably be a constant current source.
  • the modulator device further comprises a first electrical contact and a second electrical contact.
  • the first electrical contact and the second electrical contact are set up to apply an electrical field generated by the power source or an electrical voltage difference generated by the power source to the modulator layer.
  • the first electrical contact and the second electrical contact can be electrically connected to the power source and the modulator layer, so that an electric field generated by the power source or an electrical voltage difference generated by the power source is applied to the modulator layer between the first electrical contact and the second electrical contact can be applied.
  • the first electrical contact and the second electrical contact can be arranged on the modulator layer.
  • the modulator layer thus forms a reflective layer or a reflective surface of the modulator device, on which electromagnetic radiation can be reflected and through which an electric current flows.
  • the modulator device of the invention can be used in an optical arrangement as a reflective component, for example to replace a mirror.
  • An electromagnetic radiation incident on the modulator layer represents an oscillating alternating field.
  • the oscillation of the electromagnetic field drives the free Charge carriers of the modulator layer for oscillation, so that they emit the incident electromagnetic radiation. This creates a reflection.
  • the sufficiently rapid movement of the charge carriers, which act as sources of electromagnetic radiation during reflection, creates a Doppler shift. In general, the magnitude of the spectral shift is maximal in the detection if this occurs in or against the direction of movement.
  • the modulator layer through which current flows thus not only functions as a reflective layer, but also as a secondary radiation source.
  • the reflection of electromagnetic radiation, such as light, on charge carriers can be viewed as the implementation of a secondary radiation source.
  • the modification considered here relates in particular to frequency modulation.
  • a frequency v 0 of electromagnetic radiation incident on the modulator layer is modified by a frequency shift Dn.
  • the specifically set frequency shift can assume positive or negative values. That is, Dn can be positive or negative.
  • the resulting at the output of a modulator frequency v A usgan g, ie the frequency of the light reflected from the modulator device electromagnetic radiation may thus be greater or less than the frequency v 0, which is present at the input of the modulator, ie, as the frequency of the on the modulator layer incident electromagnetic radiation.
  • the modulator device according to the invention can functionally replace and / or improve an optical component.
  • the working range of a standard heterodyne interferometer can be enlarged by introducing an additional Doppler shift with the aid of a modulator device according to the invention.
  • the modulator device according to the invention can add or subtract a frequency to the incident electromagnetic radiation. This corresponds to an adaptation of the frequency range. It is very advantageous if this can be implemented in a compact manner, with justifiable technological outlay and cost-effectively, as is possible with the modulator device according to the invention.
  • the free charge carriers are accelerated in the applied electric field. This takes place until the point in time when the charge carriers have reached their drift speed V d . This corresponds to an equilibrium of forces between the accelerating force and the force that arises from the resistance interaction with the modulator layer, which can have a metal grid, for example.
  • V d drift speed
  • v increases, ie up to its maximum value v, i max ., which depends on temperature T, among other things.
  • a reduction in the temperature T generally leads to a reduction in the electrical resistance R.
  • a reduction in the temperature can advantageously be used in the context of the invention to increase the drift speed V or to increase its maximum value V d max . This results in an advantageous application of the embodiments disclosed herein at low and very low temperatures.
  • the modulator layer can have a superconductor, preferably a high-temperature superconductor.
  • a superconductor preferably a high-temperature superconductor.
  • the use of superconductors is advantageous. Electrons in superconductors, at the appropriate temperature, can reach higher speeds than electrons in standard metals, at room temperature.
  • the so-called high-temperature superconductors for example, are suitable as reflective conductors through which the current flows.
  • High-temperature superconductors can be cooled with liquid nitrogen. Cooling with liquid nitrogen is much cheaper than cooling with liquid helium, as is required for the operation of standard superconductors.
  • ceramic superconductors that can be used.
  • the modulator layer can have a normal conductor, in particular a metal.
  • the use of moving charge carriers in the metal is, however, one of several possibilities.
  • the methods and arrangements can generally be applied to moving charge carriers, ie for example also to moving charge carriers in solutions, to ions, anions and cations, and to holes in semiconductors.
  • the modulator layer can thus comprise a semiconductor, for example.
  • the sum of the individual emissions from the charge carriers of the modulator layer results in an exponential drop in the radiation energy present perpendicular to the surface of the modulator layer.
  • the penetration depth depends on the material of the modulator layer or on the charge carrier density of the modulator layer. In the case of metals, for example, it can be in the range of a fraction of a wavelength of the incident electromagnetic radiation.
  • the reflection on a metallic modulator layer is therefore an effect that is very close to the surface.
  • the directional movement of the charge carriers of the modulator layer which, as explained above, can function as a secondary radiation source and emit electromagnetic radiation, is the same as the introduction of a Doppler shift, which acts on an incident electromagnetic wave generated by the modulator -Layer is reflected. In this respect, a portion of the incident electromagnetic wave that is reflected on the modulator layer exhibits a frequency shift in relation to this.
  • the modulator layer can preferably be relatively thin.
  • the modulator layer can have a thickness in the visible wavelength range, for example a thickness of up to too pm, in particular from too nm to too pm, and the current source can preferably be a direct current source.
  • the described effect is close to the surface.
  • the modulator device of the invention enables the use of the skin effect at sufficiently high frequencies of an alternating current for the charge carriers of the modulator layer for spatial restriction. Furthermore, the modulator device of the invention enables the use of the penetration depth of electromagnetic waves that fall on the modulator layer, even without a skin effect, to investigate the homogeneity of the drift speed in the vicinity of the surface. If the modulator layer is sufficiently thin, e.g. if the modulator layer is designed as a 10 nm thick chrome layer, measurements can be made in reflection and transmission, i.e.
  • the depth of penetration can be increased by increasing the wavelength of the electromagnetic radiation.
  • the reflective modulator layer of the modulator device according to the invention which can be designed as a metallic surface, can be produced, for example, by a number of coating processes and also in compact form.
  • a possibly necessary protection against corrosion or against degradation of the modulator layer can be implemented, for example, by an additionally applied transparent and thereby as compact as possible oxide layer, ie for example made of SiO 2 .
  • the frequency shift as a result of a reflection at the modulator device according to the invention is maximized in the event of an oblique incidence of the incident electromagnetic radiation on the modulator layer.
  • an xy plane is assumed for the plane of the modulator layer, in which the charge carriers move in the direction of the x-axis, ie in the direction of the unit vector of the x-axis, e x . If the direction of incidence es 0 of the incident electromagnetic radiation is parallel to e x , i.e.
  • a frequency shift Dn of a wave field can be converted into a time-modulated signal if two sufficiently coherent wave fields of different frequencies are superimposed. If the frequency difference between the two superimposed wave fields is constant, a sinusoidal modulation results in the amplitude, i.e. here, for example, with a fixed frequency, i.e. beat frequency, which corresponds to the frequency shift Dn.
  • the modulator device can be used to generate a time-modulated signal in that a portion of electromagnetic radiation incident on the modulator layer that is reflected on the modulator layer has a frequency shift compared to the incident electromagnetic radiation has, with the incident electromagnetic radiation or with a non-reflected part of the incident electromagnetic radiation is superimposed in an interfering manner.
  • a non-reflected part of the incident electromagnetic radiation can be a part of the incident electromagnetic radiation transmitted through the modulator device.
  • An interferometer arrangement which comprises a modulator device according to the invention, which, as explained above, is used as a frequency-shifting mirror, can be used for the superimposition required here.
  • the interferometer arrangement can be, for example, a so-called Mach-Zehnder interferometer, a Twyman-Green interferometer or a Michelson interferometer.
  • a so-called Mach-Zehnder interferometer a Twyman-Green interferometer or a Michelson interferometer.
  • the number of components required in total of the interferometer arrangement can be reduced.
  • an interferometer arrangement can thus be implemented with a reduced installation space.
  • a frequency modulation can be converted into an amplitude modulation with the aid of such an interferometer arrangement.
  • Another interferometer arrangement can be implemented by reflection on two reflection elements lying one behind the other, wherein at least one of the reflection elements can be a modulator device according to the invention, the modulator layer of which acts as a reflection surface.
  • a modulator device according to the invention can function both as a reflective element and as a frequency-shifting element at the same time.
  • a reflective surface for example the hypotenuse of a prism used to deflect the beam, is preferably a sufficiently thin metallic, conductive surface over which a defined current flows.
  • the wave field experiences a Doppler shift. This can be set in a defined manner in terms of amount, direction and time sequence, ie in terms of time dependency. Even if a deflection of 90 ° is often used in optical systems, significantly higher deflection angles can also be achieved in the sense of a higher maximum frequency modification, ie with grazing incidence on metallic conductors through which a defined current flows.
  • the modulator layer can be partially transparent to the electromagnetic radiation to be modulated.
  • the modulator layer can thus partially reflect and partially transmit the electromagnetic radiation to be modulated which is incident on the modulator layer.
  • the modulator layer thus forms a partially reflective and partially transparent layer or a partially reflective and partially transparent surface of the modulator device.
  • the substrate can be at least partially permeable to the electromagnetic radiation to be modulated. This can in particular have the effect that part of the incident electromagnetic radiation transmitted by the modulator layer can also be transmitted through the substrate.
  • the modulator layer and the substrate can be at least partially transparent to the electromagnetic radiation to be modulated.
  • the substrate can be completely permeable or transparent to the electromagnetic radiation to be modulated.
  • a modulator device can be used as a beam splitter, in particular if both the modulator layer and the substrate are at least partially transparent to the electromagnetic radiation to be modulated.
  • a modulator device according to the invention can accordingly be used in an optical arrangement at the same time as a beam splitter and as a frequency-shifting element, for example instead of a conventional beam splitter.
  • a reflective surface of the modulator layer, on which part of an incident electromagnetic radiation is deflected can be designed as a sufficiently thin conductive - for example metallic - surface over which a defined current flows when the electrical field generated by the power source passes through the first and a second electrical contact is made.
  • the reflected part of the incident electromagnetic radiation experiences a defined Doppler shift. This can be set in a defined manner in terms of magnitude, direction and time sequence, that is to say in terms of time dependency, in particular by setting the electric field generated by the power source.
  • the modulator layer can also be designed as a beam splitter. However, it does not have to, ie a standard beam splitter can also be used to separate an input wave field, for example in a 50/50 division. A frequency modification can then take place on one path, or on both paths.
  • a modulator device which is designed as a beam splitter, can, for example, as a beam splitter cube, as a beam splitter prism, as a beam splitter plate as a beam splitter membrane, or as one on a wire grid based beam splitter.
  • the substrate can be at least partially transparent to the electromagnetic radiation to be modulated and have a first, a second and a third outer surface, the second and the third outer surface being perpendicular to one another, and the first outer surface being oblique to the second and third outer surfaces to the third outer surface.
  • the first outer surface can be coated with the modulator layer at least in sections.
  • the modulator device according to the invention can be designed as a prism with a triangular cross section, which can be used as a beam splitter or as a reflective element.
  • a reflective layer can be arranged over the first outer surface of the substrate and on the modulator layer, wherein the reflective layer can preferably be dielectric.
  • the modulator device further comprises a further substrate having a first, a second and a third outer surface.
  • the substrate and the further substrate can be at least partially transparent to the electromagnetic radiation to be modulated.
  • the second and the third outer surface of the further substrate are perpendicular to one another.
  • the first outer surface of the further substrate is oblique to the second and third outer surface of the further substrate and is arranged on the modulator layer.
  • the modulator layer is thus arranged between the first outer surface of the substrate and the first outer surface of the further substrate.
  • the modulator device according to the invention can be designed in the shape of a cube with a square cross section and can be used as a beam splitter.
  • the modulator layer comprises a wire-grid polarizer.
  • the modulator layer can be designed as a wire-grid polarizer be.
  • the wire-grid polarizer can be used to selectively select or modify or modulate polarization states of the incident electromagnetic radiation.
  • the electric current flowing through the modulator layer can be directed along the grid structures of the wire-grid polarizer.
  • the grating structures can be metallic and / or have dimensions in the sub-wavelength range.
  • the vector of the beam propagation of the incident electromagnetic radiation must have a component in the direction of the grid lines of the wire-grid polarizer in order to experience a Doppler shift. Said vector can thus be directed in the direction of the electric current flowing along the lattice structures.
  • a portion of the incident electromagnetic radiation reflected by the modulator layer or the wire-grid polarizer has a frequency shift in relation to the incident electromagnetic radiation, while a portion transmitted by the modulator layer or the wire-grid polarizer the incident electromagnetic radiation has no frequency shift in relation to the incident electromagnetic radiation.
  • An oblique angle of incidence of the incident electromagnetic radiation for example less than 45 °, is advantageous here, and the angle of incidence can also be greater.
  • the grid lines of the wire-grid polarizer preferably lie in the plane of incidence, ie in the plane of the modulator layer.
  • the modulator device can further comprise an additional reflective layer which is arranged on the modulator layer, the additional reflective layer being suitable for reflecting a portion of the electromagnetic radiation to be modulated.
  • the additional reflective layer can be a dielectric layer or a conductive, in particular metallic, layer.
  • the additional reflective layer is preferably not traversed by the electric current flowing through the modulator layer. The additional reflective layer can thus have the effect that part of the electromagnetic radiation incident on the device is reflected by the current-carrying modulator layer and consequently has a frequency shift, while part of the electromagnetic radiation incident on the device is reflected by the non-current-carrying additional reflective layer and has no frequency shift.
  • a very compact design can be implemented through the immediate vicinity of the relevant layers (ie the modulator layer and the additional reflective layer), for example at an angle of incidence of 45 ° .
  • Such an embodiment of the modulator device according to the invention can be in an optical Arrangement can be used instead of a conventional mirror in an optical beam path.
  • the additional reflective layer can act selectively on polarization states of the electromagnetic radiation to be modulated.
  • the additional reflective layer can reflect a polarization-defined portion of the incident electromagnetic radiation and transmit or let through another polarization-defined portion of the incident electromagnetic radiation, which can be reflected by the underlying modulator layer.
  • the additional reflective layer can, for example, reflect a first portion of the incident electromagnetic radiation with a first polarization state and transmit or let through a second portion of the incident electromagnetic radiation with a second polarization state, which can for example be perpendicular to the first polarization state.
  • the portion of the incident electromagnetic radiation that is transmitted by the polarization-selective additional reflective layer and reflected by the modulator layer experiences the frequency shift caused by the modulator layer, while the portion of the incident electromagnetic radiation that is reflected by the polarization-selective additional reflective layer, does not experience the frequency shift caused by the modulator layer.
  • a reverse arrangement of the additional reflective layer and the modulator view, in which the modulator layer acts selectively on polarization states of the electromagnetic radiation to be modulated and is arranged on the additional reflective layer, is also provided and allows the same effect to be achieved.
  • the modulator layer can be designed as a wire-grid polarizer.
  • the modulator layer arranged over the additional reflective layer can reflect a polarization-defined portion of the incident electromagnetic radiation and transmit or let through another polarization-defined portion of the incident electromagnetic radiation, which can be reflected by the additional reflective layer underneath.
  • the modulator layer can, for example, reflect a first portion of the incident electromagnetic radiation with a first polarization state and transmit or let through a second portion of the incident electromagnetic radiation with a second polarization state, which can for example be perpendicular to the first polarization state.
  • the portion of the incident electromagnetic radiation that is reflected by the polarization-selective modulator layer experiences the frequency shift caused by the modulator layer, while the portion of the incident electromagnetic radiation, which is transmitted by the polarization-selective modulator layer and reflected by the additional reflective layer, which does not experience the frequency shift caused by the modulator layer.
  • the modulator device can comprise a diffraction grating that can be arranged over the modulator layer or formed within the modulator layer.
  • the modulator layer can in particular be designed as a diffraction grating.
  • the diffraction grating can make it possible to selectively diffract the electromagnetic radiation incident on the modulator device before it is reflected at the modulator layer.
  • the diffraction grating can, for example, make it possible to define a reflection angle with / at which a portion of the incident electromagnetic radiation reflected on the modulator layer is reflected, with different reflection angles in particular being able to correspond to different diffraction orders of the diffraction grating.
  • the diffraction grating can be formed in the modulator layer or integrated into it.
  • the modulator layer can be designed, for example, as a surface relief grating.
  • a modulator layer designed as a surface relief grating can preferably be partially transparent to the incident electromagnetic radiation, in particular if the modulator layer is sufficiently thin.
  • a modulator layer designed as a surface relief grating can thus partially reflect and partially transmit the incident electromagnetic radiation.
  • the diffraction grating can have a first grating segment and a second grating segment and can be configured to reflect an incidence of the electromagnetic radiation incident on the modulator device at a certain angle of incidence, for example at a perpendicular angle of incidence, with a reflection of a reflected part of the incident electromagnetic radiation to combine a certain angle of reflection, for example a perpendicular (back) angle of reflection.
  • the angle of incidence and the angle of reflection can be selected almost at will.
  • Grating segmentation generally reduces the technical effort involved in implementing the diffraction grating and the beam path.
  • first grating segment of a diffraction grating that can be used for this purpose, which can be designed, for example, as a surface relief grating, is a so-called sawtooth profile.
  • the first grating segment can be configured, for example, to generate a certain diffraction order, for example an i-th diffraction order, with maximum diffraction efficiency when the incident electromagnetic radiation is perpendicular to the modulator device or the first grating segment of the diffraction grating.
  • the incident electromagnetic radiation can be diffracted by the first grating segment in such a way that this diffraction order - despite the perpendicular Incidence on the diffraction grating - incident obliquely on the modulator layer located below the diffraction grating.
  • the portion of the incident electromagnetic radiation reflected on the modulator layer strikes a further grating segment of the diffraction grating, which, for example, can also be implemented as a sawtooth profile surface relief grating, mirror-symmetrical to the first grating segment.
  • the second grating segment can be set up to diffract the part of the electromagnetic radiation reflected by the modulator layer in such a way that it is reflected by the modulator device at a certain angle of reflection, for example back onto the original axis of incidence, which is perpendicular to the diffraction grating or the diffraction grating. can be to the optical axis of the system.
  • the diffraction grating can, however, also be unsegmented and can also be used to combine a perpendicular light incidence on the modulator device or on the diffraction grating with a perpendicular back reflection.
  • An example in this sense is the use of a diffraction grating which realizes a symmetrical beam splitting.
  • the diffraction grating can be designed as a surface relief grating or as a volume grating based on Bragg diffraction at grating planes.
  • the incident electromagnetic radiation can be incident at an angle of incidence below 0 °, wherein the diffraction grating can be set up, for example, to generate the -i th and the + i th diffraction order.
  • Two symmetrically designed diffraction orders can thus fall obliquely on the modulator layer in different directions and can thus experience opposing frequency shifts. After reflection, they can be reflected back by the diffraction grating, i.e. in the opposite direction to the direction of incidence of the incident electromagnetic radiation, for example.
  • the diffraction grating is designed so that there is a significant intensity in the o-th diffraction order, three frequency components can be generated, for example, in the back-reflected and in the partially diffracted part of the electromagnetic radiation, v 0 , v o + Dn, v o - Ie. This means that if there is a coherent superposition, several interference terms can be present.
  • the modulator device can be operated with perpendicular incidence of the incident electromagnetic radiation on the modulator layer, while the modulator layer has a current that can be set in a defined manner.
  • the modulator layer may be implemented as surface relief grating, which is adapted to generate the ⁇ i-th diffraction orders, which can for example be ⁇ 84.26 °, or ⁇ 72 0, and an opposite frequency modulation can experience.
  • the modulator layer can, for example, be a 20 nm thick gold layer that forms a sinusoidal grating.
  • the substrate can be transparent and the diffraction grating can be formed on a surface of the substrate that is opposite to the modulator layer.
  • a modulator device can be used for angle measurement or as a component of an angle measurement system.
  • a measurable asymmetry can be introduced both by the angle of incidence of the incident electromagnetic radiation and by the wedge angle between the diffraction grating and the modulator layer.
  • several wavelengths and several angles of incidence of the incident electromagnetic radiation and combinations thereof can be used to separate the two influences, the influence of the angle of incidence of the incident electromagnetic radiation and the influence of the wedge angle. This results in the possibility of angle measurement using the measured variable frequency.
  • a wave field that falls on a surface can generally have a reflected portion, a transmitted portion and a diffracted portion or portions.
  • the individual diffraction orders have a fixed angular relation to one another or an angular relation which can be determined in a defined manner in the case of a relative rotation or in the case of a change in the wavelength.
  • this can be used, inter alia, to correct the uncertainty of the angle of incidence or to measure it.
  • several beat frequencies or several frequency shifts caused by the modulator layer can be measured, which are assigned to several diffraction orders, for example.
  • the angle of incidence is part of the lattice equation, ie a term thereof, the angle of incidence can be determined uniquely via a system of equations.
  • the angle measurement via frequencies can be realized by means of a diffraction grating and / or without it.
  • the use of an internal reference arrangement within a measurement arrangement that is for example an angle measuring arrangement and which also detects, for example, a drift in the wavelength used when an angle measurement is carried out, reduces the measurement uncertainty.
  • a modulator device can be set up to determine an angle of incidence of the electromagnetic radiation incident on the modulator device. This can be used to correct a value that is not sufficiently exact, or it can also be used directly in the sense of a measuring arrangement. Angle measuring systems can be built on the principle disclosed here.
  • Modulator devices according to some embodiments of the invention can be designed to implement multiple reflections.
  • a surface of the substrate which is opposite the modulator layer and which is preferably parallel to it can be coated with a further modulator layer.
  • the further modulator layer is at least partially reflective and electrically conductive for the electromagnetic radiation to be modulated.
  • the further modulator layer can have the same structural properties as the first-mentioned modulator layer.
  • the modulator device can further comprise a third electrical contact and a fourth electrical contact, which are set up to apply the electrical field generated by the power source or a further electric field generated by a further power source to the further modulator layer. In such embodiments it is possible to mediate a series of reflections between the two opposite modulator layers, which can preferably be parallel to one another, through which a respective electric current flows.
  • the use of multiple reflections is important in connection with the modulation principle disclosed herein because, for example, a metallic conductor can generate relatively low modulation frequencies or frequency shifts at room temperature.
  • the factor 2 results from the possibility of reversing the direction of the current flow.
  • the speed of the free charge carriers can be tuned from o to v, i max . This results in a significant increase in the frequency range to be set for the modulation.
  • the two opposite modulator layers can have an angle not equal to 0 ° to one another, in other words they can also not be aligned parallel to one another.
  • One application of multiple reflection with a modulator device according to the invention is to determine the frequency shift achieved with the modulator device.
  • Another application of multiple reflection with a modulator device according to the invention is the expansion of the frequency shift range that can be achieved with the modulator device.
  • a further input wavelength or further modulated and / or also non-modulated input wavelengths can be used for checking, but generally also for expanding the frequency range to be modulated.
  • One possibility is, for example, to allow electromagnetic radiation with a first wavelength and electromagnetic radiation with a second wavelength to enter the modulator device as input control radiation coaxially to electromagnetic radiation with the first wavelength.
  • the modulator device can be set up to realize multiple reflections.
  • the second wavelength can be different from the first wavelength, the difference being, for example, 1 nm or 10 nm.
  • a check of the Doppler shift or frequency shift brought about by the modulator device can be determined from the known ratio of the wavelengths. Different wavelengths can be separated using dichroic filters for separate detection.
  • Another application of multiple reflections with a modulator device according to the invention is the use of multiple reflections for the purpose of reducing the frequency. If, for example, a relatively high charge carrier speed is available in a very stable manner, then this can also be used to generate sufficiently low frequencies.
  • a series of reflections can be implemented between two opposing current-carrying modulator layers which are at an angle to one another.
  • the multiple reflection at two modulator layers that can be adjusted or adjusted in angle to one another enables the angle that is present between these modulator layers to be determined. A small change in angle makes a significant one Frequency change.
  • an angle measurement can also be carried out. More than two modulator layers or modulator devices can be used, for example three or more, each at an angle to one another.
  • the relative frequency shifts resulting from an optical query can be assigned to the changes in the angles in space.
  • a measuring structure can, for example, comprise a plurality of modulator devices according to the invention which have fixed angles to one another, a rotation of the structure in space being measurable.
  • the individual modulator devices it is also possible for the individual modulator devices to be individually rotatably mounted and for the angle changes to be detected via frequency shifts.
  • the substrate and the modulator layer can each be rotationally symmetrical and the modulator layer can be arranged in a surrounding manner on the surface of the substrate.
  • the substrate can preferably form a waveguide which is coated with the modulator layer.
  • the substrate can have a polygonal surface, wherein at least a first surface section of the substrate, which corresponds in particular to a first polygon side, is coated with the modulator layer, and wherein at least a second surface section of the substrate, which is in particular a second polygon side corresponds, has a first lattice structure.
  • the lattice structure is designed to couple light into the substrate that is incident on the outside of the lattice structure and / or to extract light from the substrate that is reflected inside the substrate and is incident on the inside of the lattice structure.
  • the different surface sections in particular have relative angles to one another.
  • further surface sections can be coated with the modulator layer or each with a further modulator layer, wherein the further surface sections can in particular correspond to further polygon sides.
  • An electric current can also flow through the further modulator layers.
  • the further modulator layers can be electrically connected to the modulator layer or be electrically coupled to further current sources.
  • electromagnetic radiation coupled into the substrate can be reflected on a plurality of surface sections of the substrate which have different spatial angles or which each have an angle to one another.
  • the reflective surface sections of the substrate can, for example, be surfaces on the outer, or, depending on the embodiment, also inner, Sides / faces of a polygon correspond. Multiple reflections on / along an approximate circular path are thus possible.
  • the aim is to be able to capture the highest possible frequency bandwidth in the modulation. In general, line broadening is negligible.
  • the substrate has a polygonal surface. At least a first surface section of the substrate, which can in particular correspond to a first polygon side, is coated with the modulator layer. A second surface section of the substrate, which can in particular correspond to a second polygon side, is at least partially permeable and is designed to couple light into the substrate that is incident on the outside of the second surface section.
  • the substrate has an inner intermediate surface which is configured to partially reflect and partially transmit a light beam that is coupled into the substrate through the second surface section. The light beam that has entered the substrate through the second surface section is thus divided within the substrate by the inner intermediate surface, in particular into a reflected light beam portion and a transmitted light beam portion.
  • a third surface section of the substrate which can in particular correspond to a third polygon side, is at least partially permeable and is designed to couple out from the substrate a portion of the light beam that is reflected or transmitted by the inner intermediate surface and is reflected on the modulator layer.
  • a fourth surface section of the substrate which can in particular correspond to a fourth polygon side, is at least partially permeable and is designed to couple a light beam portion transmitted or reflected by the inner intermediate surface out of the substrate.
  • the modulator device can further comprise a first focusing lens and a second focusing lens, the first focusing lens being configured to partially focus the light beam coupled out through the third surface section onto an interference plane, and the second focusing lens being configured to do so Part to focus the light beam coupled out through the fourth surface section onto said interference plane.
  • the interference plane both light beam components overlap with one another in an interfering manner.
  • One application of these embodiments of the invention is to use the frequency difference between the light beam portion coupled out through the third surface section and the light beam portion coupled out through the fourth surface section for measurements in which directions of movement are determined and velocity distributions are precisely determined.
  • This can be used, for example, when determining particle movements, that is to say in laser Doppler anemometry.
  • an interference pattern can quickly be shifted in space, ie in its phase.
  • This modification makes it possible not only to determine the amount of movement from the light that is scattered by the particles, but to differentiate between directions of movement. This is the part of the movement that the particles have in the plane of the interference pattern.
  • the advantage of the modulation disclosed herein lies in the possibility of simple and compact implementation thereof.
  • the interference pattern can run with a defined amount of speed and in a defined direction.
  • three wavelengths can be used which differ from one another, for example, by 10 nm or by 20 nm.
  • Three detectors can be used, each of which has a spectral filter that is assigned to its wavelength to be detected and each has a spectral window of 5 nm.
  • the interference patterns are preferably modulated in all spectral channels used.
  • Another aspect of the invention relates to optical arrangements in which at least one modulator device according to the invention is integrated, in particular an optical arrangement according to claim 19 and an optical arrangement according to claim 20.
  • an optical arrangement can comprise a modulator device according to the invention, the substrate and the modulator layer of which can in particular be at least partially transparent.
  • the modulator device is set up to split a light beam, part of the light beam to be split being transmitted by the modulator device, and part of the light beam to be split being reflected by the modulator layer of the modulator device.
  • the The modulator device according to the invention can be used in an optical arrangement as a beam splitter and as a frequency-modulating element.
  • An example of such an optical arrangement is an angle measuring system, which can in particular be an autocollimation telescope or an autocollimator.
  • a change in an angle of a light beam reflected back from a measurement object can be viewed as a change in the angle of incidence of the electromagnetic radiation incident on the modulator device, which results in a frequency change in a frequency measurement.
  • An angle measurement can thus be carried out using a frequency measurement
  • a modulator device in an autocollimator, for example, can be used which has a single, for example also planar, metallic, electrically conductive modulator layer through which a current I flows.
  • the modulator layer can also be designed as a surface relief grating which has a metallic or generally electrically conductive coating through which a current I flows.
  • the evaluation of the frequency modification present in several diffraction orders reduces the budget of the measurement uncertainty.
  • Parameters such as position deviations and frequency deviations can also be used in combination in an angle measuring system. For example, measurements can be made at two wavelengths, which preferably run coaxially. A fixed relationship results from the two frequencies resulting for the respective wavelength, ie a differential measurement can be carried out.
  • a sufficiently fast detector which is used to determine the position of a pattern can be used to determine a beat frequency of the pattern. If this detector or this detector field works with a maximum frequency v Dmax , then frequencies up to v Dmax / 2 or practically up to v Dmax / 3 can theoretically be detected.
  • An example of this procedure is the use of a laser beam with a Gaussian intensity profile in connection with a four-quadrant photodiode (also four-quadrant detector).
  • An example of a detector field that can be used is a CMOS camera which, for example, operates at a refresh rate of 1 kHz.
  • an optical arrangement can comprise a modulator device according to the invention which follows in a beam path of the optical arrangement a beam splitter is arranged which divides an input light beam into at least two beam portions.
  • the modulator device is set up to modulate a frequency and / or an amplitude of one of the at least two beam components by at least partially reflecting one of the at least two beam components on the modulator layer of the modulator device.
  • Such an optical arrangement can for example comprise a further modulator device according to the invention which is arranged in the beam path of the optical arrangement after the beam splitter and which is set up to modulate a frequency and / or an amplitude of the other of the at least two beam components by the other of the at least two beam components is at least partially reflected on the modulator layer of the further modulator device.
  • the further modulator device can in particular be used to introduce a frequency shift into the beam portion reflected thereon, which differs from a frequency shift which is introduced by the modulator device into the beam portion reflected thereon.
  • the optical arrangement can furthermore comprise a first retardation plate, which is arranged in the beam path in front of the modulator device or in front of the further modulator device, and / or a second retardation plate, which is arranged in the beam path after the modulator device or after the further modulator device is arranged.
  • the first retardation plate and / or the second retardation plate can preferably each be a 1/2 plate.
  • An example of such an optical arrangement, in which one or more modulator devices according to the invention are used in particular as frequency-shifting reflective elements, is an interferometer arrangement, in particular a Mach-Zehnder interferometer, a Twyman-Green interferometer or a Michelson - Can be an interferometer.
  • Another aspect of the invention generally relates to a method for modulating a frequency and / or an amplitude of electromagnetic radiation or a light beam using a modulator device according to the invention, in particular a method according to claim 23.
  • the method comprises reflecting at least one part the electromagnetic radiation or the light beam at the modulator layer of the modulator device, while the electric field generated by the power source or the electric voltage difference generated by the power source is applied to the modulator layer.
  • the method can further include transmitting at least another part of the electromagnetic radiation or the light beam through the modulator device.
  • a modulator device can be used to use diffractions on the electrically conductive grating through which the current flows, in order to convert the angular distributions, including the discrete angles of the discrete diffraction orders, into frequency distributions.
  • ID, 2D or 3D grids can be traversed by a current or by a spatial current distribution.
  • a modulator device can be used to make a light source so that its emission frequency or also several emission frequencies can be tuned and stabilized.
  • a grid through which the current flows can be used in a so-called Littrow AO, which enables a very fine frequency setting to be obtained through the flow of current.
  • This is advantageous if the angle adjustment of a standard grating used for this purpose cannot be carried out finely enough or not quickly enough.
  • high accelerations lead to geometric deformations of components, e.g. grids used here for frequency setting.
  • This design results in very fast modulations for lasers.
  • the implementation of a very finely adjustable emission frequency opens up the possibility of setting multiple lasers to exactly one frequency by generating beat frequencies, measuring them and using closed control loops. However, this requires a very high level of parameter stabilization.
  • a modulator device can be used to generate a scatter distribution which corresponds to a distribution of modulation frequencies.
  • the modulator layer can in particular have a rough surface.
  • a surface relief profile can be designed statistically in such a way that a defined target intensity distribution is present in the diffracted field.
  • the definedly designed spreader can be moved or rotated in order, for example, to achieve a far field that is sufficiently speckle-free in the time average considered.
  • the power supply can be adapted to this. It is also possible to hold the spreader through which the current flows and to display an illuminated and moving, for example, standard spreader on it.
  • the frequency of a reference wave field can also deviate from an output frequency v 0 in one or the other direction as required. It is also possible to superimpose two wave fields with different frequency distribution modifications. This increases the variety of realizable distributions of beat frequencies.
  • This procedure can also be used several times in a row in a system. An image on or from the modulator layer through which the current flows can also take place at an angle. The distortion can be corrected by adhering to the so-called Scheimpflug condition, ie by using a so-called Scheimpflug system. This generally applies to arrangements that work with oblique lighting and oblique imaging.
  • a modulator device according to the invention can be used to generate an electrical current.
  • Electromagnetic radiation which is preferably incident on the modulator layer at a very oblique angle, ie for example below 72 ° to the surface normal, can generate a current. A pulse carryover takes place. This makes it possible to read out an optical frequency modulation directly electrically. By superimposing a second optical, frequency-modulated signal, higher and lower frequency terms can be generated. The generation of low-frequency signals is advisable when the optical signal to be recorded has a modulation frequency that is above the maximum frequency that can be detected by sensors or detectors. In the case of semiconductor diodes, frequency detection and frequency generation are generally limited to ⁇ 10 THz. In general, the efficiency is also low.
  • Electrical signals that have been generated on the basis of a pulse transmission of electromagnetic radiation can be used as input signals for circuits.
  • the optically generated electrical signals can also be input signals for frequency mixers, such as up and down mixers, frequency multipliers and phase shifters.
  • frequency mixers such as up and down mixers, frequency multipliers and phase shifters.
  • the direction of oscillation of the electric field which is advantageous for the momentum transfer from charge carriers to light or from light to charge carriers during reflection, is perpendicular to the plane of incidence.
  • An electric field oscillating in the plane of incidence experiences less reflection when inclined at an angle. If, for example, circularly polarized light is present, the reflection at an oblique incidence corresponds to a change in the polarization state, here in combination with a pulse transfer to be modulated.
  • an electromagnetic wave with a modulated amplitude falls obliquely on a detector surface that contains free charge carriers
  • the pulse transfer to this can be measured.
  • There is a change in the current flow For example, if a current flows that is constant without the incidence of the modulated electromagnetic wave, there is an additional change, i.e. d / dt of I.
  • d / dt of I For example, if an electromagnetic wave with modulated amplitude falls obliquely on a surface or detector surface, the free Contains charge carriers, a pulse transfer to these charge carriers can take place, which is modulated.
  • This modulated pulse can in turn be transferred by the charge carriers to another electromagnetic wave that falls obliquely on this surface. This corresponds to the mediation of an interaction, i.e.
  • frequency changes can be achieved by using different wavelengths and / or by setting different angles of incidence.
  • modulation frequencies that exist on electromagnetic wave fields can be converted into one another.
  • more than two light beams can also be used. If there is an amplitude modulation on at least two light beams, this is transferred to the other beams. It is thus also possible to use this in the sense of data processing circuits.
  • Logical operations can thus be carried out optically. In addition, this can be controlled electrically and read out electrically.
  • IA have very small currents, which are converted into currents by means of an amplifier circuit which are sufficiently large to introduce a Doppler shift of electromagnetic waves by means of a modulator device according to the invention.
  • a diffraction grating on the uniting element ie just before the exit of an interferometer arrangement, which can be, for example, a Mach-Zehnder interferometer. It is also possible to use a diffraction grating at the initial beam splitter, ie at the entrance of an interferometer arrangement, for example to achieve a reflection angle that clearly differs from 45 0 , ie for example 65 0 or 72 0 to the surface normal of the surface, on which the light falls. This allows a compact construction, in which the conductive surface can also be arranged inclined than 45 0th A monolithic arrangement using the outer surfaces of an individual transparent component, ie for example the sides of a prism, is advantageous here.
  • a modulator device can be used for position measurement.
  • the modulator layer of the modulator device can be curved or flat and have a locally changing sheet resistance or a locally changing charge carrier speed.
  • the electromagnetic radiation incident on the modulator device can be incident at an angle to the surface normal for position measurement.
  • the locally present charge carrier velocities can also be segmented, that is to say in such a way that the Doppler shift changes, for example, in steps along a length Az.
  • the sheet resistance can vary periodically.
  • a material measure ie here, for example, a linear scale or an angular scale, ie a circular grid, which is used as an angle - Scale is used, for example also for the full circle.
  • Parameter variations present locally on the surface can, for example in the sense of calibration, also tactile or contactless, ie for example optically, or via the local interaction of the electric field, ie for example also via a local resistance measurement to be read out.
  • the absolute position is not lost even after the measuring system has been completely switched off.
  • an absolute coding ie locally, or at least coded absolutely in a sufficiently small segment, for example with the help of a local reference mark.
  • a contactless query is possible by determining frequency distributions.
  • the prior art can be expanded by determining the local drift speed. This can be used for defect detection, for example on sufficiently thin, electrically conductive surfaces or coatings.
  • the local drift speed V d can be measured on ground, polished and / or etched surfaces. This complements polarization microscopy methods. Crystallites can have different drift speeds depending on their composition and orientation. This can be used as a method of analysis.
  • a parameter that influences the drift speed can be measured using this.
  • a temperature measurement can be converted into a frequency measurement via the relationship with v, ie via V d (T).
  • Further measurement methods can be implemented, for example, by contaminating conductive surfaces, ie in the sense of a sensor system and also in terms of surfaces prepared for them.
  • the drift speed can also be influenced by external electrical and / or magnetic fields.
  • IA results in a sensor system for the parameter X with V d (X).
  • the measured variable can be converted into a frequency modification which, for example, can also be converted into an amplitude modification by means of interference.
  • a modulator device in which the speed of the charge carriers in front of the modulator layer or the drift speed V d shows a sufficiently strong temperature dependency V LT (T) can be used to measure the temperature T by adding the current I applied to the modulator layer and the frequency shift caused by the modulator layer can be measured. If the function V LT (T), or V LT (R, T), or V LT (I, T), or V LT (I, R (T)) is known and as calibrated as possible, this can be used to determine the temperature. For this purpose, hot or cold conductor materials can be used. For example, platinum (Pt) can be used as a measuring resistor in the sense of the procedure disclosed here, which shows a sufficient temperature dependency V LT (T).
  • Sapphire or diamond for example, are suitable as the transparent substrate material at high temperatures.
  • ceramics or, for example, tungsten are suitable at high temperatures, it being possible to use an electrically insulating coating between the substrate and the modulator layer.
  • the result is a sensor for high temperatures that generates a temperature-dependent frequency shift. This can be used advantageously when the direct measurement of the electrical resistance at the measuring location is not possible, but a known current I can still be generated at the measuring location.
  • thermoelectric effect Seebeck effect
  • a voltage is generated between two different conductor materials (thermal pairs) via a temperature difference DT.
  • This voltage U can usually be measured directly, which corresponds to the state of the art.
  • by closing a circuit it is possible to generate a current I which can be used in the manner disclosed herein to generate a frequency change.
  • the frequency measurement can also be carried out over large distances.
  • a compact arrangement can be built up monolithically. One side of the arrangement is connected to a temperature reservoir in order to obtain the necessary temperature difference. A change in the temperature difference results in a frequency change. This can be used advantageously when the direct measurement of the electrical resistance at the measuring location is not possible.
  • a current can also be measured that runs transversely to the current that is generated by the application of a voltage.
  • These frequency shifts result from the speed distribution v LT (x, y), which is dependent on the magnetic flux density that is present in the area of the current flow.
  • a modulator device can also be used in control loops.
  • a light source moves in the Sagnac interferometer. Waves from this light source propagate along opposing optical paths.
  • a modulator device can be used to generate an additional Doppler shift that is variably adjustable.
  • the resulting modulation frequency can therefore also be set to a fixed value, i.e. it can also be fixed in the sense of a regulation. This is also possible when the angular speed changes.
  • the measured variable can be the additional frequency to be compensated.
  • the Modulator device which is used to modify the frequency to measure the beat frequency generated between - at least - two electromagnetic wave fields directly.
  • a photodiode the sinusoidal measurement signal obtained can be used for the time synchronization of the components used.
  • this signal from the photodiode can be used to generate a trigger signal for a camera.
  • the principle of modulation makes it possible to implement closed control loops in inexpensive electronics.
  • the signal of a photodiode used can be evaluated via a frequency determination and, within a closed control loop, can be used to set a fixed frequency exactly. When generating a defined frequency shift, this reduces the effects of errors. Thus, in a measurement technology Application reduces the error budget.
  • a possible error influence is, for example, a temperature change that is present at least locally on the frequency-shifting component.
  • a further application of a modulator device consists in introducing a frequency shift between two, ie at least two, wave fields to be superimposed in arrangements based on coherent superposition of electromagnetic waves.
  • resulting interference patterns are dynamic.
  • time synchronization of the detector or the detector field a set of measurements shifted in the phase can be obtained in the sense of phase-shifting interferometry.
  • exactly two slightly different wavelengths are superimposed.
  • the description with the aid of the phase shift in a homodyne interferometer is sufficiently exact, ie for example with a maximum absolute error of a certain phase of Df «2p x 10 -4 .
  • l o and l i can also be used, which in this sense leads to an equivalent measurement result.
  • An arrangement assigned to this procedure contains at least one modulator device according to the invention, which is located in the beam path behind a beam splitter, so that the frequency modification is only present in one of the previously separated portions of the electromagnetic radiation.
  • a further embodiment consists in undertaking a frequency modification in both separated parts with a respective modulator device according to the invention, which, however, is different, or at least can be.
  • the interference pattern runs over the image. Images are to be recorded or evaluated synchronously with the set time period. If the wedge angle is set to close to zero, i.e. if the number of stripes in the image is set as low as possible, images must also be recorded synchronously with the set time period, for example five images within one period of the modulation frequency, so that, for example, 5 images are made in the course of one modulation period.
  • An advantageous embodiment results from the use of a polarization beam splitter.
  • the electromagnetic field from a source can be divided into orthogonal polarizations. A frequency modification can be introduced between these.
  • the components of orthogonal polarization can be assigned to the object and the reference beam path.
  • the object and reference beam path can, for example, be coaxial be arranged, or also have a greater spatial separation, as is the case, for example, with the Twyman-Green interferometer or the Mach-Zehnder interferometer.
  • Another application of a modulator device according to the invention is to provide frequency modifications for pulse or signal modulation, which are used for distance measurement and for three-dimensional object detection.
  • the transit time of modulated signals of electromagnetic radiation can be determined.
  • the implementation of the signal modulation is compact and inexpensive with a modulator device according to the invention. Amplitude and / or frequency modulation can be used here.
  • a modulator device according to the invention can also be used in the field of optical communication.
  • data transmission for example in optical glass fibers or in free-jet arrangements, it is advisable to use a modulator device according to the invention.
  • a modulator device consists in high-resolution spectroscopy.
  • a primary frequency can be shifted in a targeted manner by means of a modulator device according to the invention.
  • a frequency can be set exactly to an absorption line of narrow spectral width or narrow frequency bandwidth. This also enables spectral adjustment in ion traps.
  • One embodiment is the use of the frequency modification described in computers that use quantum states. In doing so, energy states can be excited and queried in an optically spectrally precisely adjustable manner. Integration in a vacuum and / or in a low-temperature environment is simple and possible with little installation space. This enables compact designs of the devices under consideration. Suitable materials for the modulator layer are superconductors, which enable tuning over a large frequency range Dn.
  • Some embodiments of the modulator device according to the invention can be based on multiple reflections.
  • a very high mean frequency shift can occur due to the occurrence of very many multiple reflections, even with a relatively large angle spectrum can be achieved, which here is accompanied by a significant line broadening.
  • a capillary that is metallically coated on the inside and electrically contacted on both sides can be used to implement this frequency modification. It is also possible to use a superconducting coating at sufficiently low temperatures. It is also possible to coat an optical, light-conducting fiber in an electrically conductive manner on the outside and to allow a current to flow through the coating.
  • a fiber encased in an electrically conductive manner at a sufficiently small radial distance p from the optical axis or from the fiber core can have a large number of refractive index profiles, for example a step index profile with a high refractive index on the axis, a gradient index Profile with a radially decreasing refractive index or here also a homogeneous distribution of the refractive index.
  • the mentioned “sufficiently small radial distance” can in particular be selected in such a way that relatively little energy is absorbed.
  • an electrically conductive core with a high refractive index as the fiber core, also in order to implement mono-mode propagation over a short distance.
  • a core has a diameter of 10 nm or less, for example.
  • Waveguiding can also be achieved using a very thin electrically conductive, cylindrical-coaxial coating such that a significant portion of the propagating electromagnetic wave is radially outside of the thin electrically conductive cylinder.
  • the thickness of the electrically conductive, coaxial layer is, for example, 5 nm. Electrical contacting is possible, but sometimes complex.
  • a current can also be generated, for example, via induction and external electrical fields. Due to the absorption, the realizable propagation lengths are small.
  • the resulting effective refractive index which determines the propagation speed as a function of the discrete propagation mode, depends, among other things, on the wavelength, the geometric structure of the waveguide and material parameters such as the refractive index.
  • material parameters such as the refractive index.
  • transparent, electrically conductive materials such as indium tin oxide or carbon nanotubes. Due to the relatively high refractive index, indium tin oxide can be used as the fiber core, but also only at a short distance due to the relatively high absorption.
  • a wave-guiding structure which can also be a hollow conductor, for example can, or an electrically conductive lined conductor filled with a homogeneous refractive index, results in the design for propagation, ie propagation of the electromagnetic field in the basic mode and in the first, in this subsequent mode.
  • a wave-guiding structure which can also be a hollow conductor, for example can, or an electrically conductive lined conductor filled with a homogeneous refractive index
  • a modulator device which introduces amplitude modulation dependent on the speed of moving charge carriers, in such a way that this is dependent on the wavelength, can be used to analyze the spectral distribution of the incident electromagnetic radiation.
  • a frequency analysis of the signal reveals the present wavelengths via the relationship with the speed of the moving charge carriers.
  • An array of modulator cells that introduce amplitude modulation can thus be used together with an assigned detector array for spectral imaging.
  • a boundary condition is a known angle of incidence.
  • conclusions can be drawn about the angular distribution. This can be done with a single detector, or with a detector field that can serve as a wavefront sensor.
  • an angle measurement can be used to measure a set of angles, and also to measure the tuning of an angle range.
  • a measurement can be made using a set of two, three or more angles or wavelengths.
  • a set of three beams can be used which have a slight difference in their direction of propagation.
  • three coaxial wave fields with different wavelengths, for example or preferably also with the inclusion of a reference wavelength that is known with sufficient accuracy, to determine the angle of impact on a layer through which the current flows. This enables the realization of very compact spectrometers.
  • a further application of a modulator device is that the implementation of a phase shift can be achieved via the time-shifted recording of a detector field using a control signal.
  • the image recording of a camera that is used in an interferometer can be triggered via a control signal which, at the specifically introduced modulation frequency, shifts in its temporal phase position relative to this.
  • interference patterns shifted in phase are recorded.
  • Another possibility is the specific choice of the ratio of modulation frequency and fixed frequency of the image recording. In this way, a set of images can be obtained which have a specific phase relationship to one another.
  • Another application of a modulator device is to implement a phase shift in interferometer arrangements by means of a time-shifted recording, with modulation frequencies that are significantly higher than the image repetition frequency of cameras used. Boundary conditions are sufficiently short exposure times, i.e. at least ⁇ half the period of the modulation frequency introduced. The time shift of this sufficiently narrow detection window within the image repetition frequency of the camera enables the recording of images which are shifted in phase with respect to the modulation frequency.
  • a further application of a modulator device consists in varying the introduced modulation frequency over time, i.e. over the period of the recording of several interferograms.
  • the methods shown can be combined with one another.
  • the modulator layer of the modulator device according to the invention can be a thin metallic surface through which the current flows.
  • a modulator device can thus be implemented, inter alia, with the beam guidance of a retro reflector. In individual cases it can also be advantageous to use curved modulator layers.
  • Another application of a modulator device according to the invention is that a relative change in angle between the modulator layer, which can also be implemented, for example, in the form of a segment which is part of a detector field, and locally incident, ie locally illuminating, waves Field, which is converted into a frequency change, can be used in a wavefront sensor to measure wavefronts.
  • a relative change in angle between the modulator layer which can also be implemented, for example, in the form of a segment which is part of a detector field, and locally incident, ie locally illuminating, waves Field, which is converted into a frequency change, can be used in an imaging sensor for spectrally sensitive imaging.
  • a double image can be generated in this way, which can be recorded by a detector field which has a sufficiently high image repetition rate.
  • Spectral components can be determined on the basis of a frequency analysis that is carried out. This can be used in telescopes, for example.
  • An advantage here is explicitly the large spectral range in which the disclosed principle of modulation can be applied. For example, it is possible to work in the UV or also in the IR range.
  • the very compact design of possible modulator devices according to the present invention is advantageous for mobile systems such as those used in cars, for example, in order to detect 3D objects via frequency modulation and 2D scanning.
  • low power consumption is also advantageous, especially for mobile systems.
  • FIG. 1 shows a modulator device 1319 according to an embodiment of the invention which introduces a frequency modification of the reflected light.
  • the modulator device 1319 comprises a substrate which is coated with a modulator layer which forms an electrically conductive, reflective surface to which a voltage can be applied. This leads to a current flow.
  • a Doppler shift can be introduced, ie in that part of the incident electromagnetic wave which is reflected on directionally moving charge carriers.
  • a voltage is applied to each of the contacts 2i and 2i 2 in such a way that there is a voltage difference between the contacts, which leads to the flow of current.
  • the reflected portion of an electromagnetic wave incident on the modulator 1319 can both there is a component that is shifted in frequency, as well as a component that is not.
  • the superposition of both components in the reflected beam results in an amplitude modulation with the existing beat frequency, ie with the difference frequency, which here corresponds to the frequency shift introduced.
  • the modulator device 1319 from FIG. 1 can thus be viewed both as a purely frequency-shifting component and as an amplitude modulator or as a representative thereof.
  • the modulator device 1319 can be functionally combined with other components, for example also used in a beam path.
  • the modulator device 1319 from FIG. 1 can be integrated on the hypotenuse of a transparent prism.
  • the result is a modulator device 1316 which is based on a prism. This is shown in FIG.
  • the current flowing over the conductive surface can be set in a defined manner.
  • the substrate of the modulator device 1316 is at least partially transparent to the incident electromagnetic radiation and has a first (hypotenuse), a second and a third outer surface.
  • the second and third outer surfaces are perpendicular to each other.
  • the first outer surface (hypotenuse) which is inclined to the second and third outer surface, is coated with the modulator layer.
  • the modulator layer of the modulator device can be partially transparent.
  • a beam splitter can be implemented in this way.
  • the modulator device can be constructed in the form of a beam splitter cube 1920-1323. This is shown in FIG. Of the The transmitted portion has no frequency modification here.
  • the current flowing through the conductive, partially permeable modulator layer can be set in a defined manner.
  • the modulator device which consists for example of a substrate coated with an electrically conductive surface or modulator layer (1319), including the electrical contact (2I 1 , 2i 2 ) necessary for the flow of current, can be provided with a number of additional layers will.
  • an additional reflective layer 1819 in FIG. 4 can be used to reflect a portion of the incident electromagnetic radiation in front of the electrically conductive layer or the modulator layer, ie without introducing a frequency modification in this portion.
  • the reflective layer can act selectively on different polarization states of an incident wave field.
  • the reflective layer 1819 in FIG. 4 can, for example, be designed in such a way that a polarization is sufficiently fully reflected on it and the polarization orthogonal thereto is not, ie, that it is only reflected on the electrically conductive modulator layer.
  • a number of embodiments of a modulator device result from the use of wire-grid polarizers, as shown by layer 4716 in FIG.
  • This design of the electrically conductive modulator layer, through which a defined, adjustable current flows, as a wire-grid polarizer enables the introduction of a frequency shift which only affects one polarization state of the incident light.
  • a polarization state is reflected and the polarization state orthogonal thereto passes the wire-grid polarizer and is reflected here, for example, by a mirror layer 19.
  • This second part of the incident electromagnetic wave field does not experience any frequency shift.
  • the portion of the incident electromagnetic wave field reflected by the modulator device can contain a portion that is shifted in frequency and a portion that is not shifted in frequency.
  • the modulator layer 4716 represents a wire-grid polarizer which is electrically conductive and at which a voltage difference can be generated between the contacts 2i and 2i 2 , which leads to the flow of current.
  • the wire-grid polarizer shows a reflection which is different for orthogonal polarization states, ie a reflection which is selective in terms of polarization.
  • the portion of the electromagnetic field passing the wire-grid polarizer is on the back of the Prism hypotenuse reflected by a reflection layer 419-1819, which can also be a dielectric layer structure, for example.
  • a metal coating can also be used or the fact of total reflection can be used, which does not require a coating.
  • a reflective structure such as a wire-grid polarizer, can be arranged in an electrically contacted form between two prisms. This results in a polarization beam splitter which allows a Doppler shift to be introduced only in one of the two paths / outputs.
  • This wire-grid polarizer based beam splitter cube 47-1323 is shown in FIG.
  • FIG. 8 shows a modulator device, the modulator layer of which is designed as a diffraction grating which has an electrically conductive layer with which electrical contact is made. A voltage difference can be generated between the contacts 2i and 2i 2 , which leads to the flow of current.
  • One embodiment consists of a surface relief grid which has an electrically conductive coating.
  • This grating modulator arrangement 71319 can generate several diffraction orders or be designed accordingly. It is also possible that only one or only two diffraction orders are present.
  • the +2th order of diffraction is evanescent and the -4th order of diffraction is arranged in the opposite direction to the incident beam.
  • Grating modulators can produce a set of Doppler shifts or a set of frequencies of amplitude modulation.
  • the grating can be rotated and a change in at least one beat frequency can be measured.
  • the diffraction order can also be used, which results in the so-called Littrow configuration. If the grating period L is correspondingly small, it can also be the - i-th diffraction order.
  • the grating period L is smaller than the wavelength of the electromagnetic radiation incident on the grating, only a single diffraction order (and the o-th diffraction order) may propagate.
  • the measurement of several beat frequencies enables a significant reduction in the measurement uncertainty. That is to say, it is possible to work in an advantageous manner with a set of diffraction angles which are assigned to the individual diffraction orders and / or with a set of several wavelengths.
  • the implementation of a perpendicular incidence on a modulator device 1319 can take place, for example, by means of grids, which can be segmented. This is shown in FIG.
  • the input wavefront hits a coupling-in grating segment 5722, which is designed, for example, as a volume grating based on Bragg diffraction. It can be designed for a single diffraction order.
  • the light reflected by the modulator layer strikes a coupling-out grating segment 1722, which here bends the light in the direction of retro-reflection.
  • a multiplex of volume grating geometries can also be used, for example to enable operation at several primary wavelengths or, for example, also in combination with a set of several angles.
  • Surface relief grids can also be used. Depending on the surface relief, defined intensities can be realized in defined diffraction orders, that is to say, for example, only in a diffracted order.
  • a variable angle k to be determined here can be introduced between the plane which carries the grating segments and the modulator device 1319.
  • the Doppler shift acting on the beam emerging from the modulator layer changes with a change in angle.
  • An arrangement for angle measurement can generally be run through in two directions, in such a way that two Doppler shifts can be detected, which can also cancel each other out if the angle is symmetrical and if the same wavelength is used.
  • a set of diffraction angles can be generated, for example, with a surface relief grating.
  • FIG. 10 shows the use of a surface relief grating which is operated in transmission, here directly in front of the modulator layer.
  • a modulator device 1319 is illuminated with different, here symmetrical diffraction orders, for example the + i-th and the -i-th.
  • the grating period L can be selected in such a way that higher diffraction orders are evanescent.
  • the phase deviation of the grating can be selected in such a way that only the ⁇ i-th diffraction orders are present.
  • the design of the phase deviation or the design of the profile depth can also take place in such a way that a portion of the o-th diffraction order is present, ie for example 1/10 to 1/3 of the total energy, which is used directly to generate a beat frequency can.
  • the symmetrical grating coupler 19711 can be designed as a sinusoidal grating, for example.
  • FIG. 10 does not show the diffraction orders which arise on the return path of the wave field reflected by the modulator layer and do not propagate back in the direction of the incident wave field.
  • a beam or a wave field can have an extension or a beam diameter which takes up a large part of the free aperture of the component or also the entire aperture.
  • the wave field incident on the modulator device shown in FIG. 10 can also be an extended wave front or an extended wave field which, for example, occupies 70% of the free aperture of the symmetrical grating coupler 19711.
  • a suitable profile height i.e. with the existence of the o-th diffraction order of the incident wave field, there are three wave fields that propagate against the exit direction. These wave fields partially overlap. There are different beat frequencies in the overlapping areas.
  • a variable angle k to be determined here can be introduced.
  • the Doppler shifts acting on the rays or wave fields emerging from the modulator device change with a change in angle.
  • FIG. 10 can be modified in such a way that a monolithic modulator device 13713 results, which has a symmetrical grating coupler 19711 on the input side of a transparent substrate and a reflective modulator layer on the back which represents the actual modulator device 1319.
  • a monolithic embodiment is shown in FIG. This arrangement can also be used to measure the angle between the incident wave or incident beam and the modulator unit.
  • a deviation of the angle of incidence q is 0, which is in its zero position, for example 90 0, can be detected as frequency deviation.
  • a tilt of the input wave field changes the introduced Doppler shift.
  • the influence of the change in the angle of the propagation in the direction of the detector on the detected intensity can be minimized, for example, with the aid of a lens which is arranged at a distance from its focal length in front of the modulator device.
  • FIG. 12 shows an exemplary embodiment of an autocollimator which has a modulator device 1920-135 according to the invention, which is part of a beam splitter.
  • the light emanating from the plane of a measuring mark 185 is collimated by a lens, in the front focal plane of which the plane of the measuring mark is located. For example, if the measuring mark is only a point, there is a plane wave behind the collimator.
  • the portion that is reflected on the rear side of the modulator device can be used in a reference beam path 13-197 for measuring the basic modulation.
  • a detector unit 54-45 which can be used at least on a small area and which can also be a photodiode, for example, can be used to generate a reference frequency in such a way that a misalignment and / or a spectral drift and / or a change in the spectral distribution of the light source used can be determined and compensated for in relation to the measurement result.
  • An expansion optic 12315 is used to adapt the measuring beam diameter to the measuring object 192120 to be optically touched.
  • FIG. 13 shows the expansion optics 123157 of an autocollimator in the form of a Galilean telescope. This enables a compact design.
  • the combination of beam splitter and modulator element 1920-135-47 is based on prisms that are put together to form a cube.
  • FIG. 14 shows two suitably arranged modulator layers in a compact design 1920-135-47-264.
  • the light that comes from the plane of the measurement mark - in the example used within an autocollimator - hits the modulator beam splitter at the bottom left. It propagates to the right, where an expansion optic can connect.
  • a downward reflected portion can be used to determine a reference frequency (See also Fig. 12, 13-197 in this regard, for example).
  • the light reflected from the optically scanned surface hits the lower modulator layer from the right.
  • This modulator layer can, for example, have a wire-grid polarizer through which the current flows.
  • the double arrow represents the orientation of the grid lines and the advantageously present oscillating electric field of the incident light.
  • a so-called half-wave plate 82316 or a corresponding one is located in front of the second modulator layer of the 2D modulator 1920-135-47-264 birefringent layer. This changes the polarization state.
  • This option is advantageous if a wire-grid polarizer through which the current flows is also used in the second, ie upper, modulator layer.
  • the second, ie upper, modulator layer can also be designed as a non-structured, metallic, electrically conductive surface. This generally does not require a half-wave plate arranged directly in front of it.
  • Another embodiment is the use of a non-structured, metallic, electrically conductive surface as the lower modulator layer (see FIG. 14). It is advantageous that the light coming from the right, i.e. the light reflected back from the surface to be optically touched, has a horizontally oscillating electrical field, i.e. that the E-field of the light oscillates perpendicular to the plane of incidence of the light modulator.
  • the half-wave plate 82316 optionally shown in FIG. 14, i.e. if the following modulator layer is designed, for example, as a non-structured, metallic, electrically conductive surface.
  • Beam splitters for example using beam splitter arrangements in such a way that two separate detector units are used or two separate parts of a detector unit.
  • Neutral beam splitters and polarization beam splitters are generally suitable for this.
  • Diffractive beam splitters can also be used, i.e. if, for example, a fixed design wavelength is used or several fixed design wavelengths. If different wavelengths are used, dichroic beam splitters can also be used for this.
  • FIG. 1 An embodiment which serves to increase the frequency range which can be modulated is shown in FIG.
  • An electromagnetic wave incident from the left is reflected several times on - here parallel - modulator layers.
  • significantly more than 10 reflections can be realized on a metallic, electrically conductive modulator layer through which the current flows.
  • this arrangement can also be expanded to a reflector or also to a retro reflector.
  • a direct current or an alternating current can be applied to the contacts, ie here to the contacts 2i and 2I 2 of the lower modulator layer and at the contacts 22 and 22 2 of the upper modulator layer. It is also possible to convert this modulator device into a rotationally symmetrical arrangement.
  • a capillary can be designed to be electrically conductive on its inside, that is to say, for example, have a thin metal layer there. Contacts are attached to both ends. A direct current or an alternating current can be applied to the contacts of a capillary. The directed current flow is set by the voltage difference AU 12 .
  • Polarization beam splitter or non-polarization-selective diffraction geometries, for example volume grating multiplex geometries, which are designed for perpendicular incidence and, however, a - component internal - reflection at a sufficiently large angle of incidence on a reflective surface, ie for example, have an angle of incidence> 10 0 , can be arranged over a modulator layer on which the - component internally - non-perpendicular reflection takes place.
  • some polarization beam splitters are listed in patent application DE102006016053B4 [2].
  • polarization change or polarization switch in connection with polarization beam splitters, for example also with diffractive polarization beam splitters, enables a sufficiently rapid switchover between different optical paths. These can be different modulation paths. For example, the angle can be changed in that the electromagnetic radiation hits the moving charge carriers of the modulator layer.
  • polarization switching can also be used in connection with switching between different optical paths to implement a sequential 2D frequency modification.
  • multiplex volume grids can be used for this purpose, which enable orthogonal polarizations to be separated.
  • volume holographic gratings which is based on the Bragg diffraction this among others at diffraction angles of 90 0 to 60 0 the case.
  • a polarization switch based on liquid crystal for example, can be synchronized in time with a changing current direction. Two orthogonal directions of incidence can thus be combined with two orthogonal current directions and synchronized in time.
  • a 2D frequency modification that takes place simultaneously can be implemented by, for example, orthogonally polarized components of a wavefront simultaneously fall on the modulator layer of a modulator device according to the invention.
  • These can have different values of the direction cosine in relation to the direction of the current flow.
  • a wavefront measurement can take place at a fixed, spectrally sufficiently narrow-band wavelength. Due to the relatively different values of the direction cosine, the frequency shift for orthogonal directions takes place along the wavefront to be measured in sufficiently different frequency ranges.
  • an increased difference in the values of the direction cosine must generally be implemented in the geometric design.
  • a multiplex twice along two directions separated by 90 0 may be for a wavelength or a wavelength range. This can be combined with polarization switching in order to implement a 2D Doppler frequency modification.
  • compliance with the Scheimpflug condition avoids perspective image distortion.
  • a 2D Doppler frequency modification is also possible without polarization switching, i.e. passively and in parallel.
  • a time-sequential switchover can also take place, which is explicitly not polarization-selective.
  • An arrangement of reduced complexity results from the reflection on a modulator layer in such a way that a wavefront to be measured experiences different Doppler shifts, for example along sufficiently orthogonal directions.
  • the reflected wavefront which is modulated in frequency in two directions, can be superimposed with a reference wavefront of a sufficiently small difference between the local angles of the wavefront normals.
  • the spatially resolved frequency analysis gives the value of orthogonal components of the locally present surface normal vector of the wavefront to be measured. It is also possible to work with a plane wave spectrum or with spectrally broad light sources, also in combination.
  • the boundary condition is compliance with the clear assignment of the frequency analysis to the wave field to be measured or the enabling of this by means of an adapted parameter variation, as is the case, for example, on the error separation method.
  • An interferometer arrangement is shown in FIG.
  • the basic type corresponds to a so-called Mach-Zehnder arrangement.
  • a part (rq / in plane of incidence) passes the beam splitter without deflection and hits a mirror substrate 19.
  • this part passes a second beam splitter cube 161920- II, which is selective with regard to the input polarization.
  • the one deflected at the first beam splitter Part hits a modulator device 1319 according to the invention.
  • a voltage is applied to the contacts 2i and 2i 2.
  • this part passes the second beam splitter cube 161920-II, which is selective here with regard to the input polarization, with a deflection.
  • the path difference based on the separation of the optical paths lies within the coherence length z c .
  • the interferometer arrangement can serve as an amplitude modulator, for example.
  • a measurement object can be arranged at least in one arm of the interferometer arrangement. This can be spatially extended and mapped onto a detector unit, for example a camera with a sufficiently high image repetition rate.
  • a Doppler shift can be introduced in several arms with a modulator device according to the invention.
  • the mirror substrate 19 from FIG. 16 has been replaced by a second modulator device 1319-II according to the invention, at the contacts 2i 2i and 2i 22 of which a voltage Un is applied, which causes a current I.
  • a voltage Ui is applied to the contacts 2i u and 2i 2 of the first modulator substrate 1319-I, which causes a current h.
  • the two Doppler shifts introduced can have different amounts and different signs.
  • the arrangement can serve as an amplitude modulator, for example.
  • a frequency shift can also be introduced on both optical paths in such a way that no amplitude modulation takes place.
  • a measurement object can be introduced into at least one of the two optical paths.
  • the arrangement in FIG. 18 shows how the polarization can be changed in such a way that the highest possible reflection coefficient is present at the modulator device.
  • a first 1/2 plate 823-I is arranged in front of the modulator device 1319-II and a second 1/2 plate 823- II behind the modulator device 1319-II.
  • this additional adaptation can be dispensed with by an adapted selection of the input polarization.
  • a Mach-Zehnder interferometer arrangement can be made monolithic. This is shown in FIG.
  • FIG. 19 which shows a modulator device according to an embodiment of the invention, in which the substrate has a polygonal surface, a first surface section of the substrate, which corresponds to a first (lower in FIG. 19) side of the polygon, with the Modulator layer 135 is coated.
  • a third surface section of the substrate, which corresponds to a third (on the right in FIG second lattice structure 111-227 is incident.
  • the monolithic modulator device 131326 has the coupling-in grating 511-227 on the input side, which can be a volume grating, for example. Part of the electromagnetic radiation is reflected by the modulator layer 135, at the contacts 2i and 2i 2 of which a voltage U is applied and through which a current I can flow.
  • the coupling-out grating 111-227 which can be, for example, a volume grating or a surface relief grating, is located on the exit side.
  • the modulator device from FIG. 19 can be modified in such a way that a retroreflector results.
  • Modulator devices which correspond to a retroreflector are shown in FIG.
  • a cube-shaped modulator device 131323 which is monolithic is shown in FIG. 20 a).
  • the grating structure 5111-7 represents the coupling-in grating and the coupling-out grating.
  • a centrally arranged absorber structure 151-1 is shown as an option.
  • a modulator device 131316, which has the shape of a polygon, is shown in FIG. 20 b).
  • the modulator layer 135 is composed here of seven subregions, ie, apart from the entry and exit areas, it is present on the entire circumference or on all polygon sides / surface sections. In the middle of the modulator, an optional absorber 151-2 is shown, which can serve to suppress stray light.
  • the modulator layer 135 is on the inside of a negative polygon.
  • the contacts 2i and 2i 2 are passed through the wall of the polygon.
  • the o-th diffraction order of the coupling-in and coupling-out grating 5111-7, shown here with 15-1215 can be used as a non-Doppler-shifted reference component.
  • the modulator units which are shown in FIGS. 20 a), b) and c) represent retro-reflectors or can be designed in such a way, or also in such a way that the waves of incidence and incidence do not run antiparallel. The interpretation can take place in such a way that there is one direction of rotation, or also in such a way that there are two opposite directions of rotation.
  • the internal circulation can, for example, also take place in two mutually orthogonal circulation planes.
  • the polarization selectivity and / or the wavelength selectivity of diffraction gratings can be designed in an adapted form.
  • Bragg diffraction-based volume gratings are advantageously suitable.
  • the arrangement in FIG. 21 shows an exemplary implementation of a Doppler frequency modification for applications in laser Doppler anemometry.
  • a modulator device according to the invention which is designed as a monolithic beam splitter 192016-23, has a modulator layer 135.
  • the substrate has a polygonal surface, a first surface section of the substrate, which corresponds to a first polygon side, being coated with the modulator layer 135.
  • a second surface section of the substrate which corresponds to a second polygon side, is permeable and is designed to couple a light beam into the substrate which is incident on the outside from the left on the second surface section.
  • the substrate has an inner inclined intermediate surface which is designed to partially reflect and partially transmit the light beam that is coupled into the substrate through the second surface section.
  • the light beam portion reflected on the inner intermediate surface is reflected inside the substrate, also on the modulator layer 135 and, after multiple internal reflection, is decoupled from the substrate by a third surface section of the substrate which corresponds to a third polygon side.
  • the portion of the light beam transmitted through the inner intermediate surface is reflected within the substrate and, after multiple internal reflection, is decoupled from the substrate by a fourth surface section of the substrate which corresponds to a fourth polygon side.
  • Two focusing lenses 12141-12 with relatively long focal lengths bundle the light beam components, which are respectively extracted through the third and fourth surface sections, in one
  • Interference plane or a measurement volume 1322-22 There is an interference pattern in this.
  • the integration of the modulator principle disclosed herein into the components of the laser Doppler anemometry can also take place using a diffractive beam splitting.
  • the running speed of the interference pattern and the running direction can be modulated.
  • the mutually orthogonal arrangement of three such arrangements can be used to detect flows three-dimensionally.
  • Example 1 The present disclosure relates to the following examples: Example 1:
  • Example 3 Structure according to Example 2, such that the electrically conductive layer is a thin layer that is metallic.
  • Example 8 Structure according to example 6, such that an analysis of the interference yields a statement about the spectral power density of incident electromagnetic radiation.
  • Example 9 is an autocollimator in which the resulting modulation is implemented as a principle for angle measurement.
  • Example 12 Structure according to Example 1, such that the charge carriers move in a capillary or in a light guide.
  • Example 12
  • Example 13 Method according to Example 10, such that a set of angles and / or a set of wavelengths can be used in measuring devices.

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Abstract

The invention relates to a modulator device for frequency modification of electromagnetic radiation by a reflecting current-carrying modulator layer. The invention also relates to an optical arrangement comprising such a modulator device and to a method for modulating a frequency and/or an amplitude of electromagnetic radiation using such a modulator device.

Description

Anordnung und Methode zur elektromagnetischen Frequenz-Modifikation Arrangement and method for electromagnetic frequency modification
GEBIET DER ERFINDUNG FIELD OF THE INVENTION
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Frequenz-Modifikation von elektromagnetischer Strahlung, die auf der Wechselwirkung elektromagnetischer Wellenfelder mit elektrischen Ladungen unter Einwirkung eines äußeren Feldes basiert und besonders kompakt und kostengünstig ist. Die Erfindung betrifft ferner eine optische Anordnung, die eine solche Modulator-Vorrichtung umfasst und ein Verfahren zum Modulieren einer Frequenz und/oder einer Amplitude einer elektromagnetischen Strahlung unter Verwendung einer solchen Modulator-Vorrichtung. The invention relates to an arrangement for the frequency modification of electromagnetic radiation, which is based on the interaction of electromagnetic wave fields with electrical charges under the action of an external field and is particularly compact and inexpensive. The invention further relates to an optical arrangement which comprises such a modulator device and a method for modulating a frequency and / or an amplitude of electromagnetic radiation using such a modulator device.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG BACKGROUND OF THE INVENTION
Eine Grundlage der Informationsübertragung ist die Modulation elektromagnetischer Wellen. Beispielsweise können Amplituden, Frequenzen, Phasen und Polarisations-Zustände moduliert werden. Außer in der Informationsübertragung spielt die Modulation elektromagnetischer Wellen auch in der optischen Messtechnik eine zunehmende Rolle. Parameter wie beispielsweise eine zu erreichende Frequenz-Bandbreite der Modulation, eine Baugröße, eine Anzahl benötigter Bauteile, die für die Bauteile benötigten Technologien, eine Robustheit des Systems, spektrale Eigenschaften des Systems, benötigte Fertigungstoleranzen und der Preis der Herstellung sind entscheidende Kriterien für die jeweilige Anwendung. The modulation of electromagnetic waves is one of the basis of the transmission of information. For example, amplitudes, frequencies, phases and polarization states can be modulated. In addition to the transmission of information, the modulation of electromagnetic waves is also playing an increasing role in optical measurement technology. Parameters such as the frequency bandwidth to be achieved for the modulation, the size, the number of components required, the technologies required for the components, the robustness of the system, the spectral properties of the system, the required manufacturing tolerances and the price of manufacture are decisive criteria for the respective Use.
In der dreidimensionalen Messtechnik, in der Mensch-Maschine-Interaktion und in der Sensorik, die für das autonome Fahren entwickelt wird, spielt die Frequenz -Modulation eine zunehmende Rolle. Eine Modulation elektromagnetischer Strahlung kann auch in Form einer gepulsten Abstrahlung und einer zeitlich segmentierten Abtastung erfolgen. Elektromagnetische Wellen weisen dabei typischerweise Wellenlängen von 1013 m bis ca. io4 m auf, vgl. G. Joos, „Lehrbuch der Theoretischen Physik“, Akademische Verlagsgesellschaft Geest & Portig K.-G., Leipzig (1956). Frequency modulation is playing an increasingly important role in three-dimensional measurement technology, in human-machine interaction and in sensor technology that is being developed for autonomous driving. A modulation of electromagnetic radiation can also take place in the form of a pulsed emission and a time-segmented sampling. Electromagnetic waves typically have wavelengths of 10 13 m to about 10 4 m, see G. Joos, “Textbook of Theoretical Physics”, Akademische Verlagsgesellschaft Geest & Portig K.-G., Leipzig (1956).
Es gibt eine Reihe von Anordnungen, die zur Modulation elektromagnetischer Strahlung geeignet sind. Diese sind jeweils für einen eingeschränkten Wellenlängen-Bereich ausgelegt bzw. nur für diesen anwendbar. Für den Bereich der sogenannten Radiowellen (Wellenlängen von 1 m bis 10 km) bis hin zu den Mikrowellen (Wellenlängen von 1 mm bis 1 m), die für die mobile Kommunikation eine zunehmende Rolle spielen, gibt es durchstimmbare und beispielsweise in der Frequenz zu modulierende Frequenzgeneratoren. Durch variable Änderung, bzw. durch die Modulation der Induktivität und der Kapazität eines Schwingkreises kann dessen Resonanz-Frequenz variiert werden. Über an den Wellenlängen-Bereich angepasste Antennen kann eine effektive Abstrahlung modulierter Wellen-Felder erfolgen. There are a number of arrangements that are suitable for modulating electromagnetic radiation. These are each designed for a restricted wavelength range or can only be used for this. For the range of so-called radio waves (wavelengths from 1 m to 10 km) to microwaves (wavelengths from 1 mm to 1 m), which are playing an increasing role in mobile communication, there are tunable and for example frequency generators to be modulated in frequency. The resonance frequency of an oscillating circuit can be varied by means of a variable change or by modulating the inductance and capacitance of an oscillating circuit. An effective radiation of modulated wave fields can take place via antennas adapted to the wavelength range.
Für den Bereich sichtbaren Lichtes, d.h. für Wellenlängen von beispielsweise 405 nm bis 780 nm, und für den in der Telekommunikation genutzten nahen infraroten Spektralbereich, d.h. für Wellenlängen von beispielsweise 780 nm bis 3 pm, werden sogenannte akusto-optische Modulatoren zur Einführung einer Frequenzverschiebung eingesetzt. Ein sich durch einen Kristall bewegendes Bragg-Gitter dient zur Beugung von Laser-Strahlen. Dabei wird i.A. die Modulations-Frequenz, mit der ein piezoelektrischer Wandler betrieben wird, auf die elektromagnetische Strahlung moduliert. Typische Frequenzen der Modulation liegen im Bereich von 1 MHz bis 1 GHz. Frequenz-Bereichserweiterungen sind mittels Differenz- Schaltungen bzw. mittels Hintereinander-Schaltung möglich. Dies führt zu einer weiteren Erhöhung des Bauraumes. Die spektrale Transmission ist vom Material, i.A. Kristalle, abhängig. Eine notwendige Randbedingung und eine Limitierung für akzeptable Wellenlängen und Winkel ist die Einhaltung der sogenannten Bragg-Bedingung, ausgenommen im sogenannten Raman-Nath Regime, welches nur geringe Beugungswirkungsgrade aufweist. For the range of visible light, ie for wavelengths from 405 nm to 780 nm, for example, and for the near infrared spectral range used in telecommunications, ie for wavelengths from 780 nm to 3 pm, for example, so-called acousto-optical modulators are used to introduce a frequency shift . A Bragg grating moving through a crystal is used to diffract laser beams. In general, the modulation frequency with which a piezoelectric transducer is operated is modulated onto the electromagnetic radiation. Typical frequencies of the modulation are in the range from 1 MHz to 1 GHz. Frequency range extensions are possible by means of differential circuits or by means of one behind the other. This leads to a further increase in the installation space. The spectral transmission depends on the material, i.e. crystals. A necessary boundary condition and a limitation for acceptable wavelengths and angles is compliance with the so-called Bragg condition, with the exception of the so-called Raman-Nath regime, which has only low diffraction efficiencies.
Pockels-Zellen können zur Phasenmodulation und/oder zur Änderung eines Polarisations- Zustandes eingesetzt werden. In Kombination mit einem Analysator ergibt sich die Möglichkeit einer Amplitudenmodulation. Beispielsweise kann auch im MHz Bereich moduliert werden. Nachteilig sind dabei zu erzeugende hohe Spannungen (~ kV) und der Preis der Kristalle und der Elektronik. Die spektrale Transmission ist vom Material des Kristalls abhängig, welches i.A. einen möglichst hohen elektrooptischen Koeffizienten aufweist. Eine Reduzierung der Bauform ist limitiert. Pockels cells can be used for phase modulation and / or for changing a polarization state. In combination with an analyzer, there is the possibility of amplitude modulation. For example, it is also possible to modulate in the MHz range. The high voltages (~ kV) to be generated and the price of the crystals and the electronics are disadvantageous. The spectral transmission depends on the material of the crystal, which generally has the highest possible electro-optical coefficient. A reduction in the design is limited.
Im niederfrequenten Bereich, beispielsweise bis ca. 10 kHz, kann elektromagnetische Strahlung u.a. auch mit Flüssigkristall-Zehen oder mit mikromechanischen Bauteilen (MEMS) in der Amplitude moduliert werden. Mittels Flüssigkristall-Zellen ist auch eine hinreichend einfache Modulation der Phase, oder des Polarisations-Zustandes möglich. In the low-frequency range, for example up to approx. 10 kHz, the amplitude of electromagnetic radiation can also be modulated with liquid crystal toes or with micromechanical components (MEMS). A sufficiently simple modulation of the phase or the polarization state is also possible by means of liquid crystal cells.
Im Sagnac-Interferometer bewegt sich eine Lichtquelle in einer Ring-Resonator-Anordnung. Wellen dieser Lichtquelle breiten sich auf zueinander gegenläufigen optischen Pfaden aus. In Abhängigkeit von der vorliegenden Winkel-Geschwindigkeit kann eine Frequenzänderung im Interferenz-Signal detektiert werden. Das Mess-Prinzip beruht auf der Doppler-Verschiebung. Zudem gibt es eine Reihe weiterer Möglichkeiten der Modulation elektromagnetischer Strahlung, beispielsweise mittels variabel gedrehter Analysatoren, d.h. mittels Polarisations- Filtern, oder mittels anderer Anordnungen. ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG In the Sagnac interferometer, a light source moves in a ring resonator arrangement. Waves from this light source propagate along opposing optical paths. A frequency change in the interference signal can be detected as a function of the angular velocity present. The measuring principle is based on the Doppler shift. There are also a number of other options for modulating electromagnetic radiation, for example by means of variably rotated analyzers, ie by means of polarization filters, or by means of other arrangements. SUMMARY OF THE INVENTION
Der vorliegenden Erfindung hegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung bereitzustellen, durch die Funktionen verschiedener Bauteile, wie beispielsweise akusto-optischer Modulatoren, ersetzend implementiert werden können, allerdings in kompakterer Bauform, mit einer geringeren Anzahl von Bauteilen und/oder in einem kleineren Bauvolumen. Diese Aufgabe wird durch eine Modulator-Vorrichtung zum Modulieren einer Frequenz und/oder einer Amplitude einer elektromagnetischen Strahlung gemäß dem Anspruch l gelöst. The present invention is based on the object of providing a device through which functions of various components, such as acousto-optical modulators, can be implemented as replacements, but in a more compact design, with a smaller number of components and / or in a smaller overall volume. This object is achieved by a modulator device for modulating a frequency and / or an amplitude of electromagnetic radiation according to claim 1.
„Modulator-Vorrichtung“ kann hierin insbesondere jede Vorrichtung bezeichnen, die zum Modulieren einer Frequenz und/oder einer Amplitude einer elektromagnetischen Strahlung bzw. eines Lichtstrahls geeignet ist und/oder jede Komponente einer optischen Anordnung, der innerhalb der optischen Anordnung die Funktion zukommt, eine Frequenz und/oder eine Amplitude einer elektromagnetischen Strahlung bzw. eines Lichtstrahls zu modulieren. „Frequenz modulieren“ kann hierin insbesondere bedeuten, dass eine Frequenz einer elektromagnetischen Strahlung bzw. eines Lichtstrahls gezielt verändert bzw. verschoben wird. „Amplitude modulieren“ kann hierin insbesondere bedeuten, dass eine Amplitude einer elektromagnetischen Strahlung bzw. eines Lichtstrahls gezielt verändert bzw. eingestellt wird. Eine Amplitude kann auch mittelbar durch eine Frequenzmodulation moduliert werden. Die erfindungsgemäße Modulator-Vorrichtung umfasst ein Substrat, das zumindest abschnittsweise mit einer Modulator-Schicht beschichtet ist. Das Substrat kann jede Materialzusammensetzung aufweisen, solange es seinen erfindungsgemäßen Aufgaben gerecht wird, die hauptsächlich darin bestehen, die darauf hegende Modulator-Schicht zu tragen. Das Substrat kann insbesondere ein dielektrisches Material aufweisen. “Modulator device” can in particular denote any device that is suitable for modulating a frequency and / or an amplitude of electromagnetic radiation or a light beam and / or each component of an optical arrangement that performs the function within the optical arrangement To modulate frequency and / or an amplitude of an electromagnetic radiation or a light beam. “Modulate frequency” here can mean in particular that a frequency of electromagnetic radiation or a light beam is specifically changed or shifted. “Modulate amplitude” can mean in particular that an amplitude of an electromagnetic radiation or a light beam is specifically changed or adjusted. An amplitude can also be modulated indirectly by frequency modulation. The modulator device according to the invention comprises a substrate which is coated at least in sections with a modulator layer. The substrate can have any material composition as long as it fulfills its tasks according to the invention, which mainly consist in supporting the modulator layer lying thereon. The substrate can in particular have a dielectric material.
Die Modulator-Schicht ist für die zu modulierende elektromagnetische Strahlung zumindest teilweise reflektierend. Insofern kann die Modulator-Schicht zumindest einen Teil der zu modulierenden elektromagnetischen Strahlung, die auf die Modulator-Schicht einfällt, reflektieren. Die Modulator-Schicht bildet somit eine reflektierende Schicht bzw. eine reflektierende Fläche der Modulator-Vorrichtung. In manchen Ausführungsformen kann die Modulator-Schicht eine darauf einfallende elektromagnetische Strahlung vollständig reflektieren. Ferner ist die Modulator-Schicht elektrisch leitend. Dies bedeutet, dass die Modulator-Schicht freie Ladungsträger umfasst, die bei Anlegung eines elektrischen Feldes bzw. einer elektrischen Spannungsdifferenz an die Modulator-Schicht einen entsprechenden elektrischen Strom entstehen lassen. Die Ladungsträger der Modulator-Schicht können beispielsweise negativ geladene Elektronen, positiv geladene Elektronenlöcher oder geladene Ionen sein oder umfassen. The modulator layer is at least partially reflective for the electromagnetic radiation to be modulated. To this extent, the modulator layer can reflect at least part of the electromagnetic radiation to be modulated that is incident on the modulator layer. The modulator layer thus forms a reflective layer or a reflective surface of the modulator device. In some embodiments, the modulator layer can completely reflect electromagnetic radiation incident thereon. Furthermore, the modulator layer is electrically conductive. This means that the modulator layer comprises free charge carriers which, when an electrical field or an electrical voltage difference is applied to the modulator layer, create a corresponding electrical current. The charge carriers of the modulator layer can, for example, be or include negatively charged electrons, positively charged electron holes or charged ions.
Die erfindungsgemäße Modulator-Vorrichtung umfasst ferner eine einstellbare Stromquelle. Die Stromquelle ist insbesondere dazu eingerichtet, ein einstellbares elektrisches Feld bzw. eine einstellbare elektrische Spannungsdifferenz zu erzeugen. Die Stromquelle kann eine Gleichstromquelle oder eine Wechselstromquelle sein. Die Stromquelle kann vorzugsweise eine Konstantstromquelle sein. The modulator device according to the invention further comprises an adjustable current source. The current source is set up in particular to generate an adjustable electrical field or an adjustable electrical voltage difference. The power source can be a direct current source or an alternating current source. The current source can preferably be a constant current source.
Die erfindungsgemäße Modulator-Vorrichtung umfasst ferner eine erste elektrische Kontaktierung und eine zweite elektrische Kontaktierung. Die erste elektrische Kontaktierung und die zweite elektrische Kontaktierung sind zum Anlegen eines von der Stromquelle erzeugten elektrischen Feldes bzw. einer von der Stromquelle erzeugten elektrischen Spannungsdifferenz an die Modulator-Schicht eingerichtet. Die erste elektrische Kontaktierung und die zweite elektrische Kontaktierung können mit der Stromquelle und der Modulator-Schicht elektrisch verbunden sein, so dass ein von der Stromquelle erzeugtes elektrisches Feld bzw. eine von der Stromquelle erzeugte elektrische Spannungsdifferenz an die Modulator-Schicht zwischen der ersten elektrischen Kontaktierung und der zweiten elektrischen Kontaktierung angelegt werden kann. Die erste elektrische Kontaktierung und die zweite elektrische Kontaktierung können auf der Modulator-Schicht angeordnet sein. The modulator device according to the invention further comprises a first electrical contact and a second electrical contact. The first electrical contact and the second electrical contact are set up to apply an electrical field generated by the power source or an electrical voltage difference generated by the power source to the modulator layer. The first electrical contact and the second electrical contact can be electrically connected to the power source and the modulator layer, so that an electric field generated by the power source or an electrical voltage difference generated by the power source is applied to the modulator layer between the first electrical contact and the second electrical contact can be applied. The first electrical contact and the second electrical contact can be arranged on the modulator layer.
Wird ein elektrisches Feld bzw. eine elektrische Spannungsdifferenz an die Modulator-Schicht angelegt, bewirkt dies, dass sich die freien Ladungsträger der Modulator-Schicht in Bewegung setzen und somit einen entsprechenden elektrischen Strom durch die Modulator-Schicht zwischen der ersten elektrischen Kontaktierung und der zweiten elektrischen Kontaktierung entstehen lassen. Somit bildet die Modulator-Schicht eine reflektierende Schicht bzw. eine reflektierende Fläche der Modulator-Vorrichtung, an der elektromagnetische Strahlung reflektiert werden kann, und die durch einen elektrischen Strom durchflossen ist. Insofern kann die Modulator-Vorrichtung der Erfindung in einer optischen Anordnung als reflektierendes Bauteil verwendet werden, beispielsweise um einen Spiegel zu ersetzen. If an electrical field or an electrical voltage difference is applied to the modulator layer, this causes the free charge carriers of the modulator layer to set in motion and thus a corresponding electrical current through the modulator layer between the first electrical contact and the second Let electrical contact arise. The modulator layer thus forms a reflective layer or a reflective surface of the modulator device, on which electromagnetic radiation can be reflected and through which an electric current flows. To this extent, the modulator device of the invention can be used in an optical arrangement as a reflective component, for example to replace a mirror.
Eine auf die Modulator-Schicht einfallende elektromagnetische Strahlung stellt ein oszillierendes Wechselfeld dar. Die Oszillation des elektromagnetischen Feldes treibt die freien Ladungsträger der Modulator-Schicht zur Oszillation an, so dass diese die einfallende elektromagnetische Strahlung emittieren. Dadurch kommt eine Reflexion zustande. Die hinreichend schnelle Bewegung der Ladungsträger, die bei der Reflexion als Quellen elektromagnetischer Strahlung wirken, erzeugt eine Doppler-Verschiebung. I.A. wird in der Detektion der Betrag der spektralen Verschiebung maximal, wenn diese in oder entgegen der Bewegungsrichtung erfolgt. An electromagnetic radiation incident on the modulator layer represents an oscillating alternating field. The oscillation of the electromagnetic field drives the free Charge carriers of the modulator layer for oscillation, so that they emit the incident electromagnetic radiation. This creates a reflection. The sufficiently rapid movement of the charge carriers, which act as sources of electromagnetic radiation during reflection, creates a Doppler shift. In general, the magnitude of the spectral shift is maximal in the detection if this occurs in or against the direction of movement.
Die stromdurchflossene Modulator-Schicht fungiert somit nicht nur als reflektierende Schicht, sondern zusätzlich auch als sekundäre Strahlungsquelle. Die Reflexion von elektromagnetischer Strahlung, wie beispielsweise Licht, an Ladungsträgern kann als Realisierung einer sekundären Strahlungsquelle betrachtet werden. Dies eröffnet die Möglichkeit der gezielten Modifikation der Eigenschaften der sekundären Strahlungsquelle, insbesondere durch eine gezielte Einstellung des angelegten elektrischen Feldes. Die hier betrachtete Modifikation bezieht sich insbesondere auf eine Frequenz-Modulation. Dabei wird eine Frequenz v0 einer auf die Modulator-Schicht einfallenden elektromagnetischen Strahlung um eine Frequenzverschiebung Dn modifiziert. Die gezielt eingestellte Frequenzverschiebung kann positive oder negative Werte annehmen. D.h., Dn kann positiv oder negativ sein. Die am Ausgang eines Modulators resultierende Frequenz vAusgang, d. h. die Frequenz der von der Modulator-Vorrichtung reflektierten elektromagnetischen Strahlung, kann somit größer oder kleiner sein als die Frequenz v0, welche am Eingang des Modulators anliegt, d.h. als die Frequenz der auf die Modulator-Schicht einfallenden elektromagnetischen Strahlung. The modulator layer through which current flows thus not only functions as a reflective layer, but also as a secondary radiation source. The reflection of electromagnetic radiation, such as light, on charge carriers can be viewed as the implementation of a secondary radiation source. This opens up the possibility of targeted modification of the properties of the secondary radiation source, in particular through targeted adjustment of the applied electric field. The modification considered here relates in particular to frequency modulation. A frequency v 0 of electromagnetic radiation incident on the modulator layer is modified by a frequency shift Dn. The specifically set frequency shift can assume positive or negative values. That is, Dn can be positive or negative. The resulting at the output of a modulator frequency v A usgan g, ie the frequency of the light reflected from the modulator device electromagnetic radiation may thus be greater or less than the frequency v 0, which is present at the input of the modulator, ie, as the frequency of the on the modulator layer incident electromagnetic radiation.
Darauf basierend kann die erfindungsgemäße Modulator-Vorrichtung ein optisches Bauteil funktional ersetzen und/oder verbessern. Beispielsweise kann der Arbeitsbereich eines Standard Heterodyne-Interferometers vergrößert werden, indem eine Zusatz-Doppler- Verschiebung mithilfe einer erfindungsgemäßen Modulator-Vorrichtung eingeführt wird. Dabei kann die erfindungsgemäße Modulator-Vorrichtung eine Frequenz auf die einfallende elektromagnetische Strahlung addieren oder subtrahieren. Dies entspricht einer Anpassung des Frequenzbereiches. Es ist sehr vorteilhaft, wenn sich dies kompakt, mit vertretbarem technologischem Aufwand und kostengünstig realisieren lässt, wie es die erfindungsgemäße Modulator-Vorrichtung ermöglicht. Based on this, the modulator device according to the invention can functionally replace and / or improve an optical component. For example, the working range of a standard heterodyne interferometer can be enlarged by introducing an additional Doppler shift with the aid of a modulator device according to the invention. The modulator device according to the invention can add or subtract a frequency to the incident electromagnetic radiation. This corresponds to an adaptation of the frequency range. It is very advantageous if this can be implemented in a compact manner, with justifiable technological outlay and cost-effectively, as is possible with the modulator device according to the invention.
Auf der Grundlage der Wechselwirkung der einfallenden elektromagnetischen Strahlung mit Ladungsträgern, insbesondere mit den freien Ladungsträgern der Modulator-Schicht, können definiert steuerbare bzw. definiert einstellbare Frequenzverschiebungen realisiert werden. Die freien Ladungsträger der Modulator-Schicht werden, genauso wie beispielsweise Ladungsträger in Metallen oder auch in dotierten Halbleitern, durch Anlegen einer von der Stromquelle erzeugten elektrischen Spannung in eine gerichtete Bewegung überführt. Der sich daraus ergebende elektrische Strom I ist mit I = U/R der angelegten Spannung U und dem Widerstand R proportional. Er entspricht, beispielsweise betrachtet in einem definierten Volumen, der zeitlichen Änderung an Ladungsträgern, d.h. I = dQ/dt. On the basis of the interaction of the incident electromagnetic radiation with charge carriers, in particular with the free charge carriers of the modulator layer, frequency shifts that can be controlled or set in a defined manner can be implemented. The free charge carriers of the modulator layer, just like charge carriers in metals or also in doped semiconductors, are converted into a directional movement by applying an electrical voltage generated by the power source. The resulting electrical current I is proportional to the applied voltage U and the resistance R with I = U / R. Considered for example in a defined volume, it corresponds to the change in charge carriers over time, ie I = dQ / dt.
Die freien Ladungsträger werden im anliegenden elektrischen Feld beschleunigt. Dies erfolgt bis zu dem Zeitpunkt, da die Ladungsträger ihre Drift-Geschwindigkeit Vd erreicht haben. Dies entspricht einem Kräftegleichgewicht zwischen beschleunigender Kraft und der Kraft, die durch die Widerstand-Wechselwirkung mit der Modulator-Schicht, die beispielsweise ein Metall-Gitter aufweisen kann, entsteht. Mit steigender Spannung U erhöht sich v , d.h. bis zu ihrem Maximalwert v,i max., der u.a. von der Temperatur T abhängig ist. The free charge carriers are accelerated in the applied electric field. This takes place until the point in time when the charge carriers have reached their drift speed V d . This corresponds to an equilibrium of forces between the accelerating force and the force that arises from the resistance interaction with the modulator layer, which can have a metal grid, for example. With increasing voltage U, v increases, ie up to its maximum value v, i max ., Which depends on temperature T, among other things.
Eine Verringerung der Temperatur T führt i.A. zu einer Verringerung des elektrischen Widerstandes R. Eine Verringerung der Temperatur kann im Sinne der Erfindung vorteilhaft zur Erhöhung der Drift-Geschwindigkeit V bzw. zur Erhöhung ihres Maximalwertes Vd max verwendet werden. Daraus ergibt sich eine vorteilhafte Anwendung der hierin offenbarten Ausführungsformen bei tiefen und sehr tiefen Temperaturen. A reduction in the temperature T generally leads to a reduction in the electrical resistance R. A reduction in the temperature can advantageously be used in the context of the invention to increase the drift speed V or to increase its maximum value V d max . This results in an advantageous application of the embodiments disclosed herein at low and very low temperatures.
In manchen Ausführungsformen kann die Modulator-Schicht einen Supraleiter aufweisen, vorzugsweise einen Hochtemperatur-Supraleiter. Die Verwendung von Supraleitern ist vorteilhaft. Elektronen in Supraleitern, bei zugehöriger Temperatur, können höhere Geschwindigkeiten erreichen als Elektronen in Standard-Metallen, bei Raumtemperatur. Als reflektierende, vom Strom durchflossene Leiter bieten sich beispielsweise die sogenannten Hochtemperatur-Supraleiter an. Hochtemperatur-Supraleiter können mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden. Die Kühlung mit flüssigem Stickstoff ist wesentlich preiswerter als die Kühlung mit flüssigem Helium, wie diese für den Betrieb von Standard Supraleitern benötigt wird. Es gibt auch keramische Supraleiter, die verwendet werden können. In some embodiments, the modulator layer can have a superconductor, preferably a high-temperature superconductor. The use of superconductors is advantageous. Electrons in superconductors, at the appropriate temperature, can reach higher speeds than electrons in standard metals, at room temperature. The so-called high-temperature superconductors, for example, are suitable as reflective conductors through which the current flows. High-temperature superconductors can be cooled with liquid nitrogen. Cooling with liquid nitrogen is much cheaper than cooling with liquid helium, as is required for the operation of standard superconductors. There are also ceramic superconductors that can be used.
In manchen Ausführungsformen kann die Modulator-Schicht einen normalen Leiter aufweisen, insbesondere ein Metall. Die Verwendung bewegter Ladungsträger im Metall ist allerdings eine Möglichkeit von mehreren. Es lassen sich die Methoden und Anordnungen auf bewegte Ladungsträger i.A. anwenden, d.h. beispielsweise auch auf bewegte Ladungsträger in Lösungen, auf Ionen, Anionen und Kationen, und auf Löcher in Halbleitern. In manchen Ausführungsformen kann die Modulator-Schicht somit beispielsweise einen Halbleiter umfassen. In some embodiments, the modulator layer can have a normal conductor, in particular a metal. The use of moving charge carriers in the metal is, however, one of several possibilities. The methods and arrangements can generally be applied to moving charge carriers, ie for example also to moving charge carriers in solutions, to ions, anions and cations, and to holes in semiconductors. In some In embodiments, the modulator layer can thus comprise a semiconductor, for example.
Als Summe der einzelnen Abstrahlungen der Ladungsträger der Modulator-Schicht ergibt sich ein exponentieller Abfall der senkrecht zur Oberfläche der Modulator-Schicht vorliegenden Strahlungsenergie. Die Eindringtiefe ist vom Material der Modulator-Schicht bzw. von der Ladungsträger-Dichte der Modulator-Schicht abhängig. Sie kann beispielsweise bei Metallen im Bereich des Bruchteils einer Wellenlänge der einfallenden elektromagnetischen Strahlung liegen. Es handelt sich somit bei der Reflexion an einer metallischen Modulator-Schicht um einen sehr oberflächennahen Effekt. The sum of the individual emissions from the charge carriers of the modulator layer results in an exponential drop in the radiation energy present perpendicular to the surface of the modulator layer. The penetration depth depends on the material of the modulator layer or on the charge carrier density of the modulator layer. In the case of metals, for example, it can be in the range of a fraction of a wavelength of the incident electromagnetic radiation. The reflection on a metallic modulator layer is therefore an effect that is very close to the surface.
Die im betrachteten zeitlichen Mittel gerichtete Bewegung der Ladungsträger der Modulator- Schicht, welche wie vorstehend erläutert als sekundäre Strahlungsquelle fungieren und elektromagnetische Strahlung emittieren kann, ist gleichbedeutend mit der Einführung einer Doppler-Verschiebung, welche auf eine einfallende elektromagnetische Welle wirkt, die von der Modulator-Schicht reflektiert wird. Insofern weist ein an der Modulator-Schicht reflektierter Anteil der einfallenden elektromagnetischen Welle eine Frequenzverschiebung in Bezug auf diese auf. Vorzugsweise kann die Modulator-Schicht verhältnismäßig dünn sein. Die Modulator-Schicht kann eine Dicke im sichtbaren Wellenlängenbereich aufweisen, beispielsweise eine Dicke von bis zu too pm, insbesondere von too nm bis zu too pm, und die Stromquelle kann vorzugsweise eine Gleichstromquelle sein. The directional movement of the charge carriers of the modulator layer, which, as explained above, can function as a secondary radiation source and emit electromagnetic radiation, is the same as the introduction of a Doppler shift, which acts on an incident electromagnetic wave generated by the modulator -Layer is reflected. In this respect, a portion of the incident electromagnetic wave that is reflected on the modulator layer exhibits a frequency shift in relation to this. The modulator layer can preferably be relatively thin. The modulator layer can have a thickness in the visible wavelength range, for example a thickness of up to too pm, in particular from too nm to too pm, and the current source can preferably be a direct current source.
Der beschriebene Effekt ist oberflächennah. Die Modulator-Vorrichtung der Erfindung ermöglicht die Verwendung des Skin-Effektes bei hinreichend hohen Frequenzen eines Wechselstromes für die Ladungsträger der Modulator-Schicht zur räumlichen Einschränkung. Des Weiteren ermöglicht die Modulator-Vorrichtung der Erfindung die Verwendung der Eindringtiefe von elektromagnetischen Wellen, die auf die Modulator-Schicht einfallen, auch ohne Skin-Effekt, zur Untersuchung der Homogenität der Drift-Geschwindigkeit in Oberflächennähe. Wenn die Modulator-Schicht hinreichend dünn ist, z.B. wenn die Modulator-Schicht als eine io nm dicke Chrom-Schicht ausgeführt ist, kann in Reflexion und in Transmission gemessen werden, d.h. zumindest im sichtbaren Spektral-Bereich und auch im nahen Infrarot-Bereich, wobei eine Differenzmessung bis zu einem bestimmten Grad, d.h. entsprechend der Integration über das Volumen, eine Trennung von Oberfläche und Volumen ermöglicht. I.A. kann mittels Erhöhung der Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung die Eindringtiefe erhöht werden. D.h. es kann beispielsweise zerstörungsfreie Analytik bis in den THz Bereich elektromagnetischer Strahlung auf diese Art und Weise angewandt werden. Die reflektierende Modulator-Schicht der erfindungsgemäßen Modulator-Vorrichtung, die als metallische Oberfläche ausgeführt sein kann, kann beispielsweise durch eine Reihe von Beschichtungsverfahren und auch in kompakter Form hergestellt werden. Ein eventuell notwendiger Schutz vor Korrosion oder vor einer Degradierung der Modulator-Schicht kann beispielsweise durch eine zusätzlich aufgebrachte transparente und dabei möglichst kompakte Oxid-Schicht realisiert werden, d.h. beispielsweise aus Si02. The described effect is close to the surface. The modulator device of the invention enables the use of the skin effect at sufficiently high frequencies of an alternating current for the charge carriers of the modulator layer for spatial restriction. Furthermore, the modulator device of the invention enables the use of the penetration depth of electromagnetic waves that fall on the modulator layer, even without a skin effect, to investigate the homogeneity of the drift speed in the vicinity of the surface. If the modulator layer is sufficiently thin, e.g. if the modulator layer is designed as a 10 nm thick chrome layer, measurements can be made in reflection and transmission, i.e. at least in the visible spectral range and also in the near infrared range, whereby a differential measurement up to a certain degree, ie according to the integration over the volume, enables a separation of surface and volume. In general, the depth of penetration can be increased by increasing the wavelength of the electromagnetic radiation. This means that, for example, non-destructive analysis down to the THz range of electromagnetic radiation can be used in this way. The reflective modulator layer of the modulator device according to the invention, which can be designed as a metallic surface, can be produced, for example, by a number of coating processes and also in compact form. A possibly necessary protection against corrosion or against degradation of the modulator layer can be implemented, for example, by an additionally applied transparent and thereby as compact as possible oxide layer, ie for example made of SiO 2 .
Die Frequenzverschiebung infolge einer Reflexion an der erfindungsgemäßen Modulator- Vorrichtung wird bei einem schrägen Einfall der einfallenden elektromagnetischen Strahlung auf die Modulator-Schicht maximiert. Beispielhaft wird für die Ebene der Modulator-Schicht eine x-y-Ebene angenommen, in der sich die Ladungsträger in Richtung der x-Achse bewegen, d.h. in Richtung des Einheitsvektors der x-Achse, ex. Ist die Einfalls-Richtung es 0 der einfallenden elektromagnetischen Strahlung parallel zu ex, d.h. der Winkel a(e,s 0, v ) zwischen der einfallenden elektromagnetischen Welle und der Bewegungsrichtung der Ladungsträger ist gleich Null, so wird eine Grundfrequenz maximal zu einem positiven Wert verschoben, der durch die Geschwindigkeit der Ladungsträger bestimmt wird. Die resultierende Frequenz V des Teils der einfallenden elektromagnetischen Strahlung, der an der Modulator-Schicht reflektiert wird, ergibt sich zu Vi = v0 x (V(i-ß2)) / (1 - ß x cos(a)) mit ß = Vd /c. Hier ist c die Lichtgeschwindigkeit und Vd die Geschwindigkeit der Ladungsträger. Eine Reflexion unter schrägem bzw. möglichst schrägem Einfall ist somit bevorzugt. The frequency shift as a result of a reflection at the modulator device according to the invention is maximized in the event of an oblique incidence of the incident electromagnetic radiation on the modulator layer. As an example, an xy plane is assumed for the plane of the modulator layer, in which the charge carriers move in the direction of the x-axis, ie in the direction of the unit vector of the x-axis, e x . If the direction of incidence es 0 of the incident electromagnetic radiation is parallel to e x , i.e. the angle a (e, s 0 , v) between the incident electromagnetic wave and the direction of movement of the charge carriers is equal to zero, a fundamental frequency becomes at most positive Shifted value, which is determined by the speed of the charge carriers. The resulting frequency V of the part of the incident electromagnetic radiation that is reflected on the modulator layer results from Vi = v 0 x (V (i-ß 2 )) / (1 - ß x cos (a)) with ß = Vd / c. Here c is the speed of light and V d is the speed of the charge carriers. A reflection at an incline or as inclined as possible is therefore preferred.
Um den Fehler der eingeführten Frequenzverschiebung Dn gering zu halten, ist es vorteilhaft, die elektrisch leitende Modulator-Schicht, welche die beweglichen Ladungsträger beinhaltet, in einer sogenannten Messschaltung zu betreiben. Die Erzeugung konstanter Ströme ist Stand der Technik. In order to keep the error of the introduced frequency shift Dn low, it is advantageous to operate the electrically conductive modulator layer, which contains the movable charge carriers, in a so-called measuring circuit. The generation of constant currents is state of the art.
Eine Frequenzverschiebung Dn eines Wellenfeldes kann in ein zeitlich moduliertes Signal umgewandelt werden, wenn zwei hinreichend kohärente Wellenfelder unterschiedlicher Frequenz überlagert werden. Ist der Frequenz-Unterschied zwischen beiden überlagerten Wellenfeldern konstant, so ergibt sich in der Amplitude eine sinusförmige Modulation, d.h. hier beispielsweise mit einer festen Frequenz, d.h. Schwebungsfrequenz, die der Frequenzverschiebung Dn entspricht. A frequency shift Dn of a wave field can be converted into a time-modulated signal if two sufficiently coherent wave fields of different frequencies are superimposed. If the frequency difference between the two superimposed wave fields is constant, a sinusoidal modulation results in the amplitude, i.e. here, for example, with a fixed frequency, i.e. beat frequency, which corresponds to the frequency shift Dn.
Insofern kann die erfindungsgemäße Modulator-Vorrichtung dazu verwendet werden, ein zeitlich moduliertes Signal dadurch zu erzeugen, dass ein an der Modulator-Schicht reflektierter Teil einer auf die Modulator-Schicht einfallenden elektromagnetischen Strahlung, der eine Frequenzverschiebung gegenüber der einfallenden elektromagnetischen Strahlung aufweist, mit der einfallenden elektromagnetischen Strahlung bzw. mit einem nicht reflektierten Teil der einfallenden elektromagnetischen Strahlung interferierend überlagert wird. Ein nicht reflektierter Teil der einfallenden elektromagnetischen Strahlung kann dabei ein durch die Modulator-Vorrichtung transmittierter Teil der einfallenden elektromagnetischen Strahlung sein. Zur hierbei nötigen Überlagerung kann eine Interferometer-Anordnung verwendet werden, die eine erfindungsgemäße Modulator- Vorrichtung umfasst, die wie vorstehend erläutert als frequenzverschiebender Spiegel eingesetzt wird. Die Interferometer-Anordnung kann beispielsweise ein sogenanntes Mach- Zehnder-Interferometer, ein Twyman-Green-Interferometer oder ein Michelson- Interferometer sein. Infolge der Integration der erfindungsgemäßen Modulator-Vorrichtung in eine Interferometer-Anordnung kann die Anzahl der in Summe benötigten Bauteile der Interferometer- Anordnung reduziert werden. Im Vergleich zum Stand der Technik kann somit eine Interferometer-Anordnung mit einem reduzierten Bauraum realisiert werden. Eine Frequenz-Modulation lässt sich mithilfe einer solchen Interferometer-Anordnung in eine Amplituden-Modulation umwandeln. In this respect, the modulator device according to the invention can be used to generate a time-modulated signal in that a portion of electromagnetic radiation incident on the modulator layer that is reflected on the modulator layer has a frequency shift compared to the incident electromagnetic radiation has, with the incident electromagnetic radiation or with a non-reflected part of the incident electromagnetic radiation is superimposed in an interfering manner. A non-reflected part of the incident electromagnetic radiation can be a part of the incident electromagnetic radiation transmitted through the modulator device. An interferometer arrangement which comprises a modulator device according to the invention, which, as explained above, is used as a frequency-shifting mirror, can be used for the superimposition required here. The interferometer arrangement can be, for example, a so-called Mach-Zehnder interferometer, a Twyman-Green interferometer or a Michelson interferometer. As a result of the integration of the modulator device according to the invention in an interferometer arrangement, the number of components required in total of the interferometer arrangement can be reduced. In comparison to the prior art, an interferometer arrangement can thus be implemented with a reduced installation space. A frequency modulation can be converted into an amplitude modulation with the aid of such an interferometer arrangement.
Eine weitere Interferometer-Anordnung kann durch Reflexion an zwei hintereinanderliegenden Reflexionselementen realisiert werden, wobei zumindest eines der Reflexionselemente eine erfindungsgemäße Modulator-Vorrichtung sein kann, deren Modulator-Schicht als Reflexionsfläche fungiert. Another interferometer arrangement can be implemented by reflection on two reflection elements lying one behind the other, wherein at least one of the reflection elements can be a modulator device according to the invention, the modulator layer of which acts as a reflection surface.
Der Vorteil der Reduzierung der Anzahl notwendiger Bauteile ergibt sich beispielsweise dadurch, dass optische Elemente, die in einem optischen System zur Strahl-Ablenkung verwendet werden, als Modulator-Vorrichtung gemäß der Erfindung ausgeführt werden. Demnach kann eine erfindungsgemäße Modulator-Vorrichtung gleichzeitig sowohl als reflektierendes Element als auch als frequenzverschiebendes Element fungieren. The advantage of reducing the number of necessary components results, for example, from the fact that optical elements which are used in an optical system for beam deflection are designed as modulator devices according to the invention. Accordingly, a modulator device according to the invention can function both as a reflective element and as a frequency-shifting element at the same time.
Eine reflektierende Fläche, beispielsweise die Hypotenuse eines zur Strahl -Ablenkung verwendeten Prismas ist als vorzugsweise hinreichend dünne metallische, leitende Fläche ausgeführt, über die ein definierter Strom fließt. Bei der Reflexion an der stromdurchflossenen Schicht erfährt das Wellenfeld eine Dopplerverschiebung. Diese ist in Betrag, Richtung und im zeitlichen Ablauf, d.h. in der Zeitabhängigkeit definiert einstellbar. Auch wenn eine Ablenkung um 90° oft in optischen Systemen eingesetzt wird, können im Sinne einer höheren maximalen Frequenz-Modifikation auch deutlich höhere Ablenkwinkel, d.h. bei streifendem Einfall an metallisch leitenden und von einem definierten Strom durchflossenen Leitern realisiert werden. In manchen Ausführungsformen kann die die Modulator-Schicht für die zu modulierende elektromagnetischen Strahlung teilweise durchlässig sein. Somit kann die Modulator-Schicht die zu modulierende elektromagnetische Strahlung, die auf die Modulator-Schicht einfällt, teilweise reflektieren und teilweise transmittieren. Die Modulator-Schicht bildet somit eine teilweise reflektierende und teilweise durchlässige Schicht bzw. eine teilweise reflektierende und teilweise durchlässige Fläche der Modulator-Vorrichtung. Wenn in der vorliegenden Anmeldung und insbesondere in den Ansprüchen von „durchlässig“ bzw. „transparent“ die Rede ist, so ist damit stets „für eine elektromagnetische Strahlung durchlässig“ bzw. „für eine elektromagnetische Strahlung transparent“ zu verstehen, insbesondere für einen Wellenbereich, in dem eine erfindungsgemäße Modulator-Vorrichtung mit der elektromagnetischen Strahlung wechselwirken soll. A reflective surface, for example the hypotenuse of a prism used to deflect the beam, is preferably a sufficiently thin metallic, conductive surface over which a defined current flows. When it is reflected on the layer through which the current flows, the wave field experiences a Doppler shift. This can be set in a defined manner in terms of amount, direction and time sequence, ie in terms of time dependency. Even if a deflection of 90 ° is often used in optical systems, significantly higher deflection angles can also be achieved in the sense of a higher maximum frequency modification, ie with grazing incidence on metallic conductors through which a defined current flows. In some embodiments, the modulator layer can be partially transparent to the electromagnetic radiation to be modulated. The modulator layer can thus partially reflect and partially transmit the electromagnetic radiation to be modulated which is incident on the modulator layer. The modulator layer thus forms a partially reflective and partially transparent layer or a partially reflective and partially transparent surface of the modulator device. When “permeable” or “transparent” is used in the present application and in particular in the claims, this always means “permeable to electromagnetic radiation” or “transparent to electromagnetic radiation”, in particular for a wave range , in which a modulator device according to the invention is intended to interact with the electromagnetic radiation.
Zudem kann das Substrat in manchen Ausführungsformen für die zu modulierende elektromagnetische Strahlung zumindest teilweise durchlässig sein. Dies kann insbesondere bewirken, dass ein von der Modulator-Schicht transmittierter Teil der einfallenden elektromagnetischen Strahlung auch durch das Substrat transmittiert werden kann. Somit können die Modulator-Schicht und das Substrat zusammen betrachtet für die zu modulierende elektromagnetische Strahlung zumindest teilweise durchlässig sein. Das Substrat kann für die zu modulierende elektromagnetische Strahlung vollständig durchlässig bzw. transparent sein. In addition, in some embodiments, the substrate can be at least partially permeable to the electromagnetic radiation to be modulated. This can in particular have the effect that part of the incident electromagnetic radiation transmitted by the modulator layer can also be transmitted through the substrate. Thus, considered together, the modulator layer and the substrate can be at least partially transparent to the electromagnetic radiation to be modulated. The substrate can be completely permeable or transparent to the electromagnetic radiation to be modulated.
Insofern kann eine erfindungsgemäße Modulator-Vorrichtung als Strahlteiler verwendet werden, insbesondere wenn sowohl die Modulator-Schicht als auch das Substrat für die zu modulierende elektromagnetische Strahlung zumindest teilweise durchlässig sind. Eine erfindungsgemäße Modulator-Vorrichtung kann dementsprechend in einer optischen Anordnung gleichzeitig als Strahlteiler und als frequenzverschiebendes Element verwendet werden, beispielsweise anstelle eines konventionellen Strahlteilers. In this respect, a modulator device according to the invention can be used as a beam splitter, in particular if both the modulator layer and the substrate are at least partially transparent to the electromagnetic radiation to be modulated. A modulator device according to the invention can accordingly be used in an optical arrangement at the same time as a beam splitter and as a frequency-shifting element, for example instead of a conventional beam splitter.
Eine reflektierende Fläche der Modulator-Schicht, an der ein Teil einer einfallenden elektromagnetischen Strahlung abgelenkt wird, kann als hinreichend dünne leitende - beispielsweise metallische - Fläche ausgeführt sein, über die ein definierter Strom fließt, wenn das von der Stromquelle erzeuge elektrische Feld über die erste und zweite elektrische Kontaktierung angelegt wird. Bei der Reflexion an der stromdurchflossenen Modulator- Schicht erfährt der reflektierte Teil der einfallenden elektromagnetischen Strahlung eine definierte Doppler-Verschiebung. Diese ist in Betrag, Richtung und im zeitlichen Ablauf, d.h. in der Zeitabhängigkeit definiert einstellbar, insbesondere über eine Einstellung des von der Stromquelle erzeugten elektrischen Feldes. Ein nicht-reflektierter Teil der einfallenden elektromagnetischen Strahlung, der durch die Modulator-Vorrichtung, insbesondere durch die Modulator-Schicht und durch das Substrat transmittiert wird, erfährt hingegen keine Doppler-Verschiebung. D.h., dass die Modulator-Schicht auch als Strahlteiler ausgeführt werden kann. Sie muss es aber nicht, d.h. es kann auch ein Standard Strahlteiler dazu verwendet werden, ein Eingangs-Wellenfeld beispielsweise in einer 50/50 Teilung zu separieren. Auf einem Pfad kann dann eine Frequenz-Modifikation erfolgen, oder auch auf beiden Pfaden. A reflective surface of the modulator layer, on which part of an incident electromagnetic radiation is deflected, can be designed as a sufficiently thin conductive - for example metallic - surface over which a defined current flows when the electrical field generated by the power source passes through the first and a second electrical contact is made. During the reflection on the modulator layer through which current flows, the reflected part of the incident electromagnetic radiation experiences a defined Doppler shift. This can be set in a defined manner in terms of magnitude, direction and time sequence, that is to say in terms of time dependency, in particular by setting the electric field generated by the power source. A non-reflected part of the incident electromagnetic radiation that is generated by the modulator device, in particular by the modulator layer and is transmitted through the substrate, however, experiences no Doppler shift. This means that the modulator layer can also be designed as a beam splitter. However, it does not have to, ie a standard beam splitter can also be used to separate an input wave field, for example in a 50/50 division. A frequency modification can then take place on one path, or on both paths.
Eine erfindungsgemäße Modulator-Vorrichtung, die als Strahlteiler ausgeführt ist, kann beispielsweise als Strahl-Teiler-Würfel, als Strahl-Teiler-Prisma, als Strahl-Teiler-Platte als Strahl-Teiler-Membran, oder auch als ein auf einem Draht-Gitter basierter Strahl-Teiler ausgeführt sein. A modulator device according to the invention, which is designed as a beam splitter, can, for example, as a beam splitter cube, as a beam splitter prism, as a beam splitter plate as a beam splitter membrane, or as one on a wire grid based beam splitter.
Gemäß bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung kann das Substrat für die zu modulierende elektromagnetische Strahlung zumindest teilweise durchlässig sein und eine erste, eine zweite und eine dritte Außenfläche aufweisen, wobei die zweite und die dritte Außenfläche senkrecht zueinander sind, und wobei die erste Außenfläche schräg zur zweiten und zur dritten Außenfläche ist. Die erste Außenfläche kann dabei zumindest abschnittsweise mit der Modulator-Schicht beschichtet sein. Gemäß solchen Ausführungsformen kann die erfindungsgemäße Modulator-Vorrichtung als Prisma mit dreieckigem Querschnitt ausgeführt sein, die als Strahlteiler oder als reflektierendes Element verwendet werden kann. Eine Reflexionsschicht kann über der ersten Außenfläche des Substrats und auf der Modulator- Schicht angeordnet sein, wobei die Reflexionsschicht vorzugsweise dielektrisch sein kann. According to preferred embodiments of the invention, the substrate can be at least partially transparent to the electromagnetic radiation to be modulated and have a first, a second and a third outer surface, the second and the third outer surface being perpendicular to one another, and the first outer surface being oblique to the second and third outer surfaces to the third outer surface. The first outer surface can be coated with the modulator layer at least in sections. According to such embodiments, the modulator device according to the invention can be designed as a prism with a triangular cross section, which can be used as a beam splitter or as a reflective element. A reflective layer can be arranged over the first outer surface of the substrate and on the modulator layer, wherein the reflective layer can preferably be dielectric.
In manchen Ausführungsformen der Erfindung umfasst die Modulator-Vorrichtung ferner ein weiteres Substrat, das eine erste, eine zweite und eine dritte Außenfläche aufweist. Das Substrat und das weitere Substrat können für die zu modulierende elektromagnetische Strahlung zumindest teilweise durchlässig sein. Die zweite und die dritte Außenfläche des weiteren Substrats sind senkrecht zueinander. Die erste Außenfläche des weiteren Substrats ist schräg zur zweiten und zur dritten Außenfläche des weiteren Substrats und ist auf der Modulator-Schicht angeordnet. Die Modulator-Schicht ist somit zwischen der ersten Außenfläche des Substrats und der ersten Außenfläche des weiteren Substrats angeordnet. Gemäß solchen Ausführungsformen kann die erfindungsgemäße Modulator-Vorrichtung würfelförmig mit viereckigem Querschnitt ausgeführt sein und als Strahlteiler verwendet werden. In some embodiments of the invention, the modulator device further comprises a further substrate having a first, a second and a third outer surface. The substrate and the further substrate can be at least partially transparent to the electromagnetic radiation to be modulated. The second and the third outer surface of the further substrate are perpendicular to one another. The first outer surface of the further substrate is oblique to the second and third outer surface of the further substrate and is arranged on the modulator layer. The modulator layer is thus arranged between the first outer surface of the substrate and the first outer surface of the further substrate. According to such embodiments, the modulator device according to the invention can be designed in the shape of a cube with a square cross section and can be used as a beam splitter.
In manchen Ausführungsformen umfasst die Modulator-Schicht einen Draht-Gitter- Polarisator. Insbesondere kann die Modulator-Schicht als Draht-Gitter-Polarisator ausgeführt sein. Der Draht-Gitter-Polarisator kann dazu verwendet werden, Polarisationszustände der einfallenden elektromagnetischen Strahlung selektiv auszuwählen bzw. zu modifizieren bzw. zu modulieren. Der durch die Modulator-Schicht fließende elektrische Strom kann dabei entlang der Gitter-Strukturen des Draht-Gitter-Polarisators gerichtet sein. Die Gitter- Strukturen können metallisch sein und/oder Ausmaße im Sub-Wellenlängenbereich aufweisen. Bei diesen Ausführungsformen muss der Vektor der Strahl-Ausbreitung der einfallenden elektromagnetischen Strahlung eine Komponente in Richtung der Gitter-Linien des Draht-Gitter-Polarisators aufweisen, um eine Doppler-Verschiebung zu erfahren. Der besagte Vektor kann somit in Richtung des entlang der Gitter-Strukturen fließenden elektrischen Stroms gerichtet sein. Infolgedessen weist ein von der Modulator-Schicht bzw. vom Draht-Gitter-Polarisator reflektierter Anteil der einfallenden elektromagnetischen Strahlung eine Frequenzverschiebung in Bezug auf die einfallende elektromagnetische Strahlung auf, während ein von der Modulator-Schicht bzw. vom Draht-Gitter-Polarisator transmittierter Anteil der einfallenden elektromagnetischen Strahlung keine Frequenzverschiebung in Bezug auf die einfallende elektromagnetische Strahlung aufweist. Vorteilhaft ist hierbei ein schräger Einfalls-Winkel der einfallenden elektromagnetischen Strahlung, beispielsweise unter 45 °, wobei der Einfalls-Winkel auch darüber liegen kann. Die Gitter-Linien des Draht-Gitter-Polarisators liegen vorzugsweise in der Einfallsebene, d.h. in der Ebene der Modulator-Schicht. In some embodiments, the modulator layer comprises a wire-grid polarizer. In particular, the modulator layer can be designed as a wire-grid polarizer be. The wire-grid polarizer can be used to selectively select or modify or modulate polarization states of the incident electromagnetic radiation. The electric current flowing through the modulator layer can be directed along the grid structures of the wire-grid polarizer. The grating structures can be metallic and / or have dimensions in the sub-wavelength range. In these embodiments, the vector of the beam propagation of the incident electromagnetic radiation must have a component in the direction of the grid lines of the wire-grid polarizer in order to experience a Doppler shift. Said vector can thus be directed in the direction of the electric current flowing along the lattice structures. As a result, a portion of the incident electromagnetic radiation reflected by the modulator layer or the wire-grid polarizer has a frequency shift in relation to the incident electromagnetic radiation, while a portion transmitted by the modulator layer or the wire-grid polarizer the incident electromagnetic radiation has no frequency shift in relation to the incident electromagnetic radiation. An oblique angle of incidence of the incident electromagnetic radiation, for example less than 45 °, is advantageous here, and the angle of incidence can also be greater. The grid lines of the wire-grid polarizer preferably lie in the plane of incidence, ie in the plane of the modulator layer.
In manchen Ausführungsformen kann die Modulator-Vorrichtung ferner eine zusätzliche Reflexionsschicht umfassen, die auf der Modulator-Schicht angeordnet ist, wobei die zusätzliche Reflexionsschicht zum Reflektieren eines Anteils der zu modulierenden elektromagnetischen Strahlung geeignet ist. Die zusätzliche Reflexionsschicht kann eine dielektrische Schicht oder eine leitende, insbesondere metallische Schicht sein. Die zusätzliche Reflexionsschicht wird vorzugsweise von dem elektrischen Strom, der durch die Modulator- Schicht fließt, nicht durchflossen. Die zusätzliche Reflexionsschicht kann somit bewirken, dass ein Teil der auf die Vorrichtung einfallenden elektromagnetischen Strahlung von der stromdurchflossenen Modulator-Schicht reflektiert wird und mithin eine Frequenzverschiebung aufweist, während ein Teil der auf die Vorrichtung einfallenden elektromagnetischen Strahlung von der nicht-stromdurchflossenen zusätzlichen Reflexionsschicht reflektiert wird und keine Frequenzverschiebung aufweist. In einer derartigen Anordnung kann durch unmittelbare Nähe der betreffenden Schichten (d.h. der Modulator-Schicht und der zusätzlichen Reflexionsschicht) eine sehr kompakte Bauweise realisiert werden, beispielsweise unter einem Einfallswinkel von 450. Eine derartige Ausführungsform der erfindungsgemäßen Modulator-Vorrichtung kann in einer optischen Anordnung anstelle eines herkömmlichen Spiegels in einem optischen Strahlengang verwendet werden. In some embodiments, the modulator device can further comprise an additional reflective layer which is arranged on the modulator layer, the additional reflective layer being suitable for reflecting a portion of the electromagnetic radiation to be modulated. The additional reflective layer can be a dielectric layer or a conductive, in particular metallic, layer. The additional reflective layer is preferably not traversed by the electric current flowing through the modulator layer. The additional reflective layer can thus have the effect that part of the electromagnetic radiation incident on the device is reflected by the current-carrying modulator layer and consequently has a frequency shift, while part of the electromagnetic radiation incident on the device is reflected by the non-current-carrying additional reflective layer and has no frequency shift. In an arrangement of this type, a very compact design can be implemented through the immediate vicinity of the relevant layers (ie the modulator layer and the additional reflective layer), for example at an angle of incidence of 45 ° . Such an embodiment of the modulator device according to the invention can be in an optical Arrangement can be used instead of a conventional mirror in an optical beam path.
Die zusätzliche Reflexionsschicht kann selektiv auf Polarisation-Zustände der zu modulierenden elektromagnetischen Strahlung wirken. Die zusätzliche Reflexionsschicht kann einen polarisationsdefinierten Anteil der einfallenden elektromagnetischen Strahlung reflektieren und einen anderen polarisationsdefinierten Anteil der einfallenden elektromagnetischen Strahlung transmittieren bzw. durchlassen, der von der darunterliegenden Modulator-Schicht reflektiert werden kann. Die zusätzliche Reflexionsschicht kann beispielsweise einen ersten Anteil der einfallenden elektromagnetischen Strahlung mit einem ersten Polarisationszustand reflektieren und einen zweiten Anteil der einfallenden elektromagnetischen Strahlung mit einem zweiten Polarisationszustand, der zum ersten Polarisationszustand beispielsweise senkrecht sein kann, transmittieren bzw. durchlassen. Der Anteil der einfallenden elektromagnetischen Strahlung, der von der polarisationsselektiven zusätzlichen Reflexionsschicht durchgelassen und von der Modulator-Schicht reflektiert wird, erfährt die von der Modulator-Schicht verursachte Frequenzverschiebung, während der Anteil der einfallenden elektromagnetischen Strahlung, der von der polarisationsselektiven zusätzlichen Reflexionsschicht reflektiert wird, die von der Modulator-Schicht verursachte Frequenzverschiebung nicht erfährt. The additional reflective layer can act selectively on polarization states of the electromagnetic radiation to be modulated. The additional reflective layer can reflect a polarization-defined portion of the incident electromagnetic radiation and transmit or let through another polarization-defined portion of the incident electromagnetic radiation, which can be reflected by the underlying modulator layer. The additional reflective layer can, for example, reflect a first portion of the incident electromagnetic radiation with a first polarization state and transmit or let through a second portion of the incident electromagnetic radiation with a second polarization state, which can for example be perpendicular to the first polarization state. The portion of the incident electromagnetic radiation that is transmitted by the polarization-selective additional reflective layer and reflected by the modulator layer experiences the frequency shift caused by the modulator layer, while the portion of the incident electromagnetic radiation that is reflected by the polarization-selective additional reflective layer, does not experience the frequency shift caused by the modulator layer.
Eine umgekehrte Anordnung der zusätzlichen Reflexionsschicht und der Modulator-Sicht, in der die Modulator-Schicht selektiv auf Polarisation-Zustände der zu modulierenden elektromagnetischen Strahlung wirkt und auf der zusätzlichen Reflexionsschicht angeordnet ist, ist ebenfalls vorgesehen und lässt dieselbe Wirkung erreichen. Die Modulator-Schicht kann dabei als Draht-Gitter-Polarisator ausgeführt sein. In derartigen Ausführungsformen kann die über der zusätzlichen Reflexionsschicht angeordnete Modulator-Schicht einen polarisationsdefinierten Anteil der einfallenden elektromagnetischen Strahlung reflektieren und einen anderen polarisationsdefinierten Anteil der einfallenden elektromagnetischen Strahlung transmittieren bzw. durchlassen, der von der darunterliegenden zusätzlichen Reflexionsschicht reflektiert werden kann. Die Modulator-Schicht kann beispielsweise einen ersten Anteil der einfallenden elektromagnetischen Strahlung mit einem ersten Polarisationszustand reflektieren und einen zweiten Anteil der einfallenden elektromagnetischen Strahlung mit einem zweiten Polarisationszustand, der zum ersten Polarisationszustand beispielsweise senkrecht sein kann, transmittieren bzw. durchlassen. Der Anteil der einfallenden elektromagnetischen Strahlung, der von der polarisationsselektiven Modulator-Schicht reflektiert wird, erfährt die von der Modulator-Schicht verursachte Frequenzverschiebung, während der Anteil der einfallenden elektromagnetischen Strahlung, der von der polarisationsselektiven Modulator-Schicht durchgelassen und von der zusätzlichen Reflexionsschicht reflektiert wird, die von der Modulator-Schicht verursachte Frequenzverschiebung nicht erfährt. In manchen Ausführungsformen kann die Modulator-Vorrichtung ein Beugungsgitter umfassen, das über der Modulator-Schicht angeordnet oder innerhalb der Modulator-Schicht gebildet sein kann. Die Modulator-Schicht kann insbesondere als Beugungsgitter ausgeführt sein. Das Beugungsgitter kann bei diesen Ausführungsformen ermöglichen, die auf die Modulator-Vorrichtung einfallende elektromagnetische Strahlung vor der Reflexion an der Modulator-Schicht selektiv zu beugen. Das Beugungsgitter kann beispielsweise ermöglichen, einen Reflexionswinkel festzulegen, mit/unter dem ein an der Modulator-Schicht reflektierter Teil der einfallenden elektromagnetischen Strahlung reflektiert wird, wobei unterschiedliche Reflexionswinkel insbesondere unterschiedlichen Beugungsordnungen des Beugungsgitters entsprechen können. Das Beugungsgitter kann in der Modulator-Schicht gebildet bzw. in diese integriert sein. Die Modulator-Schicht kann beispielsweise als Oberflächen-Relief-Gitter ausgeführt sein. Eine als Oberflächen-Relief-Gitter ausgeführte Modulator-Schicht kann vorzugsweise für die einfallende elektromagnetische Strahlung teilweise durchlässig sein, insbesondere wenn die Modulator-Schicht hinreichend dünn ist. Eine als Oberflächen-Relief- Gitter ausgeführte Modulator-Schicht kann somit die einfallende elektromagnetische Strahlung teilweise reflektieren und teilweise transmittieren. A reverse arrangement of the additional reflective layer and the modulator view, in which the modulator layer acts selectively on polarization states of the electromagnetic radiation to be modulated and is arranged on the additional reflective layer, is also provided and allows the same effect to be achieved. The modulator layer can be designed as a wire-grid polarizer. In such embodiments, the modulator layer arranged over the additional reflective layer can reflect a polarization-defined portion of the incident electromagnetic radiation and transmit or let through another polarization-defined portion of the incident electromagnetic radiation, which can be reflected by the additional reflective layer underneath. The modulator layer can, for example, reflect a first portion of the incident electromagnetic radiation with a first polarization state and transmit or let through a second portion of the incident electromagnetic radiation with a second polarization state, which can for example be perpendicular to the first polarization state. The portion of the incident electromagnetic radiation that is reflected by the polarization-selective modulator layer experiences the frequency shift caused by the modulator layer, while the portion of the incident electromagnetic radiation, which is transmitted by the polarization-selective modulator layer and reflected by the additional reflective layer, which does not experience the frequency shift caused by the modulator layer. In some embodiments, the modulator device can comprise a diffraction grating that can be arranged over the modulator layer or formed within the modulator layer. The modulator layer can in particular be designed as a diffraction grating. In these embodiments, the diffraction grating can make it possible to selectively diffract the electromagnetic radiation incident on the modulator device before it is reflected at the modulator layer. The diffraction grating can, for example, make it possible to define a reflection angle with / at which a portion of the incident electromagnetic radiation reflected on the modulator layer is reflected, with different reflection angles in particular being able to correspond to different diffraction orders of the diffraction grating. The diffraction grating can be formed in the modulator layer or integrated into it. The modulator layer can be designed, for example, as a surface relief grating. A modulator layer designed as a surface relief grating can preferably be partially transparent to the incident electromagnetic radiation, in particular if the modulator layer is sufficiently thin. A modulator layer designed as a surface relief grating can thus partially reflect and partially transmit the incident electromagnetic radiation.
Das Beugungsgitter kann ein erstes Gittersegment und ein zweites Gittersegment aufweisen und kann dazu eingerichtet sein, einen Einfall der auf die Modulator-Vorrichtung einfallenden elektromagnetischen Strahlung mit einem bestimmten Einfallwinkel, beispielsweise bei einem senkrechten Einfallwinkel, mit einer Reflexion eines reflektierten Teils der einfallenden elektromagnetischen Strahlung mit einem bestimmten Reflexionswinkel, beispielsweise einem senkrechten (Rück-)Reflexionswinkel zu kombinieren. Einfallwinkel und Reflexionswinkel sind dabei nahezu beliebig wählbar. Eine Gitter-Segmentierung reduziert i.A. den technischen Aufwand bei der Umsetzung der Beugungsgitter und des Strahlenganges. Ein Beispiel eines hierzu verwendbaren ersten Gittersegments eines Beugungsgitters, das beispielsweise als Oberflächen-Relief-Gitter ausgeführt sein kann, ist ein sogenanntes Sägezahn-Profil. Das erste Gittersegment kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, bei senkrechtem Einfall der einfallenden elektromagnetischen Strahlung auf die Modulator- Vorrichtung bzw. auf das erste Gittersegment des Beugungsgitters eine bestimmte Beugungsordnung, beispielsweise eine - i-te Beugungsordnung, mit maximalem Beugungs- Wirkungsgrad zu erzeugen. Die einfallende elektromagnetische Strahlung kann vom ersten Gittersegment derart gebeugt werden, dass diese Beugungsordnung - trotz des senkrechten Einfalls auf das Beugungsgitter - schräg auf die sich unterhalb des Beugungsgitters befindende Modulator-Schicht einfällt. Der an der Modulator-Schicht reflektierte Anteil der einfallenden elektromagnetischen Strahlung trifft auf ein weiteres Gittersegment des Beugungsgitters, das beispielsweise ebenfalls als Sägezahn-Profil implementiertes Oberflächen-Relief-Gitter, spiegelsymmetrisch zum ersten Gittersegment ausgeführt sein kann. Das zweite Gittersegment kann dazu eingerichtet sein, den von der Modulator-Schicht reflektierten Teil der elektromagnetischen Strahlung derart zu beugen, dass dieser mit einem bestimmten Reflexionswinkel von der Modulator-Vorrichtung reflektiert wird, beispielsweise zurück auf die ursprüngliche Einfallsachse, die senkrecht zum Beugungsgitter bzw. zur optischen Achse des Systems sein kann. The diffraction grating can have a first grating segment and a second grating segment and can be configured to reflect an incidence of the electromagnetic radiation incident on the modulator device at a certain angle of incidence, for example at a perpendicular angle of incidence, with a reflection of a reflected part of the incident electromagnetic radiation to combine a certain angle of reflection, for example a perpendicular (back) angle of reflection. The angle of incidence and the angle of reflection can be selected almost at will. Grating segmentation generally reduces the technical effort involved in implementing the diffraction grating and the beam path. An example of a first grating segment of a diffraction grating that can be used for this purpose, which can be designed, for example, as a surface relief grating, is a so-called sawtooth profile. The first grating segment can be configured, for example, to generate a certain diffraction order, for example an i-th diffraction order, with maximum diffraction efficiency when the incident electromagnetic radiation is perpendicular to the modulator device or the first grating segment of the diffraction grating. The incident electromagnetic radiation can be diffracted by the first grating segment in such a way that this diffraction order - despite the perpendicular Incidence on the diffraction grating - incident obliquely on the modulator layer located below the diffraction grating. The portion of the incident electromagnetic radiation reflected on the modulator layer strikes a further grating segment of the diffraction grating, which, for example, can also be implemented as a sawtooth profile surface relief grating, mirror-symmetrical to the first grating segment. The second grating segment can be set up to diffract the part of the electromagnetic radiation reflected by the modulator layer in such a way that it is reflected by the modulator device at a certain angle of reflection, for example back onto the original axis of incidence, which is perpendicular to the diffraction grating or the diffraction grating. can be to the optical axis of the system.
Das Beugungsgitter kann allerdings auch nichtsegmentiert sein und ebenfalls dazu verwendet werden, einen senkrechten Licht-Einfall auf die Modulator-Vorrichtung bzw. auf das Beugungsgitter mit einer senkrechten Rückreflexion zu kombinieren. Ein Beispiel in diesem Sinne ist die Verwendung eines Beugungsgitters, welches eine symmetrische Strahl- Aufspaltung realisiert. The diffraction grating can, however, also be unsegmented and can also be used to combine a perpendicular light incidence on the modulator device or on the diffraction grating with a perpendicular back reflection. An example in this sense is the use of a diffraction grating which realizes a symmetrical beam splitting.
In manchen Ausführungsformen kann das Beugungsgitter als Oberflächen-Relief-Gitter ausgeführt sein oder als Volumengitter, welches auf der Bragg-Beugung an Gitter-Ebenen beruht. Bei einer symmetrischen Auslegung kann die einfallende elektromagnetische Strahlung mit einem Einfallswinkel unter o° einfallen, wobei das Beugungsgitter beispielsweise zur Erzeugung der - i-ten und der + i-ten Beugungsordnung eingerichtet sein kann. Zwei symmetrisch ausgelegte Beugungsordnungen können somit auf die Modulator- Schicht in unterschiedlichen Richtungen schräg einfallen und können somit gegensätzliche Frequenzverschiebungen erfahren. Nach der Reflexion können sie vom Beugungsgitter wieder zurück reflektiert werden, d.h. beispielsweise entgegengesetzt zur Einfallsrichtung der einfallenden elektromagnetischen Strahlung. In some embodiments, the diffraction grating can be designed as a surface relief grating or as a volume grating based on Bragg diffraction at grating planes. In the case of a symmetrical design, the incident electromagnetic radiation can be incident at an angle of incidence below 0 °, wherein the diffraction grating can be set up, for example, to generate the -i th and the + i th diffraction order. Two symmetrically designed diffraction orders can thus fall obliquely on the modulator layer in different directions and can thus experience opposing frequency shifts. After reflection, they can be reflected back by the diffraction grating, i.e. in the opposite direction to the direction of incidence of the incident electromagnetic radiation, for example.
Wird das Beugungsgitter so ausgelegt, dass eine signifikante Intensität in der o-ten Beugungsordnung vorliegt, so können beispielsweise im zurück reflektierten und im teilweise gebeugten Teil der elektromagnetischen Strahlung drei Frequenz-Anteile erzeugt werden, v0, v o + Dn, v o - Dh. Dies bedeutet, dass nun bei kohärenter Überlagerung mehrere Interferenz- Terme vorliegen können. If the diffraction grating is designed so that there is a significant intensity in the o-th diffraction order, three frequency components can be generated, for example, in the back-reflected and in the partially diffracted part of the electromagnetic radiation, v 0 , v o + Dn, v o - Ie. This means that if there is a coherent superposition, several interference terms can be present.
Beispielsweise kann Modulator-Vorrichtung gemäß der Erfindung unter senkrechtem Einfall der einfallenden elektromagnetischen Strahlung auf die Modulator-Schicht betrieben werden, während die Modulator-Schicht mit einem definiert einstellbaren Strom durchflossenen wird. Die Modulator-Schicht kann als Oberflächen-Relief-Gitter ausgeführt sein, das dazu eingerichtet ist die ± i-ten Beugungsordnungen zu erzeugen, die beispielsweise bei ±84,26 °, oder bei ±72 0 liegen können, und eine gegensinnige Frequenz-Modulation erfahren können. Die Modulator-Schicht kann beispielsweise eine 20 nm dicke Gold-Schicht sein, die ein Sinusgitter bildet. For example, the modulator device according to the invention can be operated with perpendicular incidence of the incident electromagnetic radiation on the modulator layer, while the modulator layer has a current that can be set in a defined manner. The modulator layer may be implemented as surface relief grating, which is adapted to generate the ± i-th diffraction orders, which can for example be ± 84.26 °, or ± 72 0, and an opposite frequency modulation can experience. The modulator layer can, for example, be a 20 nm thick gold layer that forms a sinusoidal grating.
In anderen Ausführungsformen kann das Substrat transparent sein und das Beugungsgitter kann an einer Oberfläche des Substrats gebildet sein, die der Modulator-Schicht gegenüberliegt. In other embodiments, the substrate can be transparent and the diffraction grating can be formed on a surface of the substrate that is opposite to the modulator layer.
Wenn das Beugungsgitter und die Modulator-Schicht nicht planparallel zueinander sind, sondern einen Keilwinkel k aufweisen, so kann der Keilwinkel K, durch Bestimmung der Frequenzverschiebungen bestimmt werden, die die einzelnen Interferenz -Terme jeweils erfahren. Demnach kann eine erfindungsgemäße Modulator-Vorrichtung zur Winkelmessung bzw. als Komponente eines Winkelmessungssystems verwendet werden. If the diffraction grating and the modulator layer are not plane-parallel to one another, but rather have a wedge angle k, then the wedge angle K can be determined by determining the frequency shifts that the individual interference terms experience. Accordingly, a modulator device according to the invention can be used for angle measurement or as a component of an angle measurement system.
Es ist zu beachten, dass eine messbare Asymmetrie sowohl durch den Einfallswinkel der einfallenden elektromagnetischen Strahlung, als auch durch den Keilwinkel zwischen dem Beugungsgitter und der Modulator-Schicht eingeführt werden kann. Im Sinne der Parameter- Variation können mehrere Wellenlängen und mehrere Einfallswinkel der einfallenden elektromagnetischen Strahlung und Kombinationen davon eingesetzt werden, um beide Einflüsse, den Einfluss des Einfallswinkels der einfallenden elektromagnetischen Strahlung und den Einfluss des Keilwinkels voneinander zu trennen. Dies ergibt eine Möglichkeit der Winkel -Messung über die Messgröße Frequenz. It should be noted that a measurable asymmetry can be introduced both by the angle of incidence of the incident electromagnetic radiation and by the wedge angle between the diffraction grating and the modulator layer. In terms of parameter variation, several wavelengths and several angles of incidence of the incident electromagnetic radiation and combinations thereof can be used to separate the two influences, the influence of the angle of incidence of the incident electromagnetic radiation and the influence of the wedge angle. This results in the possibility of angle measurement using the measured variable frequency.
Ein Wellenfeld, das auf eine Oberfläche fällt, kann im Allgemeinen einen reflektierten Anteil, einen transmittierten Anteil und einen gebeugten Anteil bzw. gebeugte Anteile aufweisen. Die einzelnen Beugungsordnungen weisen zueinander eine feste, bzw. bei einer relativen Drehung oder bei einer Änderung der Wellenlänge definiert bestimmbare Winkel-Relation auf. Dies kann bei der erfindungsgemäßen Modulator-Vorrichtung u.a. dazu verwendet werden, die Unsicherheit des Einfallswinkels zu korrigieren bzw. diesen zu messen. Hierfür können mehrere Schwebungsfrequenzen bzw. mehrere von der Modulator-Schicht verursachte Frequenzverschiebungen gemessen werden, die beispielsweise mehren Beugungsordnungen zugeordnet sind. Da der Einfallswinkel ein Teil der Gittergleichung ist, d.h. ein Term derselben, kann über ein Gleichungssystem der Einfallswinkel eindeutig bestimmt werden. Die Winkel- Messung über Frequenzen ist mittels Beugungsgitter und/oder auch ohne diese zu realisieren. Die Verwendung einer internen Referenz-Anordnung innerhalb einer Mess-Anordnung, die beispielsweise eine Winkel-Mess-Anordnung ist und welche bei einer durchgeführten Winkelmessung beispielsweise auch eine Drift der verwendeten Wellenlänge detektiert, reduziert die Messunsicherheit. A wave field that falls on a surface can generally have a reflected portion, a transmitted portion and a diffracted portion or portions. The individual diffraction orders have a fixed angular relation to one another or an angular relation which can be determined in a defined manner in the case of a relative rotation or in the case of a change in the wavelength. In the modulator device according to the invention, this can be used, inter alia, to correct the uncertainty of the angle of incidence or to measure it. For this purpose, several beat frequencies or several frequency shifts caused by the modulator layer can be measured, which are assigned to several diffraction orders, for example. Since the angle of incidence is part of the lattice equation, ie a term thereof, the angle of incidence can be determined uniquely via a system of equations. The angle measurement via frequencies can be realized by means of a diffraction grating and / or without it. The use of an internal reference arrangement within a measurement arrangement that is for example an angle measuring arrangement and which also detects, for example, a drift in the wavelength used when an angle measurement is carried out, reduces the measurement uncertainty.
Insofern kann eine erfindungsgemäße Modulator-Vorrichtung dazu eingerichtet sein, einen Einfallswinkel der auf die Modulator-Vorrichtung einfallenden elektromagnetischen Strahlung zu bestimmen. Dies kann der Korrektur eines nicht hinreichend exakten Wertes dienen, oder auch direkt im Sinne einer Mess-Anordnung verwendet werden. Es können Winkel-Mess-Systeme auf dem hier offenbarten Prinzip aufgebaut werden. In this respect, a modulator device according to the invention can be set up to determine an angle of incidence of the electromagnetic radiation incident on the modulator device. This can be used to correct a value that is not sufficiently exact, or it can also be used directly in the sense of a measuring arrangement. Angle measuring systems can be built on the principle disclosed here.
Modulator-Vorrichtungen gemäß manchen Ausführungsformen der Erfindung können dazu eingerichtet sein, Mehrfach-Reflexionen zu realisieren. Modulator devices according to some embodiments of the invention can be designed to implement multiple reflections.
In manchen Ausführungsformen kann eine Oberfläche des Substrats, die der Modulator- Schicht gegenüberliegt und vorzugsweise parallel dazu ist, mit einer weiteren Modulator- Schicht beschichtet sein. Die weitere Modulator-Schicht ist für die zu modulierende elektromagnetischen Strahlung zumindest teilweise reflektierend und elektrisch leitend. Die weitere Modulator-Schicht kann die gleichen strukturellen Eigenschaften aufweisen wie die erstgenannte Modulator-Schicht. Die Modulator-Vorrichtung kann ferner eine dritte elektrische Kontaktierung und eine vierte elektrische Kontaktierung umfassen, die zum Anlegen des von der Stromquelle erzeugten elektrischen Feldes oder eines von einer weiteren Stromquelle erzeugten weiteren elektrischen Feldes an die weitere Modulator-Schicht eingerichtet sind. In solchen Ausführungsformen ist es möglich, eine Reihe von Reflexionen zwischen den zwei gegenüberliegenden Modulator-Schichten, die vorzugsweise parallel zueinander sein können, die von einem jeweiligen elektrischen Strom durchflossenen werden, zu vermitteln. Die Verwendung von Mehrfach-Reflexionen ist im Zusammenhang mit dem hierin offenbarten Modulations-Prinzip insofern von Bedeutung, da beispielsweise ein metallischer Leiter bei Raumtemperatur relativ geringe Modulations-Frequenzen bzw. Frequenzverschiebungen erzeugen kann. Durch Mehrfach-Reflexion kann die erreichbare Frequenzverschiebung um einen Faktor N vergrößert werden, wobei N beispielsweise 20 oder auch 100 sein kann. Ist die Anzahl der mehrfachen Reflexionen beispielsweise N = 100, so ist die maximale Frequenzverschiebung proportional zu 2 x 100 x v,i max. Der Faktor 2 ergibt sich aus der Möglichkeit, die Richtung des Stromflusses umzukehren. Die Geschwindigkeit der freien Ladungsträger kann von o bis v,i max durchgestimmt werden. Somit ergibt sich eine deutliche Erhöhung des einzustellenden Frequenzbereiches der Modulation. Die zwei gegenüberliegenden Modulator-Schichten können einen Winkel ungleich o° zueinander aufweisen, mit anderen Worten auch nicht parallel zueinander ausgerichtet sein. Eine Anwendung der Mehrfach-Reflexion mit einer erfindungsgemäßen Modulator- Vorrichtung ist die Ermittlung der mit der Modulator-Vorrichtung erzielten Frequenzverschiebung. Eine weitere Anwendung der Mehrfach-Reflexion mit einer erfindungsgemäßen Modulator-Vorrichtung ist die Erweiterung des mit der Modulator- Vorrichtung erzielbaren Frequenzverschiebungsbereiches. Eine weitere Eingangs- Wellenlänge, bzw. weitere modulierte und/oder auch nicht-modulierte Eingangs- Wellenlängen können zur Kontrolle, aber generell auch zur Erweiterung des zu modulierenden Frequenz-Bereiches eingesetzt werden. Eine Möglichkeit besteht beispielsweise darin, elektromagnetische Strahlung mit einer ersten Wellenlänge und elektromagnetische Strahlung mit einer zweiten Wellenlänge, als Eingangs-Kontroll-Strahlung koaxial zur elektromagnetischen Strahlung mit der ersten Wellenlänge in die Modulator-Vorrichtung einfallen zu lassen. Die Modulator-Vorrichtung kann wie vorstehend erläutert dazu eingerichtet sein, Mehrfach-Reflexionen zu realisieren. Die zweite Wellenlänge kann unterschiedlich von der ersten Wellenlänge sein, wobei der Unterschied beispielsweise l nm oder io nm betragen kann. Eine Kontrolle der mit der Modulator-Vorrichtung bewirkten Doppler-Verschiebung bzw. Frequenzverschiebung kann aus dem bekannten Verhältnis der Wellenlängen ermittelt werden. Zur separaten Detektion können unterschiedliche Wellenlängen mittels dichroitischer Filter getrennt werden. In some embodiments, a surface of the substrate which is opposite the modulator layer and which is preferably parallel to it can be coated with a further modulator layer. The further modulator layer is at least partially reflective and electrically conductive for the electromagnetic radiation to be modulated. The further modulator layer can have the same structural properties as the first-mentioned modulator layer. The modulator device can further comprise a third electrical contact and a fourth electrical contact, which are set up to apply the electrical field generated by the power source or a further electric field generated by a further power source to the further modulator layer. In such embodiments it is possible to mediate a series of reflections between the two opposite modulator layers, which can preferably be parallel to one another, through which a respective electric current flows. The use of multiple reflections is important in connection with the modulation principle disclosed herein because, for example, a metallic conductor can generate relatively low modulation frequencies or frequency shifts at room temperature. The achievable frequency shift can be increased by a factor N by multiple reflection, where N can be 20 or 100, for example. If the number of multiple reflections is, for example, N = 100, the maximum frequency shift is proportional to 2 x 100 xv, i ma x. The factor 2 results from the possibility of reversing the direction of the current flow. The speed of the free charge carriers can be tuned from o to v, i max . This results in a significant increase in the frequency range to be set for the modulation. The two opposite modulator layers can have an angle not equal to 0 ° to one another, in other words they can also not be aligned parallel to one another. One application of multiple reflection with a modulator device according to the invention is to determine the frequency shift achieved with the modulator device. Another application of multiple reflection with a modulator device according to the invention is the expansion of the frequency shift range that can be achieved with the modulator device. A further input wavelength or further modulated and / or also non-modulated input wavelengths can be used for checking, but generally also for expanding the frequency range to be modulated. One possibility is, for example, to allow electromagnetic radiation with a first wavelength and electromagnetic radiation with a second wavelength to enter the modulator device as input control radiation coaxially to electromagnetic radiation with the first wavelength. As explained above, the modulator device can be set up to realize multiple reflections. The second wavelength can be different from the first wavelength, the difference being, for example, 1 nm or 10 nm. A check of the Doppler shift or frequency shift brought about by the modulator device can be determined from the known ratio of the wavelengths. Different wavelengths can be separated using dichroic filters for separate detection.
Eine weitere Anwendung der Mehrfach-Reflexion mit einer erfindungsgemäßen Modulator- Vorrichtung ist die Verwendung von mehreren Reflexionen zum Zweck einer Frequenz- Verminderung. Steht beispielsweise eine relativ hohe Ladungsträger-Geschwindigkeit sehr stabil zur Verfügung, so kann auch diese zur Erzeugung hinreichend niedriger Frequenzen verwendet werden. Another application of multiple reflections with a modulator device according to the invention is the use of multiple reflections for the purpose of reducing the frequency. If, for example, a relatively high charge carrier speed is available in a very stable manner, then this can also be used to generate sufficiently low frequencies.
Eine Reihe von Reflexionen kann zwischen zwei gegenüberliegenden stromdurchflossenen Modulator-Schichten realisiert werden, die einen Winkel zueinander aufweisen. Die zwei Modulator-Schichten können unterschiedlichen Modulator-Vorrichtungen gemäß der Erfindung angehören. Beispielsweise kann ein Winkel k = io ° zwischen den zwei Modulator- Schichten vorliegen. Beim Vorliegen eines relativen Winkels zwischen den - hier zwei - Modulator-Schichten tritt mit jeder Reflexion eine Winkel-Vergrößerung auf. I.A. ist die Frequenz-Änderung von der relativen Lage der verwendeten reflektierenden Modulator- Schichten und von den in diesen vorliegenden Ladungsträger-Geschwindigkeiten abhängig. Die Mehrfach-Reflexion an zwei im Winkel zueinander einstellbaren, bzw. verstellbaren Modulator-Schichten ermöglicht die Bestimmung des Winkels, der zwischen diesen Modulator-Schichten vorliegt. Eine kleine Winkel-Änderung ergibt eine signifikante Frequenz-Änderung. Werden Messungen an mehreren Punkten einer im Raum drehbaren Struktur durchgeführt, so kann auch eine Winkelmessung erfolgen. Es können mehr als zwei Modulator-Schichten bzw. Modulator-Vorrichtungen verwendet werden, beispielsweise drei oder mehr, die jeweils einen Winkel zueinander aufweisen. Die bei einer optischen Abfrage resultierenden, relativen Frequenzverschiebungen können den Änderungen der Winkel im Raum zugeordnet werden. Dabei gibt es mehrere Möglichkeiten. Eine Mess-Struktur kann beispielsweise mehrere erfindungsgemäße Modulator-Vorrichtungen umfassen, die zueinander feste Winkel haben, wobei eine Drehung der Struktur im Raum messbar ist. Es ist aber auch möglich, dass die einzelnen Modulator-Vorrichtungen einzeln drehbar gelagert sind, und dass die Winkel -Änderungen über Frequenzverschiebungen erfasst werden. A series of reflections can be implemented between two opposing current-carrying modulator layers which are at an angle to one another. The two modulator layers can belong to different modulator devices according to the invention. For example, there can be an angle k = 10 ° between the two modulator layers. If there is a relative angle between the - here two - modulator layers, an angle increase occurs with each reflection. In general, the frequency change is dependent on the relative position of the reflective modulator layers used and on the charge carrier velocities present in them. The multiple reflection at two modulator layers that can be adjusted or adjusted in angle to one another enables the angle that is present between these modulator layers to be determined. A small change in angle makes a significant one Frequency change. If measurements are carried out at several points on a structure that can be rotated in space, an angle measurement can also be carried out. More than two modulator layers or modulator devices can be used, for example three or more, each at an angle to one another. The relative frequency shifts resulting from an optical query can be assigned to the changes in the angles in space. There are several ways to do this. A measuring structure can, for example, comprise a plurality of modulator devices according to the invention which have fixed angles to one another, a rotation of the structure in space being measurable. However, it is also possible for the individual modulator devices to be individually rotatably mounted and for the angle changes to be detected via frequency shifts.
Gemäß manchen Ausführungsformen können das Substrat und die Modulator-Schicht jeweils rotationssymmetrisch sein und die Modulator-Schicht kann auf der Oberfläche des Substrats umgebend angeordnet sein. Das Substrat kann vorzugsweise eine Wellenleitung bilden, die mit der Modulator-Schicht beschichtet ist. According to some embodiments, the substrate and the modulator layer can each be rotationally symmetrical and the modulator layer can be arranged in a surrounding manner on the surface of the substrate. The substrate can preferably form a waveguide which is coated with the modulator layer.
Gemäß manchen Ausführungsformen der Erfindung kann das Substrat eine polygonale Oberfläche aufweisen, wobei zumindest ein erster Oberflächenabschnitt des Substrats, der insbesondere einer ersten Polygonseite entspricht, mit der Modulator-Schicht beschichtet ist, und wobei zumindest ein zweiter Oberflächenabschnitt des Substrats, der insbesondere einer zweiten Polygonseite entspricht, eine erste Gitterstruktur aufweist. Die Gitterstruktur ist dazu eingerichtet, Licht in das Substrat einzukoppeln, das außenseitig auf die Gitterstruktur einfällt und/ oder Licht aus dem Substrat zu extrahieren, das innerhalb des Substrats reflektiert wird und innenseitig auf die Gitterstruktur einfällt. Die unterschiedlichen Oberflächenabschnitte weisen insbesondere relative Winkel zueinander auf. Es können neben dem ersten Oberflächenabschnitt des Substrats weitere Oberflächenabschnitte mit der Modulator-Schicht oder jeweils mit einer weiteren Modulator-Schicht beschichtet sein, wobei die weiteren Oberflächenabschnitte insbesondere weiteren Polygonseiten entsprechen können. Die weiteren Modulator-Schichten können auch von einem elektrischen Strom durchflossen werden. Zu diesem Zweck können die weiteren Modulator-Schichten mit der Modulator- Schicht elektrisch verbunden sein oder mit weiteren Stromquellen elektrisch gekoppelt sein. According to some embodiments of the invention, the substrate can have a polygonal surface, wherein at least a first surface section of the substrate, which corresponds in particular to a first polygon side, is coated with the modulator layer, and wherein at least a second surface section of the substrate, which is in particular a second polygon side corresponds, has a first lattice structure. The lattice structure is designed to couple light into the substrate that is incident on the outside of the lattice structure and / or to extract light from the substrate that is reflected inside the substrate and is incident on the inside of the lattice structure. The different surface sections in particular have relative angles to one another. In addition to the first surface section of the substrate, further surface sections can be coated with the modulator layer or each with a further modulator layer, wherein the further surface sections can in particular correspond to further polygon sides. An electric current can also flow through the further modulator layers. For this purpose, the further modulator layers can be electrically connected to the modulator layer or be electrically coupled to further current sources.
Gemäß diesen Ausführungsformen kann eine in das Substrat eingekoppelte elektromagnetische Strahlung an mehreren Oberflächenabschnitten des Substrats reflektiert werden, die unterschiedliche Raum-Winkel aufweisen bzw. die jeweils einen Winkel zueinander aufweisen. Die reflektierenden Oberflächenabschnitte des Substrats können beispielsweise Flächen auf den äußeren, oder je nach Ausführungsform auch inneren, Seiten/Flächen eines Polygons entsprechen. Somit ist eine Mehrfach-Reflexion auf/entlang einer angenäherten Kreisbahn möglich. Ziel ist es, eine möglichst hohe Frequenz-Bandbreite in der Modulation erfassen zu können. I.A. ist die Linienverbreiterung zu vernachlässigen. According to these embodiments, electromagnetic radiation coupled into the substrate can be reflected on a plurality of surface sections of the substrate which have different spatial angles or which each have an angle to one another. The reflective surface sections of the substrate can, for example, be surfaces on the outer, or, depending on the embodiment, also inner, Sides / faces of a polygon correspond. Multiple reflections on / along an approximate circular path are thus possible. The aim is to be able to capture the highest possible frequency bandwidth in the modulation. In general, line broadening is negligible.
In manchen Ausführungsformen weist das Substrat eine polygonale Oberfläche auf. Zumindest ein erster Oberflächenabschnitt des Substrats, der insbesondere einer ersten Polygonseite entsprechen kann, ist mit der Modulator-Schicht beschichtet. Ein zweiter Oberflächenabschnitt des Substrats, der insbesondere einer zweiten Polygonseite entsprechen kann, ist zumindest teilweise durchlässig und ist dazu eingerichtet, Licht in das Substrat einzukoppeln, das außenseitig auf den zweiten Oberflächenabschnitt einfällt. Das Substrat weist eine innere Zwischenfläche auf, die dazu eingerichtet ist, einen Lichtstrahl, der durch den zweiten Oberflächenabschnitt in das Substrat eingekoppelt wird, teilweise zu reflektieren und teilweise zu transmittieren. Der durch den zweiten Oberflächenabschnitt in das Substrat eingetretene Lichtstrahl wird somit innerhalb des Substrats von der inneren Zwischenfläche geteilt, insbesondere in einen reflektierten Lichtstrahlanteil und einen transmittierten Lichtstrahlanteil. Ein dritter Oberflächenabschnitt des Substrats, der insbesondere einer dritten Polygonseite entsprechen kann, ist zumindest teilweise durchlässig und ist dazu eingerichtet, einen von der inneren Zwischenfläche reflektierten bzw. transmittierten Lichtstrahlanteil, der an der Modulator-Schicht reflektiert wird, aus dem Substrat auszukoppeln. Ein vierter Oberflächenabschnitt des Substrats, der insbesondere einer vierten Polygonseite entsprechen kann, ist zumindest teilweise durchlässig und ist dazu eingerichtet, einen von der inneren Zwischenfläche transmittierten bzw. reflektierten Lichtstrahlanteil, aus dem Substrat auszukoppeln. In some embodiments, the substrate has a polygonal surface. At least a first surface section of the substrate, which can in particular correspond to a first polygon side, is coated with the modulator layer. A second surface section of the substrate, which can in particular correspond to a second polygon side, is at least partially permeable and is designed to couple light into the substrate that is incident on the outside of the second surface section. The substrate has an inner intermediate surface which is configured to partially reflect and partially transmit a light beam that is coupled into the substrate through the second surface section. The light beam that has entered the substrate through the second surface section is thus divided within the substrate by the inner intermediate surface, in particular into a reflected light beam portion and a transmitted light beam portion. A third surface section of the substrate, which can in particular correspond to a third polygon side, is at least partially permeable and is designed to couple out from the substrate a portion of the light beam that is reflected or transmitted by the inner intermediate surface and is reflected on the modulator layer. A fourth surface section of the substrate, which can in particular correspond to a fourth polygon side, is at least partially permeable and is designed to couple a light beam portion transmitted or reflected by the inner intermediate surface out of the substrate.
Da der Lichtstrahlanteil, der durch den dritten Oberflächenabschnitt des Substrats extrahiert wird, innerhalb des Substrats an der Modulator-Schicht reflektiert wurde, weist er in Bezug auf den Lichtstrahlanteil, der durch den vierten Oberflächenabschnitt des Substrats extrahiert wird, eine von der Modulator-Schicht verursachte Frequenzverschiebung auf. Beide Lichtstrahlanteile können somit miteinander überlappt werden, um ein Interferenzmuster zu erhalten. Zu diesem Zweck kann die Modulator-Vorrichtung ferner eine erste Fokussierungslinse und eine zweite Fokussierungslinse umfassen, wobei die erste Fokussierungslinse dazu konfiguriert ist, den durch den dritten Oberflächenabschnitt ausgekoppelten Lichtstrahl ant eil auf eine Interferenzebene zu fokussieren, und wobei die zweite Fokussierung Linse dazu konfiguriert ist, den durch den vierten Oberflächenabschnitt ausgekoppelten Lichtstrahl ant eil auf die besagte Interferenzebene zu fokussieren. Somit überlappen sich in der Interferenzebene beide Lichtstrahlanteile interferierend miteinander. Eine Anwendung dieser Ausführungsformen der Erfindung besteht darin, die Frequenzdifferenz zwischen dem durch den dritten Oberflächenabschnitt ausgekoppelten Lichtstrahlanteil und dem durch den vierten Oberflächenabschnitt ausgekoppelten Lichtstrahlanteil für Messungen zu verwenden, bei der Bewegungsrichtungen festgestellt und Geschwindigkeits-Verteilungen genau bestimmt werden. Dies ist beispielsweise bei der Bestimmung von Partikel-Bewegungen einsetzbar, d.h. u.a. in der Laser-Doppler- Anemometrie. Beispielsweise kann ein Interferenzmuster schnell im Raum, d.h. in seiner Phase verschoben werden. Durch diese Modifikation ergibt sich die Möglichkeit, aus dem Licht, welches von den Partikeln gestreut wird, nicht nur den Betrag einer Bewegung zu ermitteln, sondern zwischen Bewegungsrichtungen zu unterscheiden. Dabei handelt es sich um den Anteil der Bewegung, welchen die Partikel in der Ebene des Interferenzmusters aufweisen. Der Vorteil der hierin offenbarten Modulation liegt in der einfachen und kompakten Realisierungsmöglichkeit derselben. D.h., die für die Änderung der Interferenz-Muster notwendigen Bauteile können im Vergleich zum Stand der Technik kompakter und kostengünstiger ausgeführt werden. Das Interferenzmuster kann mit definiertem Betrag der Geschwindigkeit und in definierter Richtung laufen. Für die komplette vektorielle Erfassung von Geschwindigkeits-Vektor-Feldern kann es notwendig sein, zumindest drei, möglichst orthogonal zueinander orientierte Interferenzmuster zu verwenden. Dabei ist es vorteilhaft, in drei voneinander spektral getrennten Kanälen zu arbeiten. Es können zur Erzeugung von drei, beispielsweise orthogonal zueinander angeordneten Interferenzmustern drei Wellenlängen verwendet werden, die sich beispielsweise um 10 nm, bzw. um 20 nm voneinander unterscheiden. Es können drei Detektoren verwendet werden, die jeweils einen, d.h. ihrer zu detektierenden Wellenlänge zugeordneten spektralen Filter aufweisen, der jeweils ein spektrales Fenster von 5 nm aufweist. Eine Modulation der Interferenzmuster erfolgt vorzugsweise in allen verwendeten spektralen Kanälen. Since the portion of the light beam extracted by the third surface portion of the substrate was reflected within the substrate at the modulator layer, it has, with respect to the portion of light beam extracted by the fourth surface portion of the substrate, one caused by the modulator layer Frequency shift on. Both light beam components can thus be overlapped with one another in order to obtain an interference pattern. For this purpose, the modulator device can further comprise a first focusing lens and a second focusing lens, the first focusing lens being configured to partially focus the light beam coupled out through the third surface section onto an interference plane, and the second focusing lens being configured to do so Part to focus the light beam coupled out through the fourth surface section onto said interference plane. Thus, in the interference plane, both light beam components overlap with one another in an interfering manner. One application of these embodiments of the invention is to use the frequency difference between the light beam portion coupled out through the third surface section and the light beam portion coupled out through the fourth surface section for measurements in which directions of movement are determined and velocity distributions are precisely determined. This can be used, for example, when determining particle movements, that is to say in laser Doppler anemometry. For example, an interference pattern can quickly be shifted in space, ie in its phase. This modification makes it possible not only to determine the amount of movement from the light that is scattered by the particles, but to differentiate between directions of movement. This is the part of the movement that the particles have in the plane of the interference pattern. The advantage of the modulation disclosed herein lies in the possibility of simple and compact implementation thereof. In other words, the components required for changing the interference pattern can be made more compact and less expensive compared to the prior art. The interference pattern can run with a defined amount of speed and in a defined direction. For the complete vectorial acquisition of velocity vector fields, it may be necessary to use at least three interference patterns that are as orthogonal to one another as possible. It is advantageous to work in three channels that are spectrally separated from one another. To generate three, for example, interference patterns arranged orthogonally to one another, three wavelengths can be used which differ from one another, for example, by 10 nm or by 20 nm. Three detectors can be used, each of which has a spectral filter that is assigned to its wavelength to be detected and each has a spectral window of 5 nm. The interference patterns are preferably modulated in all spectral channels used.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft optische Anordnungen, in die zumindest ein erfindungsgemäße Modulator-Vorrichtung integriert ist, insbesondere eine optische Anordnung gemäß Anspruch 19 und eine optische Anordnung gemäß Anspruch 20. Another aspect of the invention relates to optical arrangements in which at least one modulator device according to the invention is integrated, in particular an optical arrangement according to claim 19 and an optical arrangement according to claim 20.
Gemäß einer Ausführungsform kann eine optische Anordnung eine erfindungsgemäße Modulator-Vorrichtung umfassen, deren Substrat und deren Modulator-Schicht insbesondere zumindest teilweise durchlässig sein kann. Die Modulator-Vorrichtung ist dabei zum Teilen eines Lichtstrahls eingerichtet, wobei ein Teil des zu teilenden Lichtstrahls von der Modulator- Vorrichtung transmittiert wird, und wobei ein Teil des zu teilenden Lichtstrahls von der Modulator-Schicht der Modulator-Vorrichtung reflektiert wird. Demnach kann die erfindungsgemäße Modulator-Vorrichtung in einer optischen Anordnung gleichzeitig als Strahlteiler und als frequenzmodulierendes Element verwendet werden. According to one embodiment, an optical arrangement can comprise a modulator device according to the invention, the substrate and the modulator layer of which can in particular be at least partially transparent. The modulator device is set up to split a light beam, part of the light beam to be split being transmitted by the modulator device, and part of the light beam to be split being reflected by the modulator layer of the modulator device. Accordingly, the The modulator device according to the invention can be used in an optical arrangement as a beam splitter and as a frequency-modulating element.
Ein Beispiel einer solchen optischen Anordnung ist ein Winkel-Mess-System, das insbesondere ein Autokollimationsfernrohr bzw. ein Autokollimator sein kann. Eine Änderung eines Winkels eines von einem Messobjekt zurück reflektierten Lichtstrahls kann als Änderung des Einfallswinkels der auf die Modulator-Vorrichtung einfallenden elektromagnetischen Strahlung betrachtet werden, welche bei einer Frequenz-Messung eine Frequenz-Änderung ergibt. Eine Winkelmessung kann somit über eine Frequenz-Messung ausgeführt werden An example of such an optical arrangement is an angle measuring system, which can in particular be an autocollimation telescope or an autocollimator. A change in an angle of a light beam reflected back from a measurement object can be viewed as a change in the angle of incidence of the electromagnetic radiation incident on the modulator device, which results in a frequency change in a frequency measurement. An angle measurement can thus be carried out using a frequency measurement
In einem Autokollimator kann beispielsweise eine erfindungsgemäße Modulator-Vorrichtung verwendet werden, die eine einzelne, beispielsweise auch plane, metallische, elektrisch leitende Modulator-Schicht aufweist, die von einem Strom I durchflossen wird. Die Modulator-Schicht kann auch als Oberflächen-Relief-Gitter ausgeführt sein, das eine metallische, bzw. eine i.A. elektrisch leitende Beschichtung aufweist, die von einem Strom I durchflossen wird. Die Auswertung der in mehreren Beugungsordnungen vorliegenden Frequenz-Modifikation reduziert das Budget der Messunsicherheit. Parameter wie Lage- Abweichungen und Frequenz -Ab weichungen können auch in Kombination in einem Winkel- Mess-System verwendet werden. Beispielsweise kann bei zwei Wellenlängen gemessen werden, die vorzugsweise koaxial verlaufen. Aus den beiden, sich für die jeweilige Wellenlänge ergebenden Frequenzen ergibt sich eine feste Relation, d.h. es kann eine differentielle Messung vorgenommen werden. Über die Trennung von Wellenlängen und/oder Polarisations- Zuständen ist es auch möglich, eine Winkelmessung über Lage-Abweichung und eine Winkelmessung über Frequenz-Abweichung in einem Gerät zu kombinieren. Es ist auch möglich, eine Winkelmessung über Lage-Abweichung und eine Winkelmessung über Frequenz-Abweichung ohne die Separation von Teil-Strahlengängen in einem Gerät zu kombinieren. Ein hinreichend schneller Detektor, der zur Bestimmung der Lage eines Musters eingesetzt wird, kann zur Bestimmung einer Schwebungsfrequenz des Musters verwendet werden. Arbeitet dieser Detektor bzw. dieses Detektor-Feld mit einer Maximalfrequenz vDmax, so können theoretisch Frequenzen bis zu vDmax/2, bzw. praktisch bis zu vDmax/3 detektiert werden. Ein Beispiel für diese Vorgehensweise ist die Verwendung eines Laserstrahls mit einem Gauß- Intensitäts-Profil in Verbindung mit einer Vier-Quadranten-Photodiode (auch Vier-Quadranten-Detektor). Ein Beispiel für ein verwendbares Detektor-Feld ist eine CMOS- Kamera, welche beispielsweise bei einer Bildwiederholfrequenz von lkHz arbeitet. In an autocollimator, for example, a modulator device according to the invention can be used which has a single, for example also planar, metallic, electrically conductive modulator layer through which a current I flows. The modulator layer can also be designed as a surface relief grating which has a metallic or generally electrically conductive coating through which a current I flows. The evaluation of the frequency modification present in several diffraction orders reduces the budget of the measurement uncertainty. Parameters such as position deviations and frequency deviations can also be used in combination in an angle measuring system. For example, measurements can be made at two wavelengths, which preferably run coaxially. A fixed relationship results from the two frequencies resulting for the respective wavelength, ie a differential measurement can be carried out. By separating wavelengths and / or polarization states, it is also possible to combine an angle measurement based on position deviation and an angle measurement based on frequency deviation in one device. It is also possible to combine an angle measurement based on a position deviation and an angle measurement based on a frequency deviation without the separation of partial beam paths in one device. A sufficiently fast detector which is used to determine the position of a pattern can be used to determine a beat frequency of the pattern. If this detector or this detector field works with a maximum frequency v Dmax , then frequencies up to v Dmax / 2 or practically up to v Dmax / 3 can theoretically be detected. An example of this procedure is the use of a laser beam with a Gaussian intensity profile in connection with a four-quadrant photodiode (also four-quadrant detector). An example of a detector field that can be used is a CMOS camera which, for example, operates at a refresh rate of 1 kHz.
Gemäß einer Ausführungsform kann eine optische Anordnung eine erfindungsgemäße Modulator-Vorrichtung umfassen, die in einem Strahlengang der optischen Anordnung nach einem Strahlteiler angeordnet ist, der einen Eingangslichtstrahl in mindestens zwei Strahlanteile teilt. Die Modulator-Vorrichtung ist dabei dazu eingerichtet, eine Frequenz und/oder eine Amplitude eines der mindestens zwei Strahlanteile zu modulieren, indem der eine der mindestens zwei Strahlanteile an der Modulator-Schicht der Modulator-Vorrichtung zumindest teilweise reflektiert wird. Eine solche optische Anordnung kann beispielsweise eine weitere erfindungsgemäße Modulator-Vorrichtung umfassen, die im Strahlengang der optischen Anordnung nach dem Strahlteiler angeordnet ist, und die dazu eingerichtet ist, eine Frequenz und/oder eine Amplitude des anderen der mindestens zwei Strahlanteile zu modulieren, indem der andere der mindestens zwei Strahlanteile an der Modulator-Schicht der weiteren Modulator-Vorrichtung zumindest teilweise reflektiert wird. Die weitere Modulator-Vorrichtung kann insbesondere dazu verwendet werden, eine Frequenzverschiebung in den daran reflektierten Strahlanteil einzuführen, die sich von einer Frequenzverschiebung unterscheidet, die von der Modulator-Vorrichtung in den daran reflektierten Strahlanteil eingeführt wird. Die optische Anordnung kann ferner eine erste Verzögerungsplatte umfassen, die im Strahlengang vor der Modulator-Vorrichtung oder vor der weiteren Modulator-Vorrichtung angeordnet ist, und/ oder eine zweite Verzögerungsplatte, die im Strahlengang nach der Modulator-Vorrichtung oder nach der weiteren Modulator- Vorrichtung angeordnet ist. Die erste Verzögerungsplatte und/oder die zweite Verzögerungsplatte können vorzugsweise jeweils eine l/2-Platte sein. According to one embodiment, an optical arrangement can comprise a modulator device according to the invention which follows in a beam path of the optical arrangement a beam splitter is arranged which divides an input light beam into at least two beam portions. The modulator device is set up to modulate a frequency and / or an amplitude of one of the at least two beam components by at least partially reflecting one of the at least two beam components on the modulator layer of the modulator device. Such an optical arrangement can for example comprise a further modulator device according to the invention which is arranged in the beam path of the optical arrangement after the beam splitter and which is set up to modulate a frequency and / or an amplitude of the other of the at least two beam components by the other of the at least two beam components is at least partially reflected on the modulator layer of the further modulator device. The further modulator device can in particular be used to introduce a frequency shift into the beam portion reflected thereon, which differs from a frequency shift which is introduced by the modulator device into the beam portion reflected thereon. The optical arrangement can furthermore comprise a first retardation plate, which is arranged in the beam path in front of the modulator device or in front of the further modulator device, and / or a second retardation plate, which is arranged in the beam path after the modulator device or after the further modulator device is arranged. The first retardation plate and / or the second retardation plate can preferably each be a 1/2 plate.
Ein Beispiel einer solchen optischen Anordnung, in der eine oder mehrere Modulator- Vorrichtungen gemäß der Erfindung insbesondere als frequenzverschiebende reflektierende Elemente eingesetzt werden, ist eine Interferometer-Anordnung, die insbesondere ein Mach- Zehnder-Interferometer, ein Twyman-Green-Interferometer oder ein Michelson- Interferometer sein kann. An example of such an optical arrangement, in which one or more modulator devices according to the invention are used in particular as frequency-shifting reflective elements, is an interferometer arrangement, in particular a Mach-Zehnder interferometer, a Twyman-Green interferometer or a Michelson - Can be an interferometer.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft im Allgemeinen ein Verfahren zum Modulieren einer Frequenz und/oder einer Amplitude einer elektromagnetischen Strahlung bzw. eines Lichtstrahls unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Modulator-Vorrichtung, insbesondere ein Verfahren gemäß dem Anspruch 23. Das Verfahren umfasst das Reflektieren zumindest eines Teils der elektromagnetischen Strahlung bzw. des Lichtstrahls an der Modulator-Schicht der Modulator-Vorrichtung, während das von der Stromquelle erzeugte elektrische Feld bzw. die von der Stromquelle erzeugte elektrische Spannungsdifferenz an die Modulator-Schicht angelegt ist. Das Verfahren kann ferner das Transmittieren zumindest eines anderen Teils der elektromagnetischen Strahlung bzw. des Lichtstrahls durch die Modulator-Vorrichtung. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden in den beiliegenden abhängigen Ansprüchen angegeben. Another aspect of the invention generally relates to a method for modulating a frequency and / or an amplitude of electromagnetic radiation or a light beam using a modulator device according to the invention, in particular a method according to claim 23. The method comprises reflecting at least one part the electromagnetic radiation or the light beam at the modulator layer of the modulator device, while the electric field generated by the power source or the electric voltage difference generated by the power source is applied to the modulator layer. The method can further include transmitting at least another part of the electromagnetic radiation or the light beam through the modulator device. Preferred embodiments of the invention are given in the accompanying dependent claims.
Eine erfindungsgemäße Modulator-Vorrichtung kann dazu verwendet werden, Beugungen am elektrisch leitenden und vom Strom durchflossene Gitter zu verwenden, um die Winkelverteilungen, einschließlich die diskreten Winkel der diskreten Beugungsordnungen in Frequenz-Verteilungen umzuwandeln. Zum Beispiel können lD-, 2D- oder 3D-Gitter von einem Strom bzw. von einer räumlichen Strom-Verteilung durchflossen werden. Diskrete Beugungsordnungen entsprechen diskreten Propagationsrichtungen und erhalten diskrete Werte für die Modulation der Ausgangsfrequenz v0 = v 0 / c, bzw. v 0 = v 0 / (n x c), wenn die zu berücksichtige Propagation der elektromagnetischen Wellen bzw. Wellenfelder im Medium mit dem Brechungsindex n vorliegt. A modulator device according to the invention can be used to use diffractions on the electrically conductive grating through which the current flows, in order to convert the angular distributions, including the discrete angles of the discrete diffraction orders, into frequency distributions. For example, ID, 2D or 3D grids can be traversed by a current or by a spatial current distribution. Discrete diffraction orders correspond to discrete directions of propagation and receive discrete values for the modulation of the output frequency v 0 = v 0 / c, or v 0 = v 0 / (nxc), if the propagation of the electromagnetic waves or wave fields in the medium with the refractive index to be considered n is present.
Eine erfindungsgemäße Modulator-Vorrichtung kann dazu verwendet werden, eine Lichtquelle in ihrer Emissions-Frequenz, oder auch in mehreren Emissions-Frequenzen abstimmbar und stabilisierbar auszuführen. Beispielsweise kann ein vom Strom durchflossenes Gitter in einer sogenannten Littrow-AO verwendet werden, die es ermöglicht, durch den Stromfluss eine sehr feine Frequenz-Einstellung zu erhalten. Dies ist vorteilhaft, wenn sich die Winkeleinstellung eines zu diesem Zweck verwendeten Standard-Gitters nicht fein genug bzw. nicht schnell genug ausführen lässt. I.A. führen hohe Beschleunigungen zu geometrischen Deformationen von Bauteilen, hier beispielsweise zur Frequenz-Einstellung verwendete Gitter. Mit dieser Ausführung ergeben sich sehr schnelle Modulationen für Laser. Die Realisierung einer sehr fein einstellbaren Emissions-Frequenz eröffnet über die Erzeugung von Schwebungsfrequenzen, deren Messung und über die Anwendung geschlossener Regelkreise die Möglichkeit, mehrere Laser auf exakt eine Frequenz einzustellen. Dies setzt jedoch ein sehr hohes Maß an Parameter-Stabilisierung voraus. A modulator device according to the invention can be used to make a light source so that its emission frequency or also several emission frequencies can be tuned and stabilized. For example, a grid through which the current flows can be used in a so-called Littrow AO, which enables a very fine frequency setting to be obtained through the flow of current. This is advantageous if the angle adjustment of a standard grating used for this purpose cannot be carried out finely enough or not quickly enough. In general, high accelerations lead to geometric deformations of components, e.g. grids used here for frequency setting. This design results in very fast modulations for lasers. The implementation of a very finely adjustable emission frequency opens up the possibility of setting multiple lasers to exactly one frequency by generating beat frequencies, measuring them and using closed control loops. However, this requires a very high level of parameter stabilization.
Eine erfindungsgemäße Modulator-Vorrichtung kann dazu verwendet werden, eine Streuverteilung zu erzeugen, welche einer Verteilung von Modulationsfrequenzen entspricht. Die Modulator-Schicht kann dabei insbesondere eine raue Oberfläche aufweisen. Ein Oberflächen-Relief-Profil kann dabei statistisch so ausgelegt werden, dass im gebeugten Feld eine definierte Soll-Intensitätsverteilung vorliegt. Der definiert ausgelegte Streuer kann bewegt oder rotiert werden, um beispielsweise ein im betrachteten zeitlichen Mittel hinreichend Speckle freies Fernfeld zu realisieren. Die Strom-Versorgung kann dem angepasst werden. Es ist auch möglich, den vom Strom durchflossenen Streuer fix zu halten und einen beleuchteten und dabei bewegten, z.B., Standard-Streuer auf diesen abzubilden. Dies entspricht der Realisierung einer statistisch randomisierten und dabei in ihrer Verteilung definierten zeitlich, räumlichen Phasen-Variation in der Beleuchtung des von einem definierten Strom durchflossenen metallisierten Oberflächen-Relief-Streuers. Bei Überlagerung mit einem Referenz-Wellen-Feld ergibt sich eine definierte Verteilung von Schwebungsfrequenzen. Im Falle der Abbildung eines Streuers auf eine vom Strom durchflossene Fläche kann diese auch glatt, d.h. beispielsweise plan ausgeführt werden. Die Winkel-Verteilung ergibt eine Verteilung der Doppler-Verschiebung. Je nach spektraler Lage bzw. der zugehörigen Frequenz des Referenz-Wellenfeldes nimmt beispielsweise die bei einer Überlagerung lokal auftretende Schwebungsfrequenz nach außen hin zu oder auch ab. D.h. die Frequenz eines Referenz-Wellenfeldes kann nach Bedarf ebenfalls von einer Ausgangs- Frequenz v0 in der einen oder in der anderen Richtung ab weichen. Es ist auch möglich, zwei unterschiedlich in ihrer Frequenz-Verteilung modifizierte Wellenfelder zu überlagern. Dies erhöht die Mannigfaltigkeit realisierbarer Verteilungen von Schwebungsfrequenzen. Diese Vorgehensweise kann in einem System auch mehrfach hintereinander angewandt werden. Eine Abbildung auf oder von der vom Strom durchflossenen Modulator-Schicht kann auch schräg erfolgen. Dabei kann eine Korrektur der Verzeichnung mittels der Einhaltung der sogenannten Scheimpflug-Bedingung erfolgen, d.h. mittels der Nutzung eines sogenannten Scheimpflug-Systems. Dies gilt generell für Anordnungen, die mit schräger Beleuchtung und schräger Abbildung arbeiten. Eine erfindungsgemäße Modulator-Vorrichtung kann dazu verwendet werden, einen elektrischen Strom zu erzeugen. Eine elektromagnetische Strahlung, die vorzugsweise sehr schräg, d.h. beispielsweise unter 72 0 zur Oberflächen-Normalen, auf die Modulator-Schicht einfällt, kann einen Strom erzeugen. Dabei findet ein Impuls-Übertrag statt. Damit ergibt sich die Möglichkeit, eine optische Frequenz-Modulation direkt elektrisch auszulesen. Durch Überlagerung mit einem zweiten optischen, in der Frequenz modulierten Signal können höher- und niederfrequente Frequenz -Terme erzeugt werden. Die Erzeugung niederfrequenter Signale bietet sich an, wenn das aufzuzeichnende optische Signal eine Modulationsfrequenz aufweist, die über der Maximalfrequenz hegt, die von Sensoren bzw. Detektoren erfasst werden kann. Bei Halbleiterdioden ist eine Frequenzerfassung und auch eine Frequenzerzeugung i.A. auf < 10 THz limitiert. I.A. ist dabei auch der Wirkungsgrad gering. A modulator device according to the invention can be used to generate a scatter distribution which corresponds to a distribution of modulation frequencies. The modulator layer can in particular have a rough surface. A surface relief profile can be designed statistically in such a way that a defined target intensity distribution is present in the diffracted field. The definedly designed spreader can be moved or rotated in order, for example, to achieve a far field that is sufficiently speckle-free in the time average considered. The power supply can be adapted to this. It is also possible to hold the spreader through which the current flows and to display an illuminated and moving, for example, standard spreader on it. This corresponds to the realization of a statistically randomized and at the same time in its distribution defined temporal, spatial phase variation in the illumination of the metallized surface relief scatterer through which a defined current flows. When superimposed with a reference wave field, a defined distribution of beat frequencies results. In the case of mapping a spreader onto a surface through which the current flows, this can also be smooth, that is to say, for example, can be made flat. The angular distribution gives a distribution of the Doppler shift. Depending on the spectral position or the associated frequency of the reference wave field, for example, the beat frequency that occurs locally in the event of a superposition increases or decreases towards the outside. That is to say, the frequency of a reference wave field can also deviate from an output frequency v 0 in one or the other direction as required. It is also possible to superimpose two wave fields with different frequency distribution modifications. This increases the variety of realizable distributions of beat frequencies. This procedure can also be used several times in a row in a system. An image on or from the modulator layer through which the current flows can also take place at an angle. The distortion can be corrected by adhering to the so-called Scheimpflug condition, ie by using a so-called Scheimpflug system. This generally applies to arrangements that work with oblique lighting and oblique imaging. A modulator device according to the invention can be used to generate an electrical current. Electromagnetic radiation which is preferably incident on the modulator layer at a very oblique angle, ie for example below 72 ° to the surface normal, can generate a current. A pulse carryover takes place. This makes it possible to read out an optical frequency modulation directly electrically. By superimposing a second optical, frequency-modulated signal, higher and lower frequency terms can be generated. The generation of low-frequency signals is advisable when the optical signal to be recorded has a modulation frequency that is above the maximum frequency that can be detected by sensors or detectors. In the case of semiconductor diodes, frequency detection and frequency generation are generally limited to <10 THz. In general, the efficiency is also low.
Elektrische Signale, die aufgrund eines Impulsübertrages elektromagnetischer Strahlung erzeugt worden sind, können als Eingangssignale von Schaltungen verwendet werden. Beispielsweise können die optisch erzeugten elektrischen Signale auch Eingangs-Signale für Frequenzmischer, wie u.a. Auf- und Abwärtsmischer, Frequenz-Multiplikatoren und Phasen schieber sein. Somit ergeben sich in der Modulation und in der Detektion eine Reihe von Anwendungen in der Hochfrequenztechnik. Die für den Impulsübertrag von Ladungsträgern auf Licht oder von Licht auf Ladungsträger bei der Reflexion vorteilhafte Schwingungsrichtung des elektrischen Feldes ist senkrecht zur Einfallsebene. Ein in der Einfallsebene schwingendes elektrisches Feld erfährt bei schrägem Einfall im Vergleich dazu eine geringere Reflexion. Liegt beispielsweise zirkular polarisiertes Licht vor, so entspricht die Reflexion bei schrägem Einfall einer Änderung des Polarisationszustandes, hier in Kombination mit einem zu modulierenden Impuls-Übertrag. Electrical signals that have been generated on the basis of a pulse transmission of electromagnetic radiation can be used as input signals for circuits. For example, the optically generated electrical signals can also be input signals for frequency mixers, such as up and down mixers, frequency multipliers and phase shifters. This results in a number of applications in high-frequency technology in modulation and detection. The direction of oscillation of the electric field, which is advantageous for the momentum transfer from charge carriers to light or from light to charge carriers during reflection, is perpendicular to the plane of incidence. An electric field oscillating in the plane of incidence experiences less reflection when inclined at an angle. If, for example, circularly polarized light is present, the reflection at an oblique incidence corresponds to a change in the polarization state, here in combination with a pulse transfer to be modulated.
Fällt beispielsweise eine elektromagnetische Welle mit modulierter Amplitude schräg auf eine Detektor-Fläche, die freie Ladungsträger enthält, so kann der Impulsübertrag auf diese gemessen werden. Es erfolgt eine Änderung des Stromflusses. Fließt beispielsweise ein Strom, der ohne den Einfall der modulierten elektromagnetischen Welle konstant ist, so gibt es eine zusätzliche Änderung, d.h. d/ dt von I. Fällt beispielsweise eine elektromagnetische Welle mit modulierter Amplitude schräg auf eine Fläche oder auch Detektor-Fläche, die freie Ladungsträger enthält, so kann ein Impulsübertrag auf diese Ladungsträger erfolgen, der moduliert ist. Dieser modulierte Impuls kann wiederum durch die Ladungsträger auf eine weitere elektromagnetische Welle übertragen werden, die schräg auf diese Fläche fällt. Dies entspricht der Vermittlung einer Wechselwirkung, d.h. hier der Übertragung einer Amplitudenmodulation, zwischen zwei elektromagnetischen Wellen- Feldern über die freien Ladungsträger. Beispielsweise ist es auch möglich, zwei Wellenfelder, zwischen denen ein Impuls-Übertrag erfolgen soll, zusammen in einem Ringresonator propagieren zu lassen. Je nach Beschaltung der reflektierenden Flächen, welche die freien Ladungsträger enthalten, lassen sich unterschiedliche Betriebsmodi realisieren, beispielsweise die hier beschriebenen. If, for example, an electromagnetic wave with a modulated amplitude falls obliquely on a detector surface that contains free charge carriers, the pulse transfer to this can be measured. There is a change in the current flow. For example, if a current flows that is constant without the incidence of the modulated electromagnetic wave, there is an additional change, i.e. d / dt of I. For example, if an electromagnetic wave with modulated amplitude falls obliquely on a surface or detector surface, the free Contains charge carriers, a pulse transfer to these charge carriers can take place, which is modulated. This modulated pulse can in turn be transferred by the charge carriers to another electromagnetic wave that falls obliquely on this surface. This corresponds to the mediation of an interaction, i.e. here the transmission of an amplitude modulation, between two electromagnetic wave fields via the free charge carriers. For example, it is also possible to have two wave fields, between which a pulse transfer is to take place, propagate together in a ring resonator. Depending on the wiring of the reflective surfaces that contain the free charge carriers, different operating modes can be implemented, for example those described here.
Im Rahmen dieser Wechselwirkung können Frequenzänderungen über die Verwendung unterschiedlicher Wellenlängen und/oder über das Einstellen unterschiedlicher Einfalls winkel erreicht werden. Auf diese Weise lassen sich Modulationsfrequenzen, die auf elektromagnetischen Wellen-Feldern vorhegen, ineinander umwandeln. Beispielsweise können auch mehr als zwei Lichtstrahlen verwendet werden. Liegt dabei auf mindestens zwei Lichtstrahlen eine Amplituden-Modulation vor, so übertragen sich diese auf die jeweils anderen Strahlen. Es ist somit auch möglich, dies im Sinne von Schaltungen der Datenverarbeitung zu verwenden. Es lassen sich logische Operationen damit optisch ausführen. Und zudem ist dies elektrisch anzusteuern und auch elektrisch auszulesen. I.A. hegen sehr kleine Ströme vor, die mittels einer Verstärker-Schaltung in Ströme umgewandelt werden können, welche hinreichend groß sind, um mittels einer erfindungsgemäßen Modulator-Vorrichtung eine Doppler-Verschiebung elektromagnetischer Wellen einzuführen. As part of this interaction, frequency changes can be achieved by using different wavelengths and / or by setting different angles of incidence. In this way, modulation frequencies that exist on electromagnetic wave fields can be converted into one another. For example, more than two light beams can also be used. If there is an amplitude modulation on at least two light beams, this is transferred to the other beams. It is thus also possible to use this in the sense of data processing circuits. Logical operations can thus be carried out optically. In addition, this can be controlled electrically and read out electrically. IA have very small currents, which are converted into currents by means of an amplifier circuit which are sufficiently large to introduce a Doppler shift of electromagnetic waves by means of a modulator device according to the invention.
Es ist möglich, ein Beugungsgitter am vereinigenden Element, d.h. kurz vor dem Ausgang einer Interferometer-Anordnung, die beispielsweise ein Mach-Zehnder- Interferometer sein kann, zu verwenden. Es ist auch möglich, ein Beugungsgitter am Anfangs-Strahlteiler, d.h. am Eingang einer Interferometer- Anordnung zu verwenden, um beispielsweise einen deutlich von 45 0 abweichenden Reflexions-Winkel zu realisieren, d.h. beispielsweise 65 0 oder 72 0 zur Oberflächen-Normalen der Oberfläche, auf die das Licht fällt. Dies ermöglicht eine kompakte Bauweise, in der die leitende Oberfläche ebenfalls schräger als 450 angeordnet werden kann. Vorteilhaft ist hierbei eine monolithische Anordnung unter Nutzung der äußeren Flächen eines einzelnen transparenten Bauteiles, d.h. beispielsweise der Seiten eines Prismas. It is possible to use a diffraction grating on the uniting element, ie just before the exit of an interferometer arrangement, which can be, for example, a Mach-Zehnder interferometer. It is also possible to use a diffraction grating at the initial beam splitter, ie at the entrance of an interferometer arrangement, for example to achieve a reflection angle that clearly differs from 45 0 , ie for example 65 0 or 72 0 to the surface normal of the surface, on which the light falls. This allows a compact construction, in which the conductive surface can also be arranged inclined than 45 0th A monolithic arrangement using the outer surfaces of an individual transparent component, ie for example the sides of a prism, is advantageous here.
Eine erfindungsgemäße Modulator-Vorrichtung kann zur Positionsmessung verwendet werden. Dabei kann die Modulator-Schicht der Modulator-Vorrichtung gekrümmt oder eben sein, und einen sich lokal ändernden Flächenwiderstand bzw. eine sich lokal ändernde Ladungsträgergeschwindigkeit aufweisen. Die auf die Modulator-Vorrichtung einfallende elektromagnetische Strahlung kann zur Positionsmessung schräg zur Oberflächen-Normalen einfallen. Die lokal vorliegenden Ladungsträgergeschwindigkeiten können auch segmentiert sein, d.h. derart, dass sich entlang einer Länge Az die Doppler-Verschiebung beispielsweise stufenweise ändert. Im einfachsten Falle kann der Flächenwiderstand periodisch variieren. Durch Abbildung des lokal beleuchteten Bereiches auf ein Detektor-Feld, in vorteilhafter Weise unter Einhaltung der Scheimpflug-Bedingung, ergibt sich die Realisierung einer Maßverkörperung, d.h. hier beispielsweise ein linearer Maßstab oder ein Winkel-Maßstab, d.h. ein Kreis-Gitter, welches als Winkel-Maßstab dient, beispielsweise auch für den Vollkreis. Lokal an der Oberfläche vorliegende Parameter-Variationen, beispielsweise elektrischer oder/und mechanischer Art, können, beispielsweise im Sinne einer Kalibrierung, auch tastend oder berührungslos, d.h. beispielsweise optisch, oder über die lokale Wechselwirkung des elektrischen Feldes, d.h. beispielsweise auch über eine lokale Widerstandsmessung, ausgelesen werden. Sind die lokalen Flächenwiderstände im Sinne einer Absolut-Kodierung angelegt, d.h. lokal, bzw. zumindest in einem hinreichend kleinen Segment, beispielsweise mithilfe lokaler Referenz-Marke, absolut kodiert, so geht auch nach einer Komplett- Ausschaltung des Messsystems die absolute Position nicht verloren. Beispielsweise kann mit mehreren Spuren unterschiedlicher räumlicher Periode der Drift-Geschwindigkeit oder/und auch mit einer räumlich hochfrequenten Spur der variierenden Drift-Geschwindigkeit und in einem, beispielsweise festem Abstand folgenden Referenz-Marken, hier bezogen auf eine räumliche Verteilung der Drift-Geschwindigkeit, gearbeitet werden bzw. dies in der räumlichen Kodierung umgesetzt werden. A modulator device according to the invention can be used for position measurement. The modulator layer of the modulator device can be curved or flat and have a locally changing sheet resistance or a locally changing charge carrier speed. The electromagnetic radiation incident on the modulator device can be incident at an angle to the surface normal for position measurement. The locally present charge carrier velocities can also be segmented, that is to say in such a way that the Doppler shift changes, for example, in steps along a length Az. In the simplest case, the sheet resistance can vary periodically. By mapping the locally illuminated area onto a detector field, advantageously in compliance with the Scheimpflug condition, the implementation of a material measure, ie here, for example, a linear scale or an angular scale, ie a circular grid, which is used as an angle - Scale is used, for example also for the full circle. Parameter variations present locally on the surface, for example electrical and / or mechanical, can, for example in the sense of calibration, also tactile or contactless, ie for example optically, or via the local interaction of the electric field, ie for example also via a local resistance measurement to be read out. If the local surface resistances are applied in the sense of an absolute coding, ie locally, or at least coded absolutely in a sufficiently small segment, for example with the help of a local reference mark, the absolute position is not lost even after the measuring system has been completely switched off. For example, with several tracks of different spatial period of the drift speed and / or with a spatially high-frequency track of the varying drift speed and in a, for example, fixed distance following reference marks, here based on a spatial distribution of the drift speed to be worked or this is implemented in the spatial coding.
Es besteht die Möglichkeit, leitende Oberflächen lokal zu kontaktieren und zwischen den Kontakt ei ektroden, d.h. zwischen zumindest zwei, oder zwischen mehreren, differentiell, eine Messung der lokalen Ladungsträgerbeweglichkeit durchzuführen. Scannend oder gleitend können größere Flächen gemessen werden, d.h. durch das Zusammensetzen einzelner Messflächen. Dies kann zur Kalibrierung lokaler Widerstände bzw. zur Kalibrierung von Widerstandsverteilungen dienen. Eine berührungslose Abfrage ist über die Bestimmung von Frequenz-Verteilungen möglich. It is possible to contact conductive surfaces locally and to measure the local charge carrier mobility between the contact electrodes, i.e. between at least two, or between several, differentially. Larger areas can be measured by scanning or sliding, i.e. by combining individual measuring areas. This can be used to calibrate local resistances or to calibrate resistance distributions. A contactless query is possible by determining frequency distributions.
Aus den hier offengelegten Grundprinzipien und Anordnungen ergeben sich eine Reihe von Anwendungen und weitere, adaptierte Anordnungen. Dies schließt u.a. auch Ausführungsformen und Anwendungen ein, die sich über eine Kombination mit anderen Modulatoren des Standes der Technik ergeben bzw. einer Kombination entsprechen. The basic principles and arrangements disclosed here result in a number of applications and further, adapted arrangements. This also includes, inter alia, embodiments and applications that result from a combination with other modulators of the prior art or correspond to a combination.
Es kann auch zweiseitig, d.h. die Reflexion R(x,y) und die Transmission T(x,y) gemessen werden, d.h. der lokale Reflexions-Koeffizient und der lokale Transmissions-Koeffizient. Der Stand der Technik kann durch die Bestimmung der lokalen Drift-Geschwindigkeit erweitert werden. Dies kann zur Defekt-Erkennung, beispielsweise an hinreichend dünnen, elektrisch leitenden Flächen oder Beschichtungen, eingesetzt werden. It can also be measured bilaterally, i.e. the reflection R (x, y) and the transmission T (x, y), i.e. the local reflection coefficient and the local transmission coefficient. The prior art can be expanded by determining the local drift speed. This can be used for defect detection, for example on sufficiently thin, electrically conductive surfaces or coatings.
In der Metallographie kann beispielsweise an geschliffenen, polierten und/oder geätzten Flächen die lokale Drift-Geschwindigkeit Vd gemessen werden. Dies ergänzt Verfahren der Polarisations-Mikroskopie. Kristallite können je nach Zusammensetzung und Orientierung unterschiedliche Drift-Geschwindigkeiten aufweisen. Dies kann als Analysemethode verwendet werden. In metallography, for example, the local drift speed V d can be measured on ground, polished and / or etched surfaces. This complements polarization microscopy methods. Crystallites can have different drift speeds depending on their composition and orientation. This can be used as a method of analysis.
Ein Parameter, der die Drift-Geschwindigkeit beeinflusst, kann über diese gemessen werden. Beispielsweise kann eine Temperaturmessung über den Zusammenhang mit v , d.h. über Vd(T) in eine Frequenzmessung umgewandelt werden. Weitere Messmethoden können beispielsweise über Kontaminierungen leitender Oberflächen, d.h. im Sinne einer Sensorik und auch im Sinne darauf hin präparierter Oberflächen, realisiert werden. Die Driftgeschwindigkeit kann auch über äußere elektrische und/oder magnetische Felder beeinflusst werden. I.A. ergibt sich eine Sensorik für den Parameter X mit Vd(X). Es kann eine Umsetzung der Messgröße in eine Frequenz-Modifikation erfolgen, die beispielsweise auch mittels Interferenz in eine Amplituden-Modifikation umgesetzt werden kann. Eine erfindungsgemäße Modulator-Vorrichtung, in der die Geschwindigkeit der Ladungsträger vurder Modulator-Schicht bzw. die Drift-Geschwindigkeit Vd, eine hinreichend starke Temperatur- Abhängigkeit VLT(T) zeigt, kann zur Messung der Temperatur T verwendet werden, indem der Strom I, der an die Modulator-Schicht angelegt wird, und die von der Modulator-Schicht verursachte Frequenzverschiebung gemessen werden. Dies kann bei bekannter und möglichst kalibrierter Funktion VLT(T), bzw. VLT(R,T), bzw. VLT(I,T), bzw. VLT(I,R(T)) dazu verwendet werden, die Temperatur zu bestimmen. Dazu können Heiß- oder Kalt-Leiter-Materialien verwendet werden. Beispielsweise kann Platin (Pt) im Sinne der hier offengelegten Vorgehensweise als Mess-Widerstand verwendet werden, der eine hinreichende Temperatur-Abhängigkeit VLT(T) zeigt. Über (o - 100) 0 C ist der mittlere Temperatur- Koeffizient von Pt a0 = (R100 - Ro)/(Ro * 1000 C) = 3,85 x 103 K A Für höhere Temperaturen ist eine Anordnung vorteilhaft, die als Material einer elektrisch leitenden Fläche Wolfram verwendet (ao = 4,11 x io-3 K _1). Als transparentes Substratmaterial eignet sich bei hohen Temperaturen beispielsweise Saphir oder Diamant. Für Anordnungen, die kein transparentes Substratbenötigen, eignen sich bei hohen Temperaturen Keramiken oder beispielsweise auch Wolfram, wobei zwischen dem Substrat und der Modulator-Schicht eine elektrisch isolierende Beschichtung verwendet werden kann. Es ergibt sich ein Sensor für hohe Temperaturen, der eine von der Temperatur abhängige Frequenzverschiebung erzeugt. Dies ist dann vorteilhaft einsetzbar, wenn die direkte Messung des elektrischen Widerstandes am Messort nicht möglich ist, aber ein bekannter Strom I dennoch am Messort erzeugt werden kann. A parameter that influences the drift speed can be measured using this. For example, a temperature measurement can be converted into a frequency measurement via the relationship with v, ie via V d (T). Further measurement methods can be implemented, for example, by contaminating conductive surfaces, ie in the sense of a sensor system and also in terms of surfaces prepared for them. The drift speed can also be influenced by external electrical and / or magnetic fields. IA results in a sensor system for the parameter X with V d (X). The measured variable can be converted into a frequency modification which, for example, can also be converted into an amplitude modification by means of interference. A modulator device according to the invention in which the speed of the charge carriers in front of the modulator layer or the drift speed V d shows a sufficiently strong temperature dependency V LT (T) can be used to measure the temperature T by adding the current I applied to the modulator layer and the frequency shift caused by the modulator layer can be measured. If the function V LT (T), or V LT (R, T), or V LT (I, T), or V LT (I, R (T)) is known and as calibrated as possible, this can be used to determine the temperature. For this purpose, hot or cold conductor materials can be used. For example, platinum (Pt) can be used as a measuring resistor in the sense of the procedure disclosed here, which shows a sufficient temperature dependency V LT (T). Above (o - 100) 0 C, the mean temperature coefficient is Pt a 0 = (R 100 - Ro) / (Ro * 100 0 C) = 3.85 x 10 3 KA For higher temperatures, an arrangement is advantageous that Tungsten was used as the material of an electrically conductive surface (ao = 4.11 x io -3 K _1 ). Sapphire or diamond, for example, are suitable as the transparent substrate material at high temperatures. For arrangements that do not require a transparent substrate, ceramics or, for example, tungsten, are suitable at high temperatures, it being possible to use an electrically insulating coating between the substrate and the modulator layer. The result is a sensor for high temperatures that generates a temperature-dependent frequency shift. This can be used advantageously when the direct measurement of the electrical resistance at the measuring location is not possible, but a known current I can still be generated at the measuring location.
Eine weitere Anwendung einer erfindungsgemäßen Modulator-Vorrichtung beruht auf der Ausnutzung des thermoelektrischen Effektes (Seebeck-Effekt). Dabei wird über eine Temperaturdifferenz DT eine Spannung zwischen zwei unterschiedlichen Leitermaterialien (Thermo-Paare) erzeugt. Diese Spannung U kann meist direkt gemessen werden, was dem Stand der Technik entspricht. Es ist jedoch durch das Schließen eines Stromkreises möglich, einen Strom I zu erzeugen, der in der hierin offenbarten Art und Weise zu Erzeugung einer Frequenz-Änderung verwendbar ist. Die Frequenz-Messung kann auch über große Distanzen erfolgen. Eine kompakte Anordnung kann monolithisch aufgebaut werden. Eine Seite der Anordnung wird mit einem Temperatur-Reservoir verbunden, um die notwendige Temperatur-Differenz zu erhalten. Eine Änderung der Temperatur-Differenz ergibt eine Frequenz-Änderung. Dies ist dann vorteilhaft einsetzbar, wenn die direkte Messung des elektrischen Widerstandes am Messort nicht möglich ist. Another application of a modulator device according to the invention is based on the utilization of the thermoelectric effect (Seebeck effect). A voltage is generated between two different conductor materials (thermal pairs) via a temperature difference DT. This voltage U can usually be measured directly, which corresponds to the state of the art. However, by closing a circuit it is possible to generate a current I which can be used in the manner disclosed herein to generate a frequency change. The frequency measurement can also be carried out over large distances. A compact arrangement can be built up monolithically. One side of the arrangement is connected to a temperature reservoir in order to obtain the necessary temperature difference. A change in the temperature difference results in a frequency change. This can be used advantageously when the direct measurement of the electrical resistance at the measuring location is not possible.
Eine weitere Anwendung einer erfindungsgemäßen Modulator-Vorrichtung besteht darin, die vom Strom I durchflossene, Modulator-Schicht, die in vorteilhafter Weise als flächiger elektrischer Leiter ausgeführt sein kann, schräg mit zumindest einer einfallenden elektromagnetischen Welle zu beleuchten und optisch über die in unterschiedlichen Richtungen vorliegenden Frequenzverschiebungen die Verteilung der magnetischen Flussdichte B, d.h. die Vektor-Anteile Bi(x,y) (i = l, 2, 3) der magnetischen Flussdichte optisch auszulesen. Somit kann beispielsweise auch ein Strom gemessen werden, der quer zum Strom verläuft, der durch das Anlegen einer Spannung erzeugt wird. Diese Frequenzverschiebungen ergeben sich durch die Geschwindigkeitsverteilung vLT(x,y), die von der magnetischen Flussdichte abhängig ist, die in der Fläche des Stromflusses vorliegt. Dies ist eine Alternative zur direkten Messung einer durch das magnetische Feld erzeugten Querspannung, die vorteilhaft einsetzbar sein kann. Another application of a modulator device according to the invention consists in the modulator layer through which the current I flows, which is advantageously more flat electrical conductor can be designed to illuminate obliquely with at least one incident electromagnetic wave and optically via the frequency shifts present in different directions the distribution of the magnetic flux density B, ie the vector components Bi (x, y) (i = 1, 2, 3 ) read the magnetic flux density optically. Thus, for example, a current can also be measured that runs transversely to the current that is generated by the application of a voltage. These frequency shifts result from the speed distribution v LT (x, y), which is dependent on the magnetic flux density that is present in the area of the current flow. This is an alternative to the direct measurement of a transverse voltage generated by the magnetic field, which can be used advantageously.
Eine erfindungsgemäße Modulator-Vorrichtung kann auch in Regelkreisen verwendet werden. Zum Beispiel, im Sagnac-Interferometer bewegt sich eine Lichtquelle. Wellen dieser Lichtquelle breiten sich auf zueinander gegenläufigen optischen Pfaden aus. Zu einer Dopplerverschiebung, die aus der realen Drehung des Umlaufringes resultiert, kann mit einer erfindungsgemäßen Modulator-Vorrichtung eine zusätzliche Dopplerverschiebung erzeugt werden, welche variabel einstellbar ist. Die resultierende Modulations-Frequenz ist somit auch auf einen festen Wert einstellbar, d.h. kann im Sinne einer Regelung auch festgehalten werden. Dies ist auch möglich bei sich ändernder Winkel-Geschwindigkeit. Die Messgröße kann die zu kompensierende Zusatz-Frequenz sein. A modulator device according to the invention can also be used in control loops. For example, a light source moves in the Sagnac interferometer. Waves from this light source propagate along opposing optical paths. In addition to a Doppler shift that results from the real rotation of the circumferential ring, a modulator device according to the invention can be used to generate an additional Doppler shift that is variably adjustable. The resulting modulation frequency can therefore also be set to a fixed value, i.e. it can also be fixed in the sense of a regulation. This is also possible when the angular speed changes. The measured variable can be the additional frequency to be compensated.
Um den Fehler der zeitlichen Synchronisation einer Modulator-Einheit mit einem Detektor, d.h. beispielsweise auch mit einem Detektor-Feld, welches eine Detektor-Zeile, eine Kamera- Zeile, oder eine Kamera sein kann, gering zu halten, ist es vorteilhaft, in der erfindungsgemäßen Modulator-Vorrichtung, welche zur Modifikation der Frequenz verwendet wird, die zwischen - zumindest - zwei elektromagnetischen Wellenfeldern erzeugte Schwebungsfrequenz direkt zu messen. Wird beispielsweise eine Photodiode verwendet, so kann das erhaltene sinusförmige Mess-Signal zur zeitlichen Synchronisation verwendeter Komponenten verwendet werden. Beispielweise kann dieses Signal der Photodiode dazu verwendet werden, um ein Trigger-Signal für eine Kamera zu erzeugen. Das Prinzip der Modulation ermöglicht es, geschlossene Regelkreise in kostengünstiger Elektronik zu realisieren. In order to keep the error in the temporal synchronization of a modulator unit with a detector, ie for example also with a detector field, which can be a detector line, a camera line, or a camera, it is advantageous in the Modulator device according to the invention, which is used to modify the frequency to measure the beat frequency generated between - at least - two electromagnetic wave fields directly. If, for example, a photodiode is used, the sinusoidal measurement signal obtained can be used for the time synchronization of the components used. For example, this signal from the photodiode can be used to generate a trigger signal for a camera. The principle of modulation makes it possible to implement closed control loops in inexpensive electronics.
Das Signal einer beispielsweise verwendeten Photodiode kann über eine Frequenz- Bestimmung ausgewertet werden und dazu, innerhalb eines geschlossenen Regelkreises, dienen, um eine feste Frequenz exakt einzustellen. Bei der Erzeugung einer definierten Frequenzverschiebung reduziert dies Fehler-Einflüsse. Somit wird in einer Messtechnik- Anwendung das Fehlerbudget reduziert. Ein möglicher Fehler-Einfluss ist beispielsweise eine, zumindest lokal am Frequenz verschiebenden Bauteil vorliegende Temperatur-Änderung. The signal of a photodiode used, for example, can be evaluated via a frequency determination and, within a closed control loop, can be used to set a fixed frequency exactly. When generating a defined frequency shift, this reduces the effects of errors. Thus, in a measurement technology Application reduces the error budget. A possible error influence is, for example, a temperature change that is present at least locally on the frequency-shifting component.
Eine weitere Anwendung einer erfindungsgemäßen Modulator-Vorrichtung besteht darin, bei Anordnungen, die auf kohärenter Überlagerung elektromagnetischer Wellen beruhen, beine Frequenzverschiebung zwischen zwei, d.h. zumindest zwischen zwei zu überlagernden Wellenfeldern einzuführen. Somit sind resultierende Interferenzmuster dynamisch. Mittels zeitlicher Synchronisation des Detektors, bzw. des Detektor-Feldes kann im Sinne der Phase schiebenden Interferometrie ein Satz in der Phase verschobener Messungen erhalten werden. Es werden mathematisch exakt zwei leicht unterschiedliche Wellenlängen überlagert. Dennoch ist, unter Berücksichtigung der zeitlich synchronisierten Detektion, die Beschreibung mit Hilfe der Phasenverschiebung in einem Homodyne-Interferometer hinreichend exakt, d.h. beispielsweise mit einem maximal anzunehmenden Absolutfehler einer bestimmten Phase von Df « 2p x 10-4. Beispielsweise kann alternativ zur Verwendung von l2 = (l 0 + l 0/2 und Acpi der Phase schiebenden Interferometrie im Interferenz-Term auch lo und li verwendet werden, was in diesem Sinne zu einem äquivalenten Messergebnis führt. A further application of a modulator device according to the invention consists in introducing a frequency shift between two, ie at least two, wave fields to be superimposed in arrangements based on coherent superposition of electromagnetic waves. Thus, resulting interference patterns are dynamic. By means of time synchronization of the detector or the detector field, a set of measurements shifted in the phase can be obtained in the sense of phase-shifting interferometry. Mathematically, exactly two slightly different wavelengths are superimposed. Nevertheless, taking into account the time-synchronized detection, the description with the aid of the phase shift in a homodyne interferometer is sufficiently exact, ie for example with a maximum absolute error of a certain phase of Df «2p x 10 -4 . For example, as an alternative to using l 2 = (l 0 + l 0/2 and Acpi of the phase-shifting interferometry in the interference term, l o and l i can also be used, which in this sense leads to an equivalent measurement result.
Eine dieser Vorgehensweise zugeordnete Anordnung beinhaltet zumindest eine erfindungsgemäße Modulator-Vorrichtung, die sich im Strahlengang hinter einem Strahlteiler befindet, sodass die Frequenz-Modifikation nur in einem der zuvor separierten Anteile der elektromagnetischen Strahlung vorliegt. Eine weitere Ausführungsform besteht darin, in beiden separierten Anteilen eine Frequenz-Modifikation mit einer jeweiligen erfindungsgemäßen Modulator-Vorrichtung vorzunehmen, welche jedoch unterschiedlich ist, bzw. zumindest sein kann. Bei Verwendung dieser Vorgehensweise für die Interferometrie mittels Trägerfrequenz bzw. bei Einstellung einer Trägerfrequenz, beispielsweise mittels Einstellung eines Interferenz-Keils, läuft das Interferenzmuster über das Bild. Synchron zu der eingestellten zeitlichen Periode sind Bilder aufzunehmen bzw. auszuwerten. Bei eingestelltem Keilwinkel nahe null, d.h. bei Einstellung einer möglichst geringen Streifen-Anzahl im Bild sind ebenfalls synchron zu der eingestellten zeitlichen Periode Bilder aufzunehmen, beispielsweise fünf innerhalb einer Periode der Modulationsfrequenz, so dass beispielsweise 5 Aufnahmen im Laufe einer Modulationsperiode erfolgen. An arrangement assigned to this procedure contains at least one modulator device according to the invention, which is located in the beam path behind a beam splitter, so that the frequency modification is only present in one of the previously separated portions of the electromagnetic radiation. A further embodiment consists in undertaking a frequency modification in both separated parts with a respective modulator device according to the invention, which, however, is different, or at least can be. When using this procedure for interferometry by means of a carrier frequency or when setting a carrier frequency, for example by setting an interference wedge, the interference pattern runs over the image. Images are to be recorded or evaluated synchronously with the set time period. If the wedge angle is set to close to zero, i.e. if the number of stripes in the image is set as low as possible, images must also be recorded synchronously with the set time period, for example five images within one period of the modulation frequency, so that, for example, 5 images are made in the course of one modulation period.
Eine vorteilhafte Ausführungsform ergibt sich durch die Verwendung eines Polarisations- Strahl-Teilers. Das elektromagnetische Feld einer Quelle kann in orthogonale Polarisationen aufgeteilt werden. Zwischen diesen kann eine Frequenz-Modifikation eingeführt werden. Die Anteile orthogonaler Polarisation können dem Objekt- und dem Referenz-Strahlengang zugeordnet werden. Objekt- und Referenz-Strahlengang können beispielsweise koaxial angeordnet sein, oder auch eine größere räumliche Separation aufweisen, wie dies beispielsweise beim Twyman-Green Interferometer oder beim Mach-Zehnder Interferometer der Fall ist. An advantageous embodiment results from the use of a polarization beam splitter. The electromagnetic field from a source can be divided into orthogonal polarizations. A frequency modification can be introduced between these. The components of orthogonal polarization can be assigned to the object and the reference beam path. The object and reference beam path can, for example, be coaxial be arranged, or also have a greater spatial separation, as is the case, for example, with the Twyman-Green interferometer or the Mach-Zehnder interferometer.
Eine weitere Anwendung einer erfindungsgemäßen Modulator-Vorrichtung besteht darin, Frequenz-Modifikationen zur Puls- bzw. Signal-Modulation bereitzustellen, die zur Abstandsmessung und zur dreidimensionalen Objekt-Erfassung dienen. Die Laufzeit modulierter Signale elektromagnetischer Strahlung kann bestimmt werden. Die Implementierung der Signal-Modulation ist mit einer erfindungsgemäßen Modulator- Vorrichtung kompakt und kostengünstig möglich. Amplituden- und/oder Frequenz- Modulation kann hierbei eingesetzt werden. Another application of a modulator device according to the invention is to provide frequency modifications for pulse or signal modulation, which are used for distance measurement and for three-dimensional object detection. The transit time of modulated signals of electromagnetic radiation can be determined. The implementation of the signal modulation is compact and inexpensive with a modulator device according to the invention. Amplitude and / or frequency modulation can be used here.
Eine erfindungsgemäße Modulator-Vorrichtung kann auch im Bereich der optischen Kommunikation eingesetzt werden. Für die Daten-Übertragung, beispielsweise in optischen Glasfasern oder auch in Freistrahl -Anordnungen, bietet es sich an, eine erfindungsgemäße Modulator-Vorrichtung einzusetzen. Es ergibt sich die Möglichkeit der Erzeugung von Frequenz-Modifikationen und deren Detektion, beispielsweise auch über Impulsübertrag an Ladungsträger. Amplituden- und/oder Frequenz-Modulation kann hierbei eingesetzt werden. A modulator device according to the invention can also be used in the field of optical communication. For data transmission, for example in optical glass fibers or in free-jet arrangements, it is advisable to use a modulator device according to the invention. There is the possibility of generating frequency modifications and their detection, for example also via pulse transfer to charge carriers. Amplitude and / or frequency modulation can be used here.
Eine weitere Anwendung einer erfindungsgemäßen Modulator-Vorrichtung besteht in der hoch auflösenden Spektroskopie. Mittels einer erfindungsgemäßen Modulator-Vorrichtung kann eine gezielte Verschiebung einer primären Frequenz erfolgen. Beispielsweise kann auf die offenbarte Art und Weise eine Frequenz exakt auf eine Absorptionslinie geringer spektraler Breite bzw. geringer Frequenzbandbreite eingestellt werden. Somit wird auch eine spektrale Einstellung in Ionenfallen ermöglicht. Eine Ausführungsform ist die Verwendung der beschriebenen Frequenz -Modifikation in Rechnern, die sich Quanten-Zuständen bedienen. Dabei können Energie-Zustände optisch spektral genau einstellbar angeregt und abgefragt werden. Eine Integration in eine Vakuum- und/ oder in eine Tieftemperatur-Umgebung ist einfach und bei geringem Bauraum möglich. Dies ermöglicht kompakte Bauformen der betrachteten Geräte. Als Material für die Modulator-Schicht eignen sich Supraleiter, welche die Durch-Stimmung über einen großen Frequenz-Bereich Dn ermöglichen. Another application of a modulator device according to the invention consists in high-resolution spectroscopy. A primary frequency can be shifted in a targeted manner by means of a modulator device according to the invention. For example, in the manner disclosed, a frequency can be set exactly to an absorption line of narrow spectral width or narrow frequency bandwidth. This also enables spectral adjustment in ion traps. One embodiment is the use of the frequency modification described in computers that use quantum states. In doing so, energy states can be excited and queried in an optically spectrally precisely adjustable manner. Integration in a vacuum and / or in a low-temperature environment is simple and possible with little installation space. This enables compact designs of the devices under consideration. Suitable materials for the modulator layer are superconductors, which enable tuning over a large frequency range Dn.
Manche Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Modulator-Vorrichtung können auf Mehrfach-Reflexionen basieren. In einer Anordnung, die beispielsweise einer hohlen, metallisch beschichteten Kavität entspricht, an deren Enden eine zu modulierende Spannung anliegt, kann, bedingt durch das Auftreten sehr vieler Mehrfach-Reflexionen, auch unter einem relativ großen Winkel-Spektrum, eine sehr hohe mittlere Frequenzverschiebung erreicht werden, welche hier mit einer signifikanten Linien-Verbreiterung einhergeht. Eine innen metallisch beschichtete und beidseitig elektrisch kontaktierte Kapillare kann zur Umsetzung dieser Frequenz-Modifikation verwendet werden. Es kann auch eine supraleitende Beschichtung bei hinreichend tiefen Temperaturen verwendet werden. Es ist auch möglich, eine optische, Licht leitende Faser außen elektrisch leitend zu beschichten und über die Beschichtung einen Strom fließen zu lassen. Die Faser muss so dünn ausgelegt werden, dass eine Wechselwirkung zwischen den freien Elektronen des Leitungsbandes und der elektromagnetischen Strahlung vorliegt. Mit der Erhöhung des bei der Ausbreitung vorliegenden Winkel-Spektrums ergibt sich eine erhöhte Linienverbreiterung. Eine Reduzierung der Anzahl der Moden reduziert die Linienverbreiterung. I.A. führen Mehrfach- Reflexionen an Metallen zu einer signifikanten Absorption, aus der sich eine begrenzte Ausbreitungs-Länge ergibt. Eine, in einem hinreichend geringen radialen Abstand p von der optischen Achse elektrisch leitend ummantelten Faser bzw. vom Faserkern kann eine Vielzahl von Brechungsindex-Profilen aufweisen, beispielsweise ein Stufen-Index-Profil mit einem hohen Brechungsindex auf der Achse, ein Gradienten-Index-Profil mit radial sinkendem Brechungsindex oder hier auch eine homogene Verteilung des Brechungsindex. Dabei kann der erwähnte „hinreichend geringe radiale Abstand“ insbesondere so gewählt werden, dass verhältnismäßig wenig Energie absorbiert wird. Some embodiments of the modulator device according to the invention can be based on multiple reflections. In an arrangement that corresponds, for example, to a hollow, metallically coated cavity, at the ends of which a voltage to be modulated is applied, a very high mean frequency shift can occur due to the occurrence of very many multiple reflections, even with a relatively large angle spectrum can be achieved, which here is accompanied by a significant line broadening. A capillary that is metallically coated on the inside and electrically contacted on both sides can be used to implement this frequency modification. It is also possible to use a superconducting coating at sufficiently low temperatures. It is also possible to coat an optical, light-conducting fiber in an electrically conductive manner on the outside and to allow a current to flow through the coating. The fiber must be designed so thin that there is an interaction between the free electrons of the conduction band and the electromagnetic radiation. With the increase in the angular spectrum present during propagation, there is an increased line broadening. Reducing the number of modes reduces the line broadening. In general, multiple reflections on metals lead to significant absorption, which results in a limited propagation length. A fiber encased in an electrically conductive manner at a sufficiently small radial distance p from the optical axis or from the fiber core can have a large number of refractive index profiles, for example a step index profile with a high refractive index on the axis, a gradient index Profile with a radially decreasing refractive index or here also a homogeneous distribution of the refractive index. The mentioned “sufficiently small radial distance” can in particular be selected in such a way that relatively little energy is absorbed.
Es ist auch möglich, einen elektrisch leitenden Kern mit hohem Brechungsindex als Faserkern zu verwenden, auch um eine Mono-Mode-Ausbreitung auf kurzer Distanz zu realisieren. Ein derartiger Kern hat beispielsweise einen Durchmesser von io nm oder weniger. Eine Wellenleitung kann auch unter Verwendung einer sehr dünnen elektrisch leitenden, zylindrisch-koaxialen Beschichtung erreicht werden, derart, dass ein signifikanter Teil der sich ausbreitenden, elektromagnetischen Welle radial außerhalb des dünnen elektrisch leitenden Zylinders vorliegt. Die Dicke der elektrisch leitenden, koaxialen Schicht ist beispielsweise 5 nm. Eine elektrische Kontaktierung ist zwar möglich aber mitunter aufwendig. Die Erzeugung eines Stromes kann beispielsweise auch über Induktion und äußere elektrische Felder erfolgen. Bedingt durch die Absorption sind die realisierbaren Ausbreitungs-Längen gering. Der resultierende effektive Brechungsindex, der abhängig von der diskreten Ausbreitungs-Mode die Ausbreitungs-Geschwindigkeit bestimmt, ist u.a. von der Wellenlänge, vom geometrischen Aufbau des Wellenleiters und von Material -Parametern, wie dem Brechungsindex abhängig. Es gibt auch verwendbare transparente, elektrisch leitende Materialien, wie beispielsweise Indium-Zinn-Oxid oder Kohlenstoff-Nano-Röhrchen. Bedingt durch den relativ hohen Brechungsindex kann Indium-Zinn-Oxid als Faserkern verwendet werden, jedoch bedingt durch die relativ hohe Absorption ebenfalls nur auf kurzer Distanz. Eine mögliche Ausführungsform einer wellenleitenden Struktur, die beispielsweise auch ein Hohl-Leiter sein kann, bzw. ein mit einem homogenen Brechungsindex ausgefüllter elektrisch leitend ausgekleideter Leiter, ergibt sich in der Auslegung auf die Propagation, d.h. Ausbreitung des elektromagnetischen Feldes in der Grund-Mode und in der ersten, auf diese folgende Mode. In diesem Falle liegen nur zwei ausbreitungsfähige Moden vor. Diese können beispielsweise im Fernfeld hinter dem Wellenleiter voneinander getrennt werden. It is also possible to use an electrically conductive core with a high refractive index as the fiber core, also in order to implement mono-mode propagation over a short distance. Such a core has a diameter of 10 nm or less, for example. Waveguiding can also be achieved using a very thin electrically conductive, cylindrical-coaxial coating such that a significant portion of the propagating electromagnetic wave is radially outside of the thin electrically conductive cylinder. The thickness of the electrically conductive, coaxial layer is, for example, 5 nm. Electrical contacting is possible, but sometimes complex. A current can also be generated, for example, via induction and external electrical fields. Due to the absorption, the realizable propagation lengths are small. The resulting effective refractive index, which determines the propagation speed as a function of the discrete propagation mode, depends, among other things, on the wavelength, the geometric structure of the waveguide and material parameters such as the refractive index. There are also transparent, electrically conductive materials that can be used, such as indium tin oxide or carbon nanotubes. Due to the relatively high refractive index, indium tin oxide can be used as the fiber core, but also only at a short distance due to the relatively high absorption. One possible embodiment of a wave-guiding structure, which can also be a hollow conductor, for example can, or an electrically conductive lined conductor filled with a homogeneous refractive index, results in the design for propagation, ie propagation of the electromagnetic field in the basic mode and in the first, in this subsequent mode. In this case there are only two modes capable of propagation. These can, for example, be separated from one another in the far field behind the waveguide.
Eine erfindungsgemäßen Modulator-Vorrichtung, die eine von der Geschwindigkeit bewegter Ladungsträger abhängige Amplituden-Modulation einführt, derart, dass diese von der Wellenlänge abhängig ist, kann zur Analyse der spektralen Verteilung der einfallenden elektromagnetischen Strahlung verwendet werden. Eine Frequenz-Analyse des Signals ergibt über den Zusammenhang mit der Geschwindigkeit der bewegten Ladungsträger die vorliegenden Wellenlängen. Ein Feld von Modulator-Zellen, die eine Amplituden-Modulation einführen, kann somit zusammen mit einem zugeordneten Detektor-Feld zur spektralen Bildgebung verwendet werden. Eine Randbedingung ist ein bekannter Einfallswinkel. Umgekehrt kann bei bekannter spektraler Verteilung auf die Winkel -Verteilung geschlossen werden. Dies kann mit einem einzelnen Detektor erfolgen, oder auch mit einem Detektor-Feld, welches als Wellenfront-Sensor dienen kann. Selbst wenn das Spektrum der Beleuchtung nicht bekannt ist, können zumindest Abweichungen von einer Plan-Welle bestimmt werden. D.h., dass der Einfallswinkel einer Plan-Welle, d.h. auch ein Keil-Winkel nicht bestimmt wird, was meist bei Wellenfront-Messungen auch nicht exakt notwendig ist. Dies entspricht einer Wellenfront-Messung nach Keil-Abzug. Für ein einzelnes Element der Kombination aus Amplituden-Modulator-Feld und Detektor-Feld ergibt sich die Möglichkeit der Winkel- Messung. In Summe ergibt sich die Möglichkeit einer Wellenfront-Messung. Im Sinne der Messung einer Wellenlänge oder einer Wellenlängen-Verteilung kann bei mehreren Winkeln gemessen werden bzw. auch über einen größeren Winkel-Bereich, der durchgestimmt wird. Über einen Fit, beispielsweise nach der Methode der Minimierung der Quadrate der Abweichungen, kann eine Minimierung der Messunsicherheit erreicht werden. Ausgehend von einer bekannten Wellenlänge bzw. ausgehend von einer bekannten spektralen Verteilung kann eine Winkel-Messung zu einer Messung eines Satzes von Winkeln, auch zur Messung der Durch-Stimmung eines Winkel-Bereiches verwendet werden. Beispielsweise kann eine Messung mittels eines Satzes von zwei, drei oder mehreren Winkeln bzw. Wellenlängen erfolgen. Beispielsweise kann zur Bestimmung des Winkels des Auftreffens auf eine vom Strom durchflossene Schicht ein Satz von drei Strahlen verwendet werden, die einen leichten Unterschied in ihrer Ausbreitungsrichtung aufweisen. Es können auch drei koaxiale Wellen- Felder mit unterschiedlichen Wellenlängen, beispielsweise, bzw. vorzugsweise auch unter Einbeziehung einer hinreichend genau bekannten Referenz-Wellenlänge, verwendet werden, um den Winkel des Auftreffens auf eine vom Strom durchflossene Schicht zu bestimmen. Dies ermöglicht die Realisierung sehr kompakter Spektrometer. A modulator device according to the invention, which introduces amplitude modulation dependent on the speed of moving charge carriers, in such a way that this is dependent on the wavelength, can be used to analyze the spectral distribution of the incident electromagnetic radiation. A frequency analysis of the signal reveals the present wavelengths via the relationship with the speed of the moving charge carriers. An array of modulator cells that introduce amplitude modulation can thus be used together with an assigned detector array for spectral imaging. A boundary condition is a known angle of incidence. Conversely, if the spectral distribution is known, conclusions can be drawn about the angular distribution. This can be done with a single detector, or with a detector field that can serve as a wavefront sensor. Even if the spectrum of the lighting is not known, at least deviations from a plan wave can be determined. This means that the angle of incidence of a plane wave, ie also a wedge angle, is not determined, which is usually not exactly necessary for wavefront measurements. This corresponds to a wavefront measurement after the wedge has been withdrawn. For a single element of the combination of amplitude modulator field and detector field there is the possibility of angle measurement. In total, there is the possibility of a wavefront measurement. In terms of measuring a wavelength or a wavelength distribution, measurements can be carried out at several angles or even over a larger angle range that is tuned through. The measurement uncertainty can be minimized by means of a fit, for example using the method of minimizing the squares of the deviations. Starting from a known wavelength or starting from a known spectral distribution, an angle measurement can be used to measure a set of angles, and also to measure the tuning of an angle range. For example, a measurement can be made using a set of two, three or more angles or wavelengths. For example, to determine the angle of impingement on a layer through which the current flows, a set of three beams can be used which have a slight difference in their direction of propagation. It is also possible to use three coaxial wave fields with different wavelengths, for example or preferably also with the inclusion of a reference wavelength that is known with sufficient accuracy, to determine the angle of impact on a layer through which the current flows. This enables the realization of very compact spectrometers.
Eine weitere Anwendung einer erfindungsgemäßen Modulator-Vorrichtung besteht darin, dass sich die Realisierung einer Phasenschiebung über die zeitversetzte Aufnahme eines Detektor-Feldes unter Verwendung eines Steuer-Signals erreichen lässt. Beispielsweise kann die Bild-Aufnahme einer Kamera, die in einem Interferometer eingesetzt wird, über ein Steuersignal ausgelöst werden, welches sich bei der spezifisch eingeführten Modulationsfrequenz zu dieser in seiner zeitlichen Phasenlage verschiebt. Somit werden in der Phase geschobene Interferenzmuster aufgenommen. Es gibt auch die Möglichkeit, ein periodisches Steuersignal mit einer gezielt variierenden Abstimmungs-Zeitspanne zu kombinieren. Diese Möglichkeit der gezielten Einstellung einer zeitlichen Verzögerung ist häufig in Kameras implementiert, die über Steuersignale angesprochen werden können. Eine weitere Möglichkeit ist die gezielte Wahl des Verhältnisses von Modulationsfrequenz und fester Frequenz der Bild-Aufnahme. So lässt sich ein Satz von Bildern gewinnen, welche zueinander eine bestimmte Phasenlage aufweisen. A further application of a modulator device according to the invention is that the implementation of a phase shift can be achieved via the time-shifted recording of a detector field using a control signal. For example, the image recording of a camera that is used in an interferometer can be triggered via a control signal which, at the specifically introduced modulation frequency, shifts in its temporal phase position relative to this. Thus, interference patterns shifted in phase are recorded. There is also the possibility of combining a periodic control signal with a specifically varying tuning time span. This possibility of targeted setting of a time delay is often implemented in cameras that can be addressed via control signals. Another possibility is the specific choice of the ratio of modulation frequency and fixed frequency of the image recording. In this way, a set of images can be obtained which have a specific phase relationship to one another.
Eine weitere Anwendung einer erfindungsgemäßen Modulator-Vorrichtung besteht darin, u.a. in Interferometer- Anordnungen, eine Phasenschiebung über eine zeitlich versetzte Aufnahme zu implementieren, bei vorliegenden Modulationsfrequenzen, die deutlich über der Bildwiederholfrequenz eingesetzter Kameras liegen. Randbedingung sind hinreichend kurze Belichtungszeiten, d.h. zumindest < der halben Periode der eingeführten Modulationsfrequenz. Die zeitliche Verschiebung dieses hinreichend schmalen Detektionsfensters innerhalb der Bildwiederholfrequenz der Kamera ermöglicht die Aufnahme von Bildern, die bezüglich der Modulationsfrequenz in der Phase verschoben sind. Another application of a modulator device according to the invention is to implement a phase shift in interferometer arrangements by means of a time-shifted recording, with modulation frequencies that are significantly higher than the image repetition frequency of cameras used. Boundary conditions are sufficiently short exposure times, i.e. at least <half the period of the modulation frequency introduced. The time shift of this sufficiently narrow detection window within the image repetition frequency of the camera enables the recording of images which are shifted in phase with respect to the modulation frequency.
Eine weitere Anwendung einer erfindungsgemäßen Modulator-Vorrichtung besteht darin, die eingeführte Modulationsfrequenz zeitlich, d.h. über den Zeitraum der Aufzeichnung mehrerer Interferogramme zu variieren. Somit lassen sich auch bei fester Bildwiederholfrequenz und fester Lage des Aufnahmefensters innerhalb dieser in der Phase verschobene Interferogramme aufzeichnen. Die dargestellten Methoden lassen sich miteinander kombinieren. A further application of a modulator device according to the invention consists in varying the introduced modulation frequency over time, i.e. over the period of the recording of several interferograms. Thus, even with a fixed image repetition frequency and a fixed position of the recording window within this phase-shifted interferograms can be recorded. The methods shown can be combined with one another.
Die Modulator-Schicht der erfindungsgemäßen Modulator-Vorrichtung kann eine dünne metallische Fläche sein, die vom Strom durchflossen ist. Somit ist eine Modulator-Vorrichtung u.a. mit der Strahl-Führung eines Retro-Reflektors realisierbar. Im Einzelfall kann es auch vorteilhaft sein, gekrümmte Modulator-Schichten zu verwenden. Eine weitere Anwendung einer erfindungsgemäßen Modulator-Vorrichtung besteht darin, dass eine relative Winkel-Änderung zwischen Modulator-Schicht, die beispielsweise auch in Form eines Segmentes, welches Bestandteil eines Detektor-Feldes ist, ausgeführt sein kann, und lokal auftreffendem, d.h. lokal beleuchtendem Wellen-Feld, welche in eine Frequenz- Änderung umgewandelt wird, in einem Wellenfront Sensor verwendet werden kann, um Wellenfronten zu messen. The modulator layer of the modulator device according to the invention can be a thin metallic surface through which the current flows. A modulator device can thus be implemented, inter alia, with the beam guidance of a retro reflector. In individual cases it can also be advantageous to use curved modulator layers. Another application of a modulator device according to the invention is that a relative change in angle between the modulator layer, which can also be implemented, for example, in the form of a segment which is part of a detector field, and locally incident, ie locally illuminating, waves Field, which is converted into a frequency change, can be used in a wavefront sensor to measure wavefronts.
Eine weitere Anwendung einer erfindungsgemäßen Modulator-Vorrichtung besteht darin, dass eine relative Winkel-Änderung zwischen Modulator-Schicht, die beispielsweise auch in Form eines Segmentes, welches Bestandteil eines Detektor-Feldes ist, ausgeführt sein kann, und lokal auftreffendem, d.h. lokal beleuchtendem Wellen-Feld, welche in eine Frequenz- Änderung umgewandelt wird, in einem bildgebenden Sensor zur spektral sensitiven Abbildung verwendet werden kann. Beispielsweise kann auf diese Weise ein Doppelbild erzeugt werden, welches von einem Detektor-Feld aufgezeichnet werden kann, welches über eine hinreichend hohe Bildwiederholfrequenz verfügt. Anhand einer erfolgenden Frequenz-Analyse können spektrale Bestandteile bestimmt werden. Dies kann beispielsweise in Teleskopen eingesetzt werden. Ein Vorteil ist hierbei explizit der große Spektralbereich, in dem das offenbarte Prinzip der Modulation angewandt werden kann. So kann beispielsweise im UV- oder auch im IR- Bereich gearbeitet werden. Another application of a modulator device according to the invention is that a relative change in angle between the modulator layer, which can also be implemented, for example, in the form of a segment which is part of a detector field, and locally incident, ie locally illuminating, waves Field, which is converted into a frequency change, can be used in an imaging sensor for spectrally sensitive imaging. For example, a double image can be generated in this way, which can be recorded by a detector field which has a sufficiently high image repetition rate. Spectral components can be determined on the basis of a frequency analysis that is carried out. This can be used in telescopes, for example. An advantage here is explicitly the large spectral range in which the disclosed principle of modulation can be applied. For example, it is possible to work in the UV or also in the IR range.
Der sehr kompakte Aufbau möglicher Modulator-Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung ist vorteilhaft für mobile Systeme, wie sie beispielsweise in Autos eingesetzt werden, um über Frequenz-Modulation und 2D-Abtastung 3D-Objekte zu erfassen. Zudem ist auch ein geringer Stromverbrauch vorteilhaft, speziell auch für mobile Systeme. The very compact design of possible modulator devices according to the present invention is advantageous for mobile systems such as those used in cars, for example, in order to detect 3D objects via frequency modulation and 2D scanning. In addition, low power consumption is also advantageous, especially for mobile systems.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
Die Fig. 1 bis 11, 14 und 15 und 19 bis 21 zeigen Modulator-Vorrichtungen nach verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung. 1 to 11, 14 and 15 and 19 to 21 show modulator devices according to various embodiments of the invention.
Die Fig. 12 und 13 zeigen jeweils ein Winkel-Mess-System gemäß Ausführungsformen der Erfindung, die eine erfindungsgemäße Modulator-Vorrichtung einsetzen. 12 and 13 each show an angle measuring system according to embodiments of the invention which use a modulator device according to the invention.
Die Fig. 16 bis 18 zeigen jeweils ein Interferometer gemäß Ausführungsformen der Erfindung, die eine oder mehrere erfindungsgemäße Modulator-Vorrichtungen einsetzen. BESCHREIBUNG DER FIGUREN 16 to 18 each show an interferometer according to embodiments of the invention which use one or more modulator devices according to the invention. DESCRIPTION OF THE FIGURES
In der Figur l ist eine Modulator-Vorrichtung 1319 nach einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt, welche eine Frequenz-Modifikation des reflektierten Lichtes einführt. Die Modulator-Vorrichtung 1319 umfasst ein Substrat, das mit einer Modulator-Schicht beschichtet ist, die eine elektrisch leitende, spiegelnde Fläche bildet, an die eine Spannung angelegt werden kann. Diese führt zu einem Stromfluss. Bei einem schrägen Einfall auf die elektrisch leitende Fläche kann, verursacht durch bewegte Ladungsträger, eine Doppler- Verschiebung eingeführt werden, d.h. in dem Teil der einfallenden elektromagnetischen Welle, welcher an gerichtet bewegten Ladungsträgern reflektiert wird. An die Kontakte 2i und 2i2 wird jeweils eine Spannung angelegt, derart, dass zwischen den Kontakten eine Spannungsdifferenz vorliegt, die zum Stromfluss führt. Da, abhängig von den Parametern der verwendeten Materialien, der Teil der einfallenden elektromagnetischen Welle, welcher an gerichtet bewegten Ladungsträgern reflektiert wird, auch einen Anteil < 100 % des reflektierten Lichtes ausmachen kann, kann im reflektierten Anteil einer auf den Modulator 1319 einfallenden elektromagnetischen Welle sowohl ein Anteil vorliegen, der in der Frequenz verschoben ist, als auch ein Anteil, der es nicht ist. Die Überlagerung beider Anteile im reflektierten Strahl ergibt eine Amplituden-Modulation mit der vorliegenden Schwebungsfrequenz, d.h. mit der Differenzfrequenz, die hier der eingeführten Frequenzverschiebung entspricht. Somit kann die Modulator-Vorrichtung 1319 aus Figur 1 sowohl als rein Frequenz verschiebendes Bauteil als auch als Amplituden-Modulator angesehen werden bzw. stellvertretend dafür betrachtet werden. FIG. 1 shows a modulator device 1319 according to an embodiment of the invention which introduces a frequency modification of the reflected light. The modulator device 1319 comprises a substrate which is coated with a modulator layer which forms an electrically conductive, reflective surface to which a voltage can be applied. This leads to a current flow. In the event of an oblique incidence on the electrically conductive surface, caused by moving charge carriers, a Doppler shift can be introduced, ie in that part of the incident electromagnetic wave which is reflected on directionally moving charge carriers. A voltage is applied to each of the contacts 2i and 2i 2 in such a way that there is a voltage difference between the contacts, which leads to the flow of current. Since, depending on the parameters of the materials used, the part of the incident electromagnetic wave that is reflected on directionally moving charge carriers can also make up a portion of <100% of the reflected light, the reflected portion of an electromagnetic wave incident on the modulator 1319 can both there is a component that is shifted in frequency, as well as a component that is not. The superposition of both components in the reflected beam results in an amplitude modulation with the existing beat frequency, ie with the difference frequency, which here corresponds to the frequency shift introduced. The modulator device 1319 from FIG. 1 can thus be viewed both as a purely frequency-shifting component and as an amplitude modulator or as a representative thereof.
Die Modulator-Vorrichtung 1319 kann funktionell mit anderen, beispielsweise ebenfalls in einem Strahlengang verwendeten Bauteilen kombiniert werden. Die Modulator-Vorrichtung 1319 aus Figur 1 kann auf der Hypotenuse eines transparenten Prismas integriert werden. Es ergibt sich eine Modulator-Vorrichtung 1316, die auf einem Prisma aufbaut. Dies ist in Figur 2 dargestellt. Der über die leitende Fläche fließende Strom ist definiert einstellbar. Das Substrat der Modulator-Vorrichtung 1316 ist für die einfallende elektromagnetische Strahlung zumindest teilweise durchlässig und weist eine erste (Hypotenuse), eine zweite und eine dritte Außenfläche auf. Die zweite und die dritte Außenfläche sind senkrecht zueinander. Die erste Außenfläche (Hypotenuse), die schräg zur zweiten und zur dritten Außenfläche ist, ist mit der Modulator-Schicht beschichtet. The modulator device 1319 can be functionally combined with other components, for example also used in a beam path. The modulator device 1319 from FIG. 1 can be integrated on the hypotenuse of a transparent prism. The result is a modulator device 1316 which is based on a prism. This is shown in FIG. The current flowing over the conductive surface can be set in a defined manner. The substrate of the modulator device 1316 is at least partially transparent to the incident electromagnetic radiation and has a first (hypotenuse), a second and a third outer surface. The second and third outer surfaces are perpendicular to each other. The first outer surface (hypotenuse), which is inclined to the second and third outer surface, is coated with the modulator layer.
Die Modulator-Schicht der Modulator-Vorrichtung kann teildurchlässig sein. Auf diese Weise kann ein Strahlteiler realisiert werden. Die Modulator-Vorrichtung kann in Form eines Strahlteil er-Würf eis 1920-1323 aufgebaut sein. Dies ist in Figur 3 dargestellt. Der transmittierte Anteil weist hier keine Frequenz-Modifikation auf. Der über die leitende, teildurchlässige Modulator-Schicht fließende Strom ist definiert einstellbar. The modulator layer of the modulator device can be partially transparent. A beam splitter can be implemented in this way. The modulator device can be constructed in the form of a beam splitter cube 1920-1323. This is shown in FIG. Of the The transmitted portion has no frequency modification here. The current flowing through the conductive, partially permeable modulator layer can be set in a defined manner.
Die Modulator-Vorrichtung, die beispielsweise aus einem, mit einer elektrisch leitenden Fläche bzw. Modulator-Schicht beschichteten Substrat besteht (1319), einschließlich der für den Stromfluss notwendigen elektrische Kontaktierung (2I1, 2i2), kann mit einer Reihe zusätzlicher Schichten versehen werden. So kann eine zusätzliche Reflexionsschicht 1819 in Figur 4 dazu verwendet werden, einen Anteil der einfallenden elektromagnetischen Strahlung vor der elektrisch leitenden Schicht bzw. der Modulator-Schicht zu reflektieren, d.h. ohne Einführung einer Frequenz-Modifikation in diesem Anteil. Die Reflexionsschicht kann selektiv auf unterschiedliche Polarisations-Zustände eines einfallenden Wellenfeldes wirken. Die Reflexionsschicht 1819 in Figur 4 kann beispielsweise derart ausgelegt werden, dass eine Polarisation an ihr hinreichend vollständig reflektiert wird und die dazu orthogonale Polarisation nicht, d.h., dass diese erst an der elektrisch leitenden Modulator-Schicht reflektiert wird. The modulator device, which consists for example of a substrate coated with an electrically conductive surface or modulator layer (1319), including the electrical contact (2I 1 , 2i 2 ) necessary for the flow of current, can be provided with a number of additional layers will. Thus, an additional reflective layer 1819 in FIG. 4 can be used to reflect a portion of the incident electromagnetic radiation in front of the electrically conductive layer or the modulator layer, ie without introducing a frequency modification in this portion. The reflective layer can act selectively on different polarization states of an incident wave field. The reflective layer 1819 in FIG. 4 can, for example, be designed in such a way that a polarization is sufficiently fully reflected on it and the polarization orthogonal thereto is not, ie, that it is only reflected on the electrically conductive modulator layer.
Eine Reihe von Ausführungs-Formen einer Modulator-Vorrichtung ergeben sich aus der Verwendung von Draht-Gitter Polarisatoren, wie dies mit der Schicht 4716 in Figur 5 dargestellt ist. Diese Ausführung der elektrisch leitenden und von einem definiert einstellbaren Strom durchflossene Modulator-Schicht als Draht-Gitter Polarisator ermöglicht die Einführung einer Frequenzverschiebung, welche nur auf einen Polarisationszustand des einfallenden Lichts wirkt. Wie in Figur 5 dargestellt, wird ein Polarisationszustand reflektiert und der dazu orthogonale Polarisationszustand passiert den Draht-Gitter Polarisator und wird hier beispielsweise von einer Spiegel-Schicht 19 reflektiert. Dieser zweite Anteil des einfallenden elektromagnetischen Wellen-Feldes erfährt keine Frequenzverschiebung. Im von der Modulator-Vorrichtung reflektierten Anteil des einfallenden elektromagnetischen Wellenfeldes können ein in der Frequenz verschobener und ein nicht in der Frequenz verschobener Anteil enthalten sein. A number of embodiments of a modulator device result from the use of wire-grid polarizers, as shown by layer 4716 in FIG. This design of the electrically conductive modulator layer, through which a defined, adjustable current flows, as a wire-grid polarizer enables the introduction of a frequency shift which only affects one polarization state of the incident light. As shown in FIG. 5, a polarization state is reflected and the polarization state orthogonal thereto passes the wire-grid polarizer and is reflected here, for example, by a mirror layer 19. This second part of the incident electromagnetic wave field does not experience any frequency shift. The portion of the incident electromagnetic wave field reflected by the modulator device can contain a portion that is shifted in frequency and a portion that is not shifted in frequency.
In der Modulator-Vorrichtung, welche in Figur 6 dargestellt ist, findet die Einführung einer Doppler-Verschiebung in einen Teil der reflektierten elektromagnetischen Strahlung an der Hypotenuse eines für die Strahlung hinreichend transparenten Prismas statt. Die Modulator- Schicht 4716 stellt einen Draht-Gitter Polarisator dar, der elektrisch leitend ist und an dem eine Spannungsdifferenz zwischen den Kontakten 2i und 2i2 erzeugt werden kann, welche zum Stromfluss führt. Der Draht-Gitter Polarisator zeigt eine, für orthogonale Polarisations- Zustände unterschiedliche, d.h. in der Polarisation selektive Reflexion. Der den Draht-Gitter Polarisator passierende Anteil des elektromagnetischen Feldes wird auf der Rückseite der Prismen-Hypotenuse von einer Reflexions-Schicht 419-1819 reflektiert, welche beispielsweise auch ein dielektrischer Schicht-Aufbau sein kann. Es kann auch eine Metall-Beschichtung eingesetzt werden oder der Umstand der Totalreflexion genutzt werden, welche keine Beschichtung verlangt. In the modulator device shown in FIG. 6, a Doppler shift is introduced into part of the reflected electromagnetic radiation at the hypotenuse of a prism that is sufficiently transparent for the radiation. The modulator layer 4716 represents a wire-grid polarizer which is electrically conductive and at which a voltage difference can be generated between the contacts 2i and 2i 2 , which leads to the flow of current. The wire-grid polarizer shows a reflection which is different for orthogonal polarization states, ie a reflection which is selective in terms of polarization. The portion of the electromagnetic field passing the wire-grid polarizer is on the back of the Prism hypotenuse reflected by a reflection layer 419-1819, which can also be a dielectric layer structure, for example. A metal coating can also be used or the fact of total reflection can be used, which does not require a coating.
Eine reflektierende Struktur, wie ein Draht-Gitter Polarisator kann in elektrisch kontaktierter Form zwischen zwei Prismen angeordnet werden. Somit ergibt sich ein Polarisations-Strahl- Teiler, der es erlaubt, eine Doppler-Verschiebung nur in einem der beiden Pfade/Ausgänge einzuführen. Dieser Draht-Gitter Polarisator basierte Strahl -Teiler Würfel 47-1323 ist in Figur 7 dargestellt. A reflective structure, such as a wire-grid polarizer, can be arranged in an electrically contacted form between two prisms. This results in a polarization beam splitter which allows a Doppler shift to be introduced only in one of the two paths / outputs. This wire-grid polarizer based beam splitter cube 47-1323 is shown in FIG.
Das offenbarte Modulator-Prinzip kann mit der Verwendung von Beugungsgittern kombiniert werden. In Figur 8 ist eine Modulator-Vorrichtung dargestellt, deren Modulator-Schicht als Beugungsgitter ausgeführt ist, welches eine elektrisch leitende Schicht aufweist, die elektrisch kontaktiert ist. Eine Spannungs-Differenz kann zwischen den Kontakten 2i und 2i2 erzeugt werden, welche zum Stromfluss führt. Eine Ausführungsform besteht in einem Oberflächen- Relief-Gitter, welches eine elektrisch leitende Beschichtung aufweist. Diese Gitter-Modulator Anordnung 71319 kann mehrere Beugungsordnungen erzeugen bzw. entsprechend ausgelegt werden. Es ist auch möglich, dass nur eine oder nur zwei Beugungsordnungen vorliegen. In Figur 8 ist die + 2-te Beugungsordnung evaneszent und die - 4-te Beugungsordnung in Gegen- Richtung zum einfallenden Strahl angeordnet. In den unterschiedlichen Beugungsordnungen liegen unterschiedliche Doppler-Verschiebungen vor. In Überlagerung mit nicht in der Frequenz verschobenen Anteilen bzw. mit unterschiedlich in der Frequenz verschobenen Anteilen ergeben sich unterschiedliche Schwebungsfrequenzen, d.h. unterschiedliche Frequenzen der Amplituden-Modulation. Gitter-Modulatoren können einen Satz von Doppler- Verschiebungen bzw. einen Satz von Frequenzen einer Amplituden-Modulation erzeugen. Zur Realisierung einer Winkel-Messung kann das Gitter gedreht werden und eine Änderung von zumindest einer Schwebungsfrequenz gemessen werden. Für eine Winkel-Messung kann beispielsweise auch die Beugungsordnung verwendet werden, welche die sogenannte Littrow- Konfiguration ergibt. Bei entsprechend kleiner Gitterperiode L kann es sich dabei auch um die - i-te Beugungsordnung handeln. Ist die Gitterperiode L kleiner als die Wellenlänge der auf das Gitter einfallenden elektromagnetischen Strahlung, propagiert u. U. nur eine einzige Beugungsordnung (und die o-te Beugungsordnung). Die Messung von mehreren Schwebungsfrequenzen ermöglicht eine signifikante Verringerung der Messunsicherheit. D.h. es kann in vorteilhafter Wiese mit einem Satz von Beugungswinkeln, welche den einzelnen Beugungsordnungen zugeordnet sind und/ oder mit einem Satz von mehreren Wellenlängen gearbeitet werden. Es ergeben sich sehr vielfältige Design-Möglichkeiten, welche auf diesem Prinzip aufbauen. Es ist beispielsweise auch möglich, das Oberflächen-Relief-Gitter in senkrechtem Einfall zu beleuchten, d.h. beispielsweise diese Stellung als Nullposition einer Winkelmessung zu verwenden. Die Realisierung eines senkrechten Einfalls auf eine Modulator-Vorrichtung 1319 kann beispielsweise mittels Gitter erfolgen, die segmentiert sein können. Dies ist in Figur 9 dargestellt. Die Eingangs-Wellenfront trifft auf ein Einkoppel-Gitter-Segment 5722, welches beispielsweise als Volumengitter, basierend auf der Bragg-Beugung, ausgeführt ist. Es kann eine Auslegung auf eine einzelne Beugungsordnung erfolgen. Das von der Modulator-Schicht reflektierte Licht trifft auf ein Auskoppel-Gitter-Segment 1722, welches das Licht hier in Richtung Retro-Reflexion beugt. Ein Multiplex von Volumengitter-Geometrien kann ebenfalls eingesetzt werden, beispielsweise um den Betrieb bei mehreren Primär-Wellenlängen zu ermöglichen bzw. beispielsweise auch in Kombination mit einem Satz mehrerer Winkel. Es können auch Oberflächen-Relief-Gitter verwendet werden. Abhängig vom Oberflächen-Relief können definierte Intensitäten in definierten Beugungsordnungen realisiert werden, d.h. beispielsweise auch nur in einer gebeugten Ordnung. The disclosed modulator principle can be combined with the use of diffraction gratings. FIG. 8 shows a modulator device, the modulator layer of which is designed as a diffraction grating which has an electrically conductive layer with which electrical contact is made. A voltage difference can be generated between the contacts 2i and 2i 2 , which leads to the flow of current. One embodiment consists of a surface relief grid which has an electrically conductive coating. This grating modulator arrangement 71319 can generate several diffraction orders or be designed accordingly. It is also possible that only one or only two diffraction orders are present. In FIG. 8, the +2th order of diffraction is evanescent and the -4th order of diffraction is arranged in the opposite direction to the incident beam. There are different Doppler shifts in the different diffraction orders. When superimposed with components that are not shifted in frequency or with components shifted differently in frequency, different beat frequencies result, ie different frequencies of the amplitude modulation. Grating modulators can produce a set of Doppler shifts or a set of frequencies of amplitude modulation. To implement an angle measurement, the grating can be rotated and a change in at least one beat frequency can be measured. For an angle measurement, for example, the diffraction order can also be used, which results in the so-called Littrow configuration. If the grating period L is correspondingly small, it can also be the - i-th diffraction order. If the grating period L is smaller than the wavelength of the electromagnetic radiation incident on the grating, only a single diffraction order (and the o-th diffraction order) may propagate. The measurement of several beat frequencies enables a significant reduction in the measurement uncertainty. That is to say, it is possible to work in an advantageous manner with a set of diffraction angles which are assigned to the individual diffraction orders and / or with a set of several wavelengths. There are very diverse design possibilities, which on this Build principle. It is also possible, for example, to illuminate the surface relief grating with perpendicular incidence, that is to say, for example, to use this position as the zero position of an angle measurement. The implementation of a perpendicular incidence on a modulator device 1319 can take place, for example, by means of grids, which can be segmented. This is shown in FIG. The input wavefront hits a coupling-in grating segment 5722, which is designed, for example, as a volume grating based on Bragg diffraction. It can be designed for a single diffraction order. The light reflected by the modulator layer strikes a coupling-out grating segment 1722, which here bends the light in the direction of retro-reflection. A multiplex of volume grating geometries can also be used, for example to enable operation at several primary wavelengths or, for example, also in combination with a set of several angles. Surface relief grids can also be used. Depending on the surface relief, defined intensities can be realized in defined diffraction orders, that is to say, for example, only in a diffracted order.
Im Sinne einer Winkelmessung kann zwischen der Ebene, welche die Gitter-Segmente trägt und der Modulator-Vorrichtung 1319 ein variabler, hier zu bestimmender Winkel k eingeführt werden. Die auf den aus der Modulator-Schicht austretenden Strahl wirkende Doppler- Verschiebung ändert sich mit einer Winkel-Änderung. Im Sinne der Reduzierung der Messunsicherheit kann auch mit einem Satz von Beugungswinkeln und/ oder mit einem Satz von Wellenlängen gearbeitet werden, so dass sich mehrere Frequenzen verschieben. Eine Anordnung zur Winkelmessung kann i.A. in zwei Richtungen durchlaufen werden, derart, dass zwei Doppler-Verschiebungen detektierbar sind, die sich bei Symmetrie im Winkel und bei Verwendung derselben Wellenlänge auch aufheben können. In the sense of an angle measurement, a variable angle k to be determined here can be introduced between the plane which carries the grating segments and the modulator device 1319. The Doppler shift acting on the beam emerging from the modulator layer changes with a change in angle. In order to reduce the measurement uncertainty, it is also possible to work with a set of diffraction angles and / or with a set of wavelengths, so that several frequencies are shifted. An arrangement for angle measurement can generally be run through in two directions, in such a way that two Doppler shifts can be detected, which can also cancel each other out if the angle is symmetrical and if the same wavelength is used.
Ein Satz von Beugungswinkeln kann beispielsweise mit einem Oberflächen-Relief-Gitter erzeugt werden. In Figur 10 ist die Verwendung eines Oberflächen-Relief-Gitters dargestellt, welches in Transmission betrieben wird, hier direkt vor der Modulator-Schicht. Eine Modulator-Vorrichtung 1319 wird mit unterschiedlichen, hier symmetrischen Beugungsordnungen, z.B. der + i-ten und der - i-ten, beleuchtet. Die Wahl der Gitter-Periode L kann derart erfolgen, dass höhere Beugungsordnungen evaneszent sind. Der Phasenhub des Gitters kann derart gewählt werden, dass nur die ± i-ten Beugungsordnungen vorliegen. Die Auslegung des Phasenhubes bzw. die Auslegung der Profiltiefe kann auch derart erfolgen, dass ein Anteil der o-ten Beugungsordnung vorliegt, d.h. beispielsweise 1/10 bis 1/3 der Gesamtenergie, welcher direkt zur Erzeugung einer Schwebungsfrequenz verwendet werden kann. Der symmetrische Gitter-Koppler 19711 kann beispielsweise als Sinusgitter ausgeführt werden. In der Figur 10 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit die Beugungsordnungen, die auf dem Rückweg des von der Modulator-Schicht reflektierten Wellenfeldes entstehen und nicht zurück in die Richtung des einfallenden Wellenfeldes propagieren, nicht dargestellt. A set of diffraction angles can be generated, for example, with a surface relief grating. FIG. 10 shows the use of a surface relief grating which is operated in transmission, here directly in front of the modulator layer. A modulator device 1319 is illuminated with different, here symmetrical diffraction orders, for example the + i-th and the -i-th. The grating period L can be selected in such a way that higher diffraction orders are evanescent. The phase deviation of the grating can be selected in such a way that only the ± i-th diffraction orders are present. The design of the phase deviation or the design of the profile depth can also take place in such a way that a portion of the o-th diffraction order is present, ie for example 1/10 to 1/3 of the total energy, which is used directly to generate a beat frequency can. The symmetrical grating coupler 19711 can be designed as a sinusoidal grating, for example. For the sake of clarity, FIG. 10 does not show the diffraction orders which arise on the return path of the wave field reflected by the modulator layer and do not propagate back in the direction of the incident wave field.
In der Figur 10, sowie auch in anderen Figuren, sind aus Gründen der Übersichtlichkeit Strahlen und sich ausbreitende Wellenfelder beispielhaft in Form von Pfeilen dargestellt. Ein Strahl bzw. ein Wellenfeld kann eine Ausdehnung bzw. einen Strahl-Durchmesser aufweisen, welcher einen Großteil der freien Apertur des Bauteiles einnimmt bzw. auch die gesamte Apertur. Bei dem auf die in Figur 10 dargestellte Modulator-Vorrichtung einfallenden Wellenfeld kann es sich auch um eine ausgedehnte Wellenfront bzw. um ein ausgedehntes Wellenfeld handeln, welches beispielsweise 70 % der freien Apertur des symmetrischen Gitter- Kopplers 19711 einnimmt. Somit ergeben sich, bei geeigneter Profilhöhe, d.h. bei dem Vorhandensein der o-ten Beugungsordnung des einfallenden Wellenfeldes, drei Wellen-Felder, die entgegen der Ausgangsrichtung propagieren. Diese Wellenfelder überlappen teilweise. In den Überlappungsbereichen liegen unterschiedliche Schwebungsfrequenzen vor. In dieser Anordnung kann im Sinne einer Winkelmessung zwischen der Gitter-Ebene und der Modulator-Einheit 1319 ein variabler, hier zu bestimmender Winkel k eingeführt werden. Die auf die aus der Modulator-Vorrichtung austretenden Strahlen, bzw. Wellen-Felder wirkenden Doppler-Verschiebungen ändern sich mit einer Winkel-Änderung. In FIG. 10, as well as in other figures, rays and propagating wave fields are shown by way of example in the form of arrows for reasons of clarity. A beam or a wave field can have an extension or a beam diameter which takes up a large part of the free aperture of the component or also the entire aperture. The wave field incident on the modulator device shown in FIG. 10 can also be an extended wave front or an extended wave field which, for example, occupies 70% of the free aperture of the symmetrical grating coupler 19711. With a suitable profile height, i.e. with the existence of the o-th diffraction order of the incident wave field, there are three wave fields that propagate against the exit direction. These wave fields partially overlap. There are different beat frequencies in the overlapping areas. In this arrangement, in the sense of an angle measurement between the grating plane and the modulator unit 1319, a variable angle k to be determined here can be introduced. The Doppler shifts acting on the rays or wave fields emerging from the modulator device change with a change in angle.
Eine Abwandlung der Anordnung, welche in Figur 10 dargestellt ist, kann derart erfolgen, dass sich eine monolithische Modulator-Vorrichtung 13713 ergibt, welche auf der Eingangs-Seite eines transparenten Substrates einen symmetrische Gitter-Koppler 19711 und auf der Rückseite eine reflektierende Modulator-Schicht aufweist, welche die eigentliche Modulator- Vorrichtung 1319 darstellt. Eine monolithische Ausführungsform ist in Figur 11 dargestellt. Auch diese Anordnung kann zur Messung des Winkels zwischen einfallender Welle bzw. einfallendem Strahl und Modulator-Einheit verwendet werden. Eine Abweichung vom Einfallswinkel q0, der in seiner Nullposition beispielsweise 90 0 beträgt, kann als Frequenz- Abweichung detektiert werden. Eine Verkippung des Eingangs-Wellenfeldes ändert die eingeführte Doppler-Verschiebung. Der Einfluss der Änderung des Winkels der Ausbreitung in Richtung Detektor auf die detektierte Intensität kann beispielsweise mithilfe einer Linse minimiert werden, die im Abstand ihrer Brennweite vor der Modulator-Vorrichtung angeordnet ist. The arrangement shown in FIG. 10 can be modified in such a way that a monolithic modulator device 13713 results, which has a symmetrical grating coupler 19711 on the input side of a transparent substrate and a reflective modulator layer on the back which represents the actual modulator device 1319. A monolithic embodiment is shown in FIG. This arrangement can also be used to measure the angle between the incident wave or incident beam and the modulator unit. A deviation of the angle of incidence q is 0, which is in its zero position, for example 90 0, can be detected as frequency deviation. A tilt of the input wave field changes the introduced Doppler shift. The influence of the change in the angle of the propagation in the direction of the detector on the detected intensity can be minimized, for example, with the aid of a lens which is arranged at a distance from its focal length in front of the modulator device.
Die relative Winkel-Änderung zwischen Modulator-Schicht, die beispielsweise auch in Form eines Oberflächen-Relief-Gitters ausgeführt sein kann, und auftreffendem, d.h. beleuchtendem Wellen-Feld, welche in eine Frequenz-Änderung umgewandelt wird, kann in einem Autokollimator verwendet werden, um Winkel von anzutastenden Flächen zu messen. In Figur 12 ist eine beispielhafte Ausführungsform eines Autokollimators dargestellt, die eine erfindungsgemäße Modulator-Vorrichtung 1920-135 aufweist, die Teil eines Strahlteilers ist. Das von der Ebene einer Messmarke 185 ausgehende Licht wird von einer Linse kollimiert, in deren vorderer Brennebene sich die Ebene der Messmarke befindet. Ist die Messmarke beispielsweise nur ein Punkt, so liegt hinter dem Kollimator eine Planwelle vor. Optional kann der Anteil, der an der Rückseite der Modulator-Vorrichtung reflektiert wird, in einem Referenz-Strahlengang 13-197 zum Messen der Grund-Modulation verwendet werden. Eine zumindest auf kleiner Fläche verwendbare Detektor-Einheit 54-45, die beispielsweise auch eine Photodiode sein kann, kann dazu verwendet werden, eine Referenz-Frequenz zu erzeugen, derart, dass eine Dejustage und/oder eine spektrale Drift und/oder eine Änderung der spektralen Verteilung der verwendeten Lichtquelle bestimmt und in Bezug auf das Messergebnis kompensiert werden kann. Eine Aufweitungsoptik 12315 dient der Anpassung des Messstrahl-Durchmessers an das optisch anzutastende Messobjekt 192120. The relative change in angle between the modulator layer, which can also be designed, for example, in the form of a surface relief grating, and the incident, ie illuminating wave field, which is converted into a frequency change, can be used in an autocollimator to measure angles of surfaces to be scanned. FIG. 12 shows an exemplary embodiment of an autocollimator which has a modulator device 1920-135 according to the invention, which is part of a beam splitter. The light emanating from the plane of a measuring mark 185 is collimated by a lens, in the front focal plane of which the plane of the measuring mark is located. For example, if the measuring mark is only a point, there is a plane wave behind the collimator. Optionally, the portion that is reflected on the rear side of the modulator device can be used in a reference beam path 13-197 for measuring the basic modulation. A detector unit 54-45 which can be used at least on a small area and which can also be a photodiode, for example, can be used to generate a reference frequency in such a way that a misalignment and / or a spectral drift and / or a change in the spectral distribution of the light source used can be determined and compensated for in relation to the measurement result. An expansion optic 12315 is used to adapt the measuring beam diameter to the measuring object 192120 to be optically touched.
Für die Realisierung einer Optik zur Kollimation bzw. zur Strahl-Aufweitung gibt es eine Reihe unterschiedlicher Anordnungen. Dabei können refraktive, reflektierende und diffraktive Bauteile eingesetzt werden. In Figur 13 ist die Aufweitungsoptik 123157 eines Autokollimators in Form eines Galilei-Teleskopes dargesteht. Dies ermöglicht eine kompakte Bauweise. Die Kombination aus Strahlteiler und Modulator-Element 1920-135-47 basiert auf Prismen, die zu einem Würfel zusammengesetzt sind. There are a number of different arrangements for implementing optics for collimation or beam expansion. Refractive, reflective and diffractive components can be used. FIG. 13 shows the expansion optics 123157 of an autocollimator in the form of a Galilean telescope. This enables a compact design. The combination of beam splitter and modulator element 1920-135-47 is based on prisms that are put together to form a cube.
So wie in Figur 12 ist in Figur 13 nur die Einführung einer Frequenz-Modiükation entlang einer Richtung dargestellt. Dies dient der Übersichtlichkeit. Die Integration von zwei erfindungsgemäßen Modulator-Vorrichtungen, welche eine Doppler-Verschiebung entlang zweier orthogonaler Richtungen einführen können, ermöglicht die Bestimmung zweier orthogonaler Winkel über die Frequenz-Änderung. In vorteilhafter Weise sind beide einführbaren Frequenzbereiche ohne Überlappung ausgeführt. Darüber hinaus ermöglicht beispielsweise eine je Fläche unterschiedliche Modulation des Signals eine Trennung, auch bei gleicher Grundfrequenz. In Figur 14 sind zwei geeignet angeordnete Modulator-Schichten in einer kompakten Bauweise 1920-135-47-264 dargestellt. As in FIG. 12, only the introduction of a frequency modification along one direction is shown in FIG. This is for the sake of clarity. The integration of two modulator devices according to the invention, which can introduce a Doppler shift along two orthogonal directions, enables two orthogonal angles to be determined via the frequency change. Advantageously, both frequency ranges that can be introduced are designed without overlap. In addition, for example, a different modulation of the signal for each area enables separation, even with the same fundamental frequency. FIG. 14 shows two suitably arranged modulator layers in a compact design 1920-135-47-264.
Das Licht, welches - im beispielhaften Einsatz innerhalb eines Autokollimators - von der Ebene der Messmarke stammt, trifft unten links auf den Modulator-Strahlteiler auf. Es propagiert nach rechts, wo sich eine Aufweitungsoptik anschließen kann. Optional kann ein nach unten reflektierter Anteil dazu verwendet werden, eine Referenz-Frequenz zu bestimmen (s. hierzu beispielsweise auch Fig. 12, 13-197). Das von der optisch angetasteten Fläche reflektierte Licht trifft von rechts kommend auf die untere Modulator-Schicht auf. Diese Modulator-Schicht kann beispielsweise einen vom Strom durchflossenen Draht-Gitter- Polarisator aufweisen. Der Doppelpfeil stellt die Orientierung der Gitterlinien und des vorteilhaft vorliegenden oszillierenden elektrischen Feldes des auftreffenden Lichtes dar. Optional befindet sich vor der zweiten Modulator-Schicht des 2D Modulators 1920-135-47- 264 eine sogenannte Halb-Wellen-Platte 82316 bzw. eine entsprechende doppelbrechende Schicht. Diese ändert den Polarisations-Zustand. Diese Option ist vorteilhaft, wenn in der zweiten, d.h. oberen, Modulator-Schicht ebenfalls ein vom Strom durchflossener Draht-Gitter- Polarisator eingesetzt wird. Die zweite, d.h. obere, Modulator-Schicht kann auch als nicht strukturierte, metallische, elektrisch leitende Fläche ausgeführt werden. Dies erfordert i.A. keine direkt davor angeordnete Halb-Wellen-Platte. The light that comes from the plane of the measurement mark - in the example used within an autocollimator - hits the modulator beam splitter at the bottom left. It propagates to the right, where an expansion optic can connect. Optionally, a downward reflected portion can be used to determine a reference frequency (See also Fig. 12, 13-197 in this regard, for example). The light reflected from the optically scanned surface hits the lower modulator layer from the right. This modulator layer can, for example, have a wire-grid polarizer through which the current flows. The double arrow represents the orientation of the grid lines and the advantageously present oscillating electric field of the incident light. Optionally, a so-called half-wave plate 82316 or a corresponding one is located in front of the second modulator layer of the 2D modulator 1920-135-47-264 birefringent layer. This changes the polarization state. This option is advantageous if a wire-grid polarizer through which the current flows is also used in the second, ie upper, modulator layer. The second, ie upper, modulator layer can also be designed as a non-structured, metallic, electrically conductive surface. This generally does not require a half-wave plate arranged directly in front of it.
Eine weitere Ausführungsform ist die Verwendung einer nicht strukturierten, metallischen, elektrisch leitenden Fläche als untere Modulator-Schicht (s. Figur 14). Hierbei ist es vorteilhaft, dass das Licht, welches von rechts kommend, d.h. das von der optisch anzutastenden Fläche zurück reflektierte Licht, ein horizontal schwingendes elektrisches Feld aufweist, d.h., dass das E-Feld des Lichtes senkrecht zur Licht-Modulator-Einfallsebene schwingt. In dieser Ausführungsform ist es vorteilhaft, die in Figur 14 optional dargestellte Halb-Wellen-Platte 82316 zu verwenden, d.h. wenn die folgende Modulator-Schicht beispielsweise als nicht strukturierte, metallische, elektrisch leitende Fläche ausgeführt ist. Alternativ ist es auch möglich, die 2D-Modulation zu separieren, d.h. beispielsweise über Strahlteiler-Anordnungen, derart, dass zwei separate Detektor-Einheiten verwendet werden bzw. zwei separierte Teile einer Detektor-Einheit. Es bieten sich i.A. Neutral-Strahlteiler und Polarisations-Strahl -Teiler dafür an. Es können auch diffraktive Strahl-Teiler verwendet werden, d.h. wenn beispielsweise eine feste Design-Wellenlänge verwendet wird bzw. mehrere feste Design-Wellenlängen. Bei Verwendung unterschiedlicher Wellenlängen können auch dichroitische Strahlteiler dafür verwendet werden. Another embodiment is the use of a non-structured, metallic, electrically conductive surface as the lower modulator layer (see FIG. 14). It is advantageous that the light coming from the right, i.e. the light reflected back from the surface to be optically touched, has a horizontally oscillating electrical field, i.e. that the E-field of the light oscillates perpendicular to the plane of incidence of the light modulator. In this embodiment it is advantageous to use the half-wave plate 82316 optionally shown in FIG. 14, i.e. if the following modulator layer is designed, for example, as a non-structured, metallic, electrically conductive surface. Alternatively, it is also possible to separate the 2D modulation, i.e. for example using beam splitter arrangements in such a way that two separate detector units are used or two separate parts of a detector unit. Neutral beam splitters and polarization beam splitters are generally suitable for this. Diffractive beam splitters can also be used, i.e. if, for example, a fixed design wavelength is used or several fixed design wavelengths. If different wavelengths are used, dichroic beam splitters can also be used for this.
Eine Ausführungsform, welche der Erhöhung des Frequenz-Bereiches dient, welcher moduliert werden kann, ist in Figur 15 dargestellt. Eine von links einfallende elektromagnetische Welle wird mehrfach an - hier parallelen - Modulator-Schichten reflektiert. Somit lassen sich beispielsweise deutlich mehr als 10 Reflexionen an einer metallischen, elektrisch leitenden, vom Strom durchflossenen Modulator-Schicht realisieren. Bei angepasster Ausführung der Endfläche kann diese Anordnung auch zu einem Reflektor, oder auch zu einem Retro-Reflektor ausgebaut werden. Hier und generell kann ein Gleichstrom oder ein Wechselstrom an den Kontakten angelegt werden, d.h. hier an den Kontakten 2i und 2I2 der unteren Modulator-Schicht und an den Kontakten 22 und 222 der oberen Modulator- Schicht. Es ist auch möglich, diese Modulator-Vorrichtung in eine rotationssymmetrische Anordnung zu überführen. Dabei gibt es eine erste Kontaktierung an der Eintrittsseite und eine zweite Kontaktierung an der Austrittsseite. In Figur 15 würden somit jeweils die Kontakte 2i mit 22 und 2i2 mit 222 zusammenfallen. Beispielsweise kann eine Kapillare auf ihrer Innenseite elektrisch leitend ausgeführt werden, d.h. beispielsweise dort eine dünne Metallschicht aufweisen. An den beiden Enden werden Kontakte angebracht. An den Kontakten einer Kapillare kann ein Gleichstrom oder ein Wechselstrom angelegt werden. Der gerichtete Stromfluss wird durch die Spannungsdifferenz AU12 eingestellt. An embodiment which serves to increase the frequency range which can be modulated is shown in FIG. An electromagnetic wave incident from the left is reflected several times on - here parallel - modulator layers. Thus, for example, significantly more than 10 reflections can be realized on a metallic, electrically conductive modulator layer through which the current flows. With an adapted design of the end face, this arrangement can also be expanded to a reflector or also to a retro reflector. Here and in general, a direct current or an alternating current can be applied to the contacts, ie here to the contacts 2i and 2I 2 of the lower modulator layer and at the contacts 22 and 22 2 of the upper modulator layer. It is also possible to convert this modulator device into a rotationally symmetrical arrangement. There is a first contact on the entry side and a second contact on the exit side. In FIG. 15, the contacts 2i with 22 and 2i 2 with 22 2 would coincide. For example, a capillary can be designed to be electrically conductive on its inside, that is to say, for example, have a thin metal layer there. Contacts are attached to both ends. A direct current or an alternating current can be applied to the contacts of a capillary. The directed current flow is set by the voltage difference AU 12 .
Polarisations-Strahl-Teiler, oder auch nicht polarisationsselektiv ausgelegte Beugungs- Geometrien, beispielsweise auch Volumengitter-Multiplex-Geometrien, welche für einen senkrechten Einfall ausgelegt sind und dabei jedoch eine - Bauteil interne - Reflexion unter einem hinreichend großen Einfallswinkel auf eine reflektierende Fläche, d.h. beispielsweise einen Einfallswinkel > 100 aufweisen, können über einer Modulator-Schicht angeordnet werden, an der die - Bauteil intern - nicht senkrechte Reflexion erfolgt. Beispielsweise sind einige Polarisations-Strahl-Teiler in der Patentanmeldung DE102006016053B4 aufgeführt [2]. Polarization beam splitter, or non-polarization-selective diffraction geometries, for example volume grating multiplex geometries, which are designed for perpendicular incidence and, however, a - component internal - reflection at a sufficiently large angle of incidence on a reflective surface, ie for example, have an angle of incidence> 10 0 , can be arranged over a modulator layer on which the - component internally - non-perpendicular reflection takes place. For example, some polarization beam splitters are listed in patent application DE102006016053B4 [2].
Der Einsatz einer Polarisations-Änderung bzw. Polarisations-Umschaltung in Verbindung mit Polarisations-Strahlteilern, beispielsweise auch mit diffraktiven Polarisations-Strahlteilern, ermöglicht eine hinreichend schnelle Umschaltung zwischen unterschiedlichen optischen Pfaden. Bei diesen kann es sich um unterschiedliche Modulations-Pfade handeln. Beispielsweise kann der Winkel geändert werden, indem die elektromagnetische Strahlung auf die bewegten Ladungsträger der Modulator-Schicht trifft. The use of a polarization change or polarization switch in connection with polarization beam splitters, for example also with diffractive polarization beam splitters, enables a sufficiently rapid switchover between different optical paths. These can be different modulation paths. For example, the angle can be changed in that the electromagnetic radiation hits the moving charge carriers of the modulator layer.
Der Einsatz einer Polarisations-Umschaltung kann auch in Verbindung mit der Umschaltung zwischen unterschiedlichen optischen Pfaden dazu verwendet werden, eine sequentielle 2D Frequenz-Modifikation zu realisieren. Beispielsweise können dazu Multiplex-Volumengitter verwendet werden, die eine Trennung orthogonaler Polarisationen ermöglichen. Bei Volumengittern, die auf der Bragg Beugung basieren ist dies u.a. bei Beugungswinkeln von 900 und 60 0 der Fall. Ein beispielsweise Flüssigkristall basierter Polarisations-Umschalter kann zeitlich mit einer sich ändernden Stromrichtung synchronisiert werden. Zwei orthogonale Einfallsrichtungen können somit mit zwei orthogonalen Stromrichtungen kombiniert und zeitlich synchronisiert werden. The use of polarization switching can also be used in connection with switching between different optical paths to implement a sequential 2D frequency modification. For example, multiplex volume grids can be used for this purpose, which enable orthogonal polarizations to be separated. In volume holographic gratings, which is based on the Bragg diffraction this among others at diffraction angles of 90 0 to 60 0 the case. A polarization switch based on liquid crystal, for example, can be synchronized in time with a changing current direction. Two orthogonal directions of incidence can thus be combined with two orthogonal current directions and synchronized in time.
Eine, beispielsweise auch zeitlich gleichzeitig stattfindende 2D Frequenz-Modifikation kann realisiert werden, indem beispielsweise orthogonal polarisierte Anteile einer Wellenfront gleichzeitig auf die Modulator-Schicht einer erfindungsgemäßen Modulator-Vorrichtung einfallen. Dabei können diese unterschiedlichen Werte des Richtungs-Cosinus in Bezug auf die Richtung des Stromflusses aufweisen. Beispielsweise kann eine Wellenfrontmessung bei einer festen, spektral hinreichend schmalbandigen Wellenlänge erfolgen. Durch die relativ unterschiedlichen Werte des Richtungs-Cosinus erfolgt die Frequenzverschiebung für orthogonale Richtungen entlang der zu messenden Wellenfront in hinreichend unterschiedlichen Frequenz-Bereichen. Bei stark gekrümmten Wellenfronten ist im Vergleich zu weniger stark gekrümmten Wellenfronten in der geometrischen Auslegung i.a. eine vergrößerte Differenz der Werte des Richtungs-Cosinus zu implementieren. Eine stärkere Krümmung, in die eine oder andere Richtung, benötigt einen weiteren Frequenzbereich, d.h. in die eine oder andere Richtung. Beispielsweise kann für eine Wellenlänge bzw. für einen Wellenlängenbereich ein zweimaliges Multiplex entlang zweier, um 90 0 separierter Richtungen erfolgen. Dies kann mit einer Polarisations-Umschaltung kombiniert werden, um eine 2D Doppler-Frequenz-Modifikation zu realisieren. Bei schräger Abbildung, hier beispielsweise auf ein Modulator-Substrat, vermeidet die Einhaltung der Scheimpflug- Bedingung eine perspektivische Bildverzerrung. A 2D frequency modification that takes place simultaneously, for example, can be implemented by, for example, orthogonally polarized components of a wavefront simultaneously fall on the modulator layer of a modulator device according to the invention. These can have different values of the direction cosine in relation to the direction of the current flow. For example, a wavefront measurement can take place at a fixed, spectrally sufficiently narrow-band wavelength. Due to the relatively different values of the direction cosine, the frequency shift for orthogonal directions takes place along the wavefront to be measured in sufficiently different frequency ranges. In the case of strongly curved wavefronts, in comparison to less strongly curved wavefronts, an increased difference in the values of the direction cosine must generally be implemented in the geometric design. A stronger curvature, in one direction or the other, requires a wider frequency range, ie in one direction or the other. For example, a multiplex twice along two directions separated by 90 0 may be for a wavelength or a wavelength range. This can be combined with polarization switching in order to implement a 2D Doppler frequency modification. In the case of an oblique imaging, here for example on a modulator substrate, compliance with the Scheimpflug condition avoids perspective image distortion.
Eine 2D Doppler-Frequenz-Modifikation ist auch ohne Polarisations-Umschaltung, d.h. passiv und parallel möglich. Es kann auch ein zeitlich sequentielles Umschalten erfolgen, welches explizit nicht polarisationsselektiv ist. Eine Anordnung reduzierter Komplexität ergibt sich durch die Reflexion an einer Modulator-Schicht, derart, dass eine zu messende Wellenfront beispielsweise entlang hinreichend orthogonaler Richtungen unterschiedliche Doppler- Verschiebungen erfährt. Die reflektierte und in zwei Richtungen in der Frequenz modulierte Wellenfront kann mit einer Referenz-Wellenfront hinreichend geringer Differenz der lokalen Winkel der Wellenfront-Normalen überlagert werden. A 2D Doppler frequency modification is also possible without polarization switching, i.e. passively and in parallel. A time-sequential switchover can also take place, which is explicitly not polarization-selective. An arrangement of reduced complexity results from the reflection on a modulator layer in such a way that a wavefront to be measured experiences different Doppler shifts, for example along sufficiently orthogonal directions. The reflected wavefront, which is modulated in frequency in two directions, can be superimposed with a reference wavefront of a sufficiently small difference between the local angles of the wavefront normals.
Die räumlich aufgelöste Frequenz-Analyse ergibt den Wert orthogonaler Anteile des lokal vorliegenden Oberflächen-normalen-Vektors der zu messenden Wellenfront. Es kann auch mit einem Planwellenspektrum gearbeitet werden bzw. auch mit spektral breiten Lichtquellen, auch in Kombination. Randbedingung ist die Einhaltung der eindeutigen Zuordnung der Frequenz-Analyse zum zu messenden Wellenfeld bzw. die Ermöglichung dieser durch eine angepasste Parameter-Variation, wie diese beispielsweise Fehler-Trennverfahren zugrunde liegt. The spatially resolved frequency analysis gives the value of orthogonal components of the locally present surface normal vector of the wavefront to be measured. It is also possible to work with a plane wave spectrum or with spectrally broad light sources, also in combination. The boundary condition is compliance with the clear assignment of the frequency analysis to the wave field to be measured or the enabling of this by means of an adapted parameter variation, as is the case, for example, on the error separation method.
Die offengelegte Vorgehensweise kann in verschiedenen Interferometer-Anordnungen in vorteilhafter Weise angewandt werden. Eine Interferometer-Anordnung ist in Figur 16 dargestellt. Der Grund-Typ entspricht einer sogenannten Mach-Zehnder Anordnung. Ein erster, hier bezüglich der Eingangs-Polarisation selektiver Strahlteil er- Würfel 161920-I, trennt ein eintreffendes Wellenfeld. Ein Teil (rq/in Einfallsebene) passiert den Strahlteiler ohne Ablenkung und trifft auf ein Spiegel-Substrat 19. Im weiteren Verlauf passiert dieser Anteil einen zweiten, hier bezüglich der Eingangs-Polarisation selektiven Strahlteiler-Würfel 161920- II. Der am ersten Strahlteiler abgelenkte Anteil (njT 1 zur Einfallsebene) trifft auf eine erfindungsgemäße Modulator-Vorrichtung 1319.Au den Kontakten 2i und 2i2 liegt eine Spannung an. Im weiteren Verlauf passiert dieser Anteil den zweiten, hier bezüglich der Eingangs-Polarisation selektiven Strahlteiler- Würfel 161920-II mit einer Ablenkung. Der auf der Trennung der optischen Wege beruhende Gangunterschied liegt innerhalb der Kohärenzlänge zc. Die Interferometer-Anordnung kann beispielsweise als Amplituden- Modulator dienen. Des Weiteren kann zumindest in einem Arm der Interferometer- Anordnung ein Messobjekt angeordnet werden. Dieses kann räumlich ausgedehnt sein und auf eine Detektor-Einheit, beispielsweise eine Kamera mit hinreichend hoher Bildwiederholfrequenz, abgebildet werden. The procedure disclosed can advantageously be used in various interferometer arrangements. An interferometer arrangement is shown in FIG. The basic type corresponds to a so-called Mach-Zehnder arrangement. A The first, here selective beam part with regard to the input polarization, cube 161920-I, separates an incoming wave field. A part (rq / in plane of incidence) passes the beam splitter without deflection and hits a mirror substrate 19. In the further course, this part passes a second beam splitter cube 161920- II, which is selective with regard to the input polarization. The one deflected at the first beam splitter Part (njT 1 to the plane of incidence) hits a modulator device 1319 according to the invention. A voltage is applied to the contacts 2i and 2i 2. In the further course, this part passes the second beam splitter cube 161920-II, which is selective here with regard to the input polarization, with a deflection. The path difference based on the separation of the optical paths lies within the coherence length z c . The interferometer arrangement can serve as an amplitude modulator, for example. Furthermore, a measurement object can be arranged at least in one arm of the interferometer arrangement. This can be spatially extended and mapped onto a detector unit, for example a camera with a sufficiently high image repetition rate.
In Ergänzung zur Interferometer-Anordnung, welche in Figur 16 dargestellt ist, kann in mehreren Armen eine Doppler-Verschiebung mit einer erfindungsgemäßen Modulator- Vorrichtung eingeführt werden. Dies ist in Figur 17 dargestellt. Hierzu ist das Spiegel-Substrat 19 aus Figur 16 durch eine zweite erfindungsgemäße Modulator-Vorrichtung 1319-II ersetzt worden, an dessen Kontakten 2i2i und 2i22 eine Spannung Un anliegt, die einen Strom I hervorruft. An den Kontakten 2iu und 2i 2 des ersten Modulator-Substrats 1319-I liegt eine Spannung Ui an, welche einen Strom h bedingt. Die beiden eingeführten Doppler- Verschiebungen können unterschiedliche Beträge und unterschiedliche Vorzeichen aufweisen. Die Anordnung kann beispielsweise als Amplituden-Modulator dienen. Es kann auf beiden optischen Wegen auch eine Frequenzverschiebung eingeführt werden, derart, dass keine Amplituden-Modulation erfolgt. Ein Messobjekt kann in zumindest einen der beiden optischen Pfade eingeführt werden. In addition to the interferometer arrangement, which is shown in FIG. 16, a Doppler shift can be introduced in several arms with a modulator device according to the invention. This is shown in FIG. For this purpose, the mirror substrate 19 from FIG. 16 has been replaced by a second modulator device 1319-II according to the invention, at the contacts 2i 2i and 2i 22 of which a voltage Un is applied, which causes a current I. A voltage Ui is applied to the contacts 2i u and 2i 2 of the first modulator substrate 1319-I, which causes a current h. The two Doppler shifts introduced can have different amounts and different signs. The arrangement can serve as an amplitude modulator, for example. A frequency shift can also be introduced on both optical paths in such a way that no amplitude modulation takes place. A measurement object can be introduced into at least one of the two optical paths.
In Ergänzung zur Interferometer- Anordnung aus Figur 17 ist in der Anordnung der Figur 18 dargestellt, wie die Polarisation derart geändert werden kann, dass ein möglichst hoher Reflexions-Koeffizient an der Modulator-Vorrichtung vorliegt. Hier wird beispielsweise eine erste l/2 Platte 823-I vor der Modulator-Vorrichtung 1319-II und eine zweite l/2 Platte 823- II hinter der Modulator- Vorrichtung 1319-II angeordnet. In einer Anordnung, die nicht auf einer Trennung der Teil-Strahlengänge über orthogonale Polarisationszustände beruht, kann durch angepasste Wahl der Eingangs-Polarisation auf diese zusätzliche Anpassung verzichtet werden. Eine Mach-Zehnder Interferometer-Anordnung kann monolithisch ausgeführt werden. Dies ist in Figur 19 dargestellt, die eine Modulator-Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt, in der das Substrat eine polygonale Oberfläche aufweist, wobei ein erster Oberflächenabschnitt des Substrats, der einer ersten (in der Figur 19 unteren) Polygonseite entspricht, mit der Modulator-Schicht 135 beschichtet ist. Ein zweiter Oberflächenabschnitt des Substrats, der einer zweiten (in der Figur 19 linken) Polygonseite entspricht, weist eine erste Gitterstruktur 511-227 auf, die dazu eingerichtet ist, Licht in das Substrat einzukoppeln, das außenseitig von links auf die erste Gitterstruktur 511-227 einfällt. Ein dritter Oberflächenabschnitt des Substrats, der einer dritten (in der Figur 19 rechten) Polygonseite entspricht, weist eine zweite Gitterstruktur 111-227 auf, die dazu eingerichtet ist, Licht aus dem Substrat zu extrahieren, das innerhalb des Substrats reflektiert wird und innenseitig auf die zweite Gitterstruktur 111-227 einfällt. Die monolithische Modulator-Vorrichtung 131326 weist auf der Eingangsseite das Einkoppel-Gitter 511-227 auf, das beispielsweise ein Volumengitter sein kann. Ein Teil der elektromagnetischen Strahlung wird von der Modulator-Schicht 135 reflektiert, an deren Kontakten 2i und 2i2 eine Spannung U anliegt und über die ein Strom I fließen kann. An der Austrittsseite befindet sich das Auskoppelgitter 111-227, das beispielsweise ein Volumengitter oder ein Oberflächen-Relief-Gitter sein kann. In addition to the interferometer arrangement from FIG. 17, the arrangement in FIG. 18 shows how the polarization can be changed in such a way that the highest possible reflection coefficient is present at the modulator device. Here, for example, a first 1/2 plate 823-I is arranged in front of the modulator device 1319-II and a second 1/2 plate 823- II behind the modulator device 1319-II. In an arrangement that is not based on a separation of the partial beam paths via orthogonal polarization states, this additional adaptation can be dispensed with by an adapted selection of the input polarization. A Mach-Zehnder interferometer arrangement can be made monolithic. This is shown in FIG. 19, which shows a modulator device according to an embodiment of the invention, in which the substrate has a polygonal surface, a first surface section of the substrate, which corresponds to a first (lower in FIG. 19) side of the polygon, with the Modulator layer 135 is coated. A second surface section of the substrate, which corresponds to a second (left in FIG. 19) side of the polygon, has a first grating structure 511-227, which is set up to couple light into the substrate, which is directed from the left onto the first grating structure 511-227 on the outside occurs. A third surface section of the substrate, which corresponds to a third (on the right in FIG second lattice structure 111-227 is incident. The monolithic modulator device 131326 has the coupling-in grating 511-227 on the input side, which can be a volume grating, for example. Part of the electromagnetic radiation is reflected by the modulator layer 135, at the contacts 2i and 2i 2 of which a voltage U is applied and through which a current I can flow. The coupling-out grating 111-227, which can be, for example, a volume grating or a surface relief grating, is located on the exit side.
Die Modulator-Vorrichtung aus Figur 19 kann derart modifiziert werden, dass sich ein Retro- Reflektor ergibt. Modulator-Vorrichtungen, die einem Retro-Reflektor entsprechen, sind in Figur 20 dargestellt. Eine würfelförmige Modulator-Vorrichtung 131323, die monolithisch ist, ist in Figur 20 a) dargestellt. Die Gitterstruktur 5111-7 stellt das Einkoppel-Gitter und das Auskoppel-Gitter dar. Es ist der Einfachheit halber nur eine Modulator-Schicht 135 mit den Kontakten 2i und 2i2 dargestellt. Als Option ist eine zentrisch angeordnete Absorber-Struktur 151-1 dargestellt. Eine Modulator-Vorrichtung 131316, die die Form eines Polygons aufweist, ist in Figur 20 b) dargestellt. Die Modulator-Schicht 135 setzt sich hier aus sieben Teilbereichen zusammen, d.h. hegt, bis auf die Ein- und Austrittsfläche auf dem gesamten Umlauf bzw. auf allen Polygonseiten/ Oberflächenabschnitten vor. In der Mitte des Modulators ist ein optionaler Absorber 151-2 dargesteht, welcher der Streulicht-Unterdrückung dienen kann. Eine Modulator-Vorrichtung 141316, die die Form eines inneren, bzw. negativen Polygons aufweist, ist in Figur 20 c) dargestellt. Die Modulator-Schicht 135 befindet sich auf der Innenseite eines negativen Polygons. Die Kontakte 2i und 2i2 werden durch die Wand des Polygons geführt. Optional kann beispielsweise die o-te Beugungsordnung des Ein- und Auskoppel-Gitters 5111-7, hier dargestellt mit 15-1215, als nicht Doppler verschobener Referenz-Anteil verwendet werden. Die Modulator-Einheiten, welche in den Figuren 20 a), b) und c) dargestellt sind, stellen Retro-Reflektoren dar bzw. können derart ausgelegt werden, oder auch derart, dass Einfalls- und Ausfalls-Welle nicht antiparallel verlaufen. Die Auslegung kann derart erfolgen, dass eine Umlaufrichtung vorliegt, oder auch derart, dass zwei entgegengesetzte Umlaufrichtungen vorliegen. The modulator device from FIG. 19 can be modified in such a way that a retroreflector results. Modulator devices which correspond to a retroreflector are shown in FIG. A cube-shaped modulator device 131323 which is monolithic is shown in FIG. 20 a). The grating structure 5111-7 represents the coupling-in grating and the coupling-out grating. For the sake of simplicity, only one modulator layer 135 with the contacts 2i and 2i 2 is shown. A centrally arranged absorber structure 151-1 is shown as an option. A modulator device 131316, which has the shape of a polygon, is shown in FIG. 20 b). The modulator layer 135 is composed here of seven subregions, ie, apart from the entry and exit areas, it is present on the entire circumference or on all polygon sides / surface sections. In the middle of the modulator, an optional absorber 151-2 is shown, which can serve to suppress stray light. A modulator device 141316, which has the shape of an inner or negative polygon, is shown in FIG. 20 c). The modulator layer 135 is on the inside of a negative polygon. The contacts 2i and 2i 2 are passed through the wall of the polygon. Optionally, for example, the o-th diffraction order of the coupling-in and coupling-out grating 5111-7, shown here with 15-1215, can be used as a non-Doppler-shifted reference component. The modulator units which are shown in FIGS. 20 a), b) and c) represent retro-reflectors or can be designed in such a way, or also in such a way that the waves of incidence and incidence do not run antiparallel. The interpretation can take place in such a way that there is one direction of rotation, or also in such a way that there are two opposite directions of rotation.
Bei angepasster Auslegung des Ein- bzw. Auskoppel-Gitters kann der interne Umlauf beispielsweise auch in zwei zueinander orthogonalen Umlaufebenen stattfinden. Zur Trennung der Strahlengänge kann beispielsweise die Polarisations-Selektivität oder/und die Wellenlängen-Selektivität von Beugungsgittern in angepasster Form ausgelegt werden. Vorteilhaft eignen sich Bragg-Beugung basierte Volumengitter. Die Anordnung in Figur 21 zeigt eine beispielhafte Implementierung einer Doppler-Frequenz- Modifikation für Anwendungen in der Laser-Doppler-Anemometrie. Eine Modulator- Vorrichtung gemäß der Erfindung, die als monolithischer Strahlteiler 192016-23 ausgeführt ist, weist eine Modulator-Schicht 135 auf. Das Substrat weist eine polygonale Oberfläche auf, wobei ein erster Oberflächenabschnitt des Substrats, der einer ersten Polygonseite entspricht, mit der Modulator-Schicht 135 beschichtet ist. Die vorliegenden Prismen-Winkel der Austritts-With an adapted design of the coupling-in and coupling-out grating, the internal circulation can, for example, also take place in two mutually orthogonal circulation planes. To separate the beam paths, for example, the polarization selectivity and / or the wavelength selectivity of diffraction gratings can be designed in an adapted form. Bragg diffraction-based volume gratings are advantageously suitable. The arrangement in FIG. 21 shows an exemplary implementation of a Doppler frequency modification for applications in laser Doppler anemometry. A modulator device according to the invention, which is designed as a monolithic beam splitter 192016-23, has a modulator layer 135. The substrate has a polygonal surface, a first surface section of the substrate, which corresponds to a first polygon side, being coated with the modulator layer 135. The existing prism angles of the exit
Flächen sind so groß dargestellt, dass die Funktion deutlich erkennbar ist. Ein zweiter Oberflächenabschnitt des Substrats, der einer zweiten Polygonseite entspricht, ist durchlässig und ist dazu eingerichtet, einen Lichtstrahl in das Substrat einzukoppeln, der außenseitig von links auf den zweiten Oberflächenabschnitt einfällt. Das Substrat weist eine innere schräge Zwischenfläche auf, die dazu eingerichtet ist, den Lichtstrahl, der durch den zweiten Oberflächenabschnitt in das Substrat eingekoppelt wird, teilweise zu reflektieren und teilweise zu transmittieren. Der an der inneren Zwischenfläche reflektierte Lichtstrahlanteil wird innerhalb des Substrats reflektiert, auch an der Modulator-Schicht 135 und wird nach mehrfacher interner Reflexion durch einen dritten Oberflächenabschnitt des Substrats aus dem Substrat ausgekoppelt, der einer dritten Polygonseite entspricht. Der durch die innere Zwischenfläche transmittierte Lichtstrahlanteil wird innerhalb des Substrats reflektiert und nach mehrfacher interner Reflexion durch einen vierten Oberflächenabschnitt des Substrats aus dem Substrat ausgekoppelt, der einer vierten Polygonseite entspricht. Zwei Fokussierungslinsen 12141-12 mit relativ langen Brennweiten bündeln die Lichtstrahlanteile, die jeweils durch den dritten und den vierten Oberflächenabschnitt extrahiert werden, in einerAreas are shown so large that the function is clearly visible. A second surface section of the substrate, which corresponds to a second polygon side, is permeable and is designed to couple a light beam into the substrate which is incident on the outside from the left on the second surface section. The substrate has an inner inclined intermediate surface which is designed to partially reflect and partially transmit the light beam that is coupled into the substrate through the second surface section. The light beam portion reflected on the inner intermediate surface is reflected inside the substrate, also on the modulator layer 135 and, after multiple internal reflection, is decoupled from the substrate by a third surface section of the substrate which corresponds to a third polygon side. The portion of the light beam transmitted through the inner intermediate surface is reflected within the substrate and, after multiple internal reflection, is decoupled from the substrate by a fourth surface section of the substrate which corresponds to a fourth polygon side. Two focusing lenses 12141-12 with relatively long focal lengths bundle the light beam components, which are respectively extracted through the third and fourth surface sections, in one
Interferenzebene bzw. einem Messvolumen 1322-22. In diesem liegt ein Interferenzmuster vor. Die Integration des hierin offenbarten Modulator-Prinzips in die Komponenten der Laser- Doppler-Anemometrie kann auch unter Verwendung einer diffraktiven Strahlteilung erfolgen. Die Lauf-Geschwindigkeit des Interferenz-Musters und die Lauf-Richtung kann moduliert werden. Beispielsweise kann die jeweils wechselseitig orthogonale Anordnung dreier derartiger Anordnungen dazu verwendet werden, Strömungen dreidimensional zu erfassen. BEISPIELE Interference plane or a measurement volume 1322-22. There is an interference pattern in this. The integration of the modulator principle disclosed herein into the components of the laser Doppler anemometry can also take place using a diffractive beam splitting. The running speed of the interference pattern and the running direction can be modulated. For example, the mutually orthogonal arrangement of three such arrangements can be used to detect flows three-dimensionally. EXAMPLES
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf die folgenden Beispiele: Beispiel l: The present disclosure relates to the following examples: Example 1:
Aufbau, derart, dass auf eine Modulator-Einheit einfallende elektromagnetische Strahlung eine Frequenzverschiebung erfährt, die auf der Bewegung von Ladungsträgern beruht oder/und diese die Ladungsträger in Bewegung versetzt. Beispiel 2: Structure such that electromagnetic radiation incident on a modulator unit experiences a frequency shift which is based on the movement of charge carriers and / or this sets the charge carriers in motion. Example 2:
Aufbau nach Beispiel l, derart, dass die Wechselwirkung der einfallenden elektromagnetischen Strahlung mit Ladungsträgern in einer elektrisch leitenden Schicht erfolgt. Structure according to Example 1, such that the interaction of the incident electromagnetic radiation with charge carriers takes place in an electrically conductive layer.
Beispiel 3: Aufbau nach Beispiel 2, derart, dass es sich bei der elektrisch leitenden Schicht um eine dünne Schicht handelt, die metallisch ist. Example 3: Structure according to Example 2, such that the electrically conductive layer is a thin layer that is metallic.
Beispiel 4: Example 4:
Aufbau nach Beispiel 1, derart, dass die Bewegung der Ladungsträger in einem Supraleiter erfolgt. Structure according to Example 1, such that the charge carriers move in a superconductor.
Beispiel 5: Example 5:
Aufbau nach Beispiel 1, derart, dass ein Teil der einfallenden elektromagnetischen Strahlung eine Frequenzverschiebung erfährt und ein Teil keine Frequenzverschiebung erfährt. Structure according to example 1, in such a way that part of the incident electromagnetic radiation experiences a frequency shift and part experiences no frequency shift.
Beispiel 6: Example 6:
Aufbau nach Beispiel 5, derart, dass der Teil der elektromagnetischen Strahlung, der eine Frequenzverschiebung erfährt mit dem Teil zur Interferenz gebracht wird, der keine Frequenzverschiebung erfährt. Structure according to example 5, in such a way that the part of the electromagnetic radiation that experiences a frequency shift is brought to interference with the part that experiences no frequency shift.
Beispiel 7: Example 7:
Aufbau nach Beispiel 6, derart, dass eine Analyse der Interferenz eine Aussage über die spektrale Leistungsdichte einfallender elektromagnetischer Strahlung ergibt. Beispiel 8: Structure according to example 6, such that an analysis of the interference yields a statement about the spectral power density of incident electromagnetic radiation. Example 8:
Gerät nach Beispiel 6, derart, dass dieses ein Autokollimator ist, in dem die resultierende Modulation als Prinzip zur Winkelmessung implementiert ist. Beispiel 9: Device according to example 6, such that it is an autocollimator in which the resulting modulation is implemented as a principle for angle measurement. Example 9:
Aufbau nach Beispiel 1, derart, dass die Bewegung der Ladungsträger in einer oberflächennahen, elektrisch leitenden Schicht eines Oberflächen-Relief-Gitters erfolgt. Structure according to Example 1, such that the charge carriers move in a near-surface, electrically conductive layer of a surface relief grid.
Beispiel 10: Example 10:
Methode der Nutzung einer Doppler-Frequenz-Modifikation, die auf der Bewegung von Ladungsträgern beruht, in Interferometern, Spektrometern, Laser-Doppler-Anemometrie basierten Geräten, 3D-Objekt-Mess-Geräten, Entfernungsmessgeräten oder in Regelkreisen. Method of using a Doppler frequency modification based on the movement of charge carriers in interferometers, spectrometers, laser Doppler anemometry based devices, 3D object measuring devices, distance measuring devices or in control loops.
Beispiel 11: Example 11:
Aufbau nach Beispiel 1, derart, dass die Bewegung der Ladungsträger in einer Kapillare oder in einem Licht-Leiter erfolgt. Beispiel 12: Structure according to Example 1, such that the charge carriers move in a capillary or in a light guide. Example 12:
Aufbau nach Beispiel 1, derart, dass die Wechselwirkung zwischen elektromagnetischer Strahlung und Ladungsträgern in Form vom Mehrfachreflexionen implementiert ist. Structure according to example 1, such that the interaction between electromagnetic radiation and charge carriers is implemented in the form of multiple reflections.
Beispiel 13: Methode nach Beispiel 10, derart, dass ein Satz von Winkeln oder/und ein Satz von Wellenlängen in Messgeräten nutzbar ist. Example 13: Method according to Example 10, such that a set of angles and / or a set of wavelengths can be used in measuring devices.
Beispiel 14: Example 14:
Aufbau nach Beispiel 5, derart, dass eine Wellenfrontmessung erfolgt. Structure according to example 5, in such a way that a wavefront measurement is carried out.

Claims

ANSPRÜCHE EXPECTATIONS
1. Modulator-Vorrichtung zum Modulieren einer Frequenz und/oder einer Amplitude einer elektromagnetischen Strahlung, wobei die Modulator-Vorrichtung Folgendes umfasst: ein Substrat, das zumindest abschnittsweise mit einer Modulator-Schicht beschichtet ist, wobei die Modulator-Schicht für die zu modulierende elektromagnetische Strahlung zumindest teilweise reflektierend ist und elektrisch leitend ist; eine einstellbare Stromquelle; und eine erste elektrische Kontaktierung (21O und eine zweite elektrische Kontaktierung (212), die zum Anlegen eines von der Stromquelle erzeugten elektrischen Feldes an die Modulator-Schicht eingerichtet sind. 1. A modulator device for modulating a frequency and / or an amplitude of electromagnetic radiation, the modulator device comprising: a substrate which is coated at least in sections with a modulator layer, the modulator layer for the electromagnetic radiation to be modulated Radiation is at least partially reflective and is electrically conductive; an adjustable power source; and a first electrical contact (21O and a second electrical contact (21 2 ), which are set up to apply an electrical field generated by the power source to the modulator layer.
2. Modulator-Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Modulator-Schicht ein Metall, einen Halbleiter oder einen Supraleiter, vorzugsweise einen Hochtemperatur-Supraleiter, aufweist. 2. Modulator device according to claim 1, wherein the modulator layer comprises a metal, a semiconductor or a superconductor, preferably a high-temperature superconductor.
3. Modulator-Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Modulator-Schicht für die zu modulierende elektromagnetische Strahlung teilweise durchlässig ist. 3. Modulator device according to claim 1 or 2, wherein the modulator layer is partially transparent to the electromagnetic radiation to be modulated.
4. Modulator-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat für die zu modulierende elektromagnetische Strahlung zumindest teilweise durchlässig ist. 4. Modulator device according to one of the preceding claims, wherein the substrate is at least partially permeable to the electromagnetic radiation to be modulated.
5. Modulator-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat für die zu modulierende elektromagnetische Strahlung zumindest teilweise durchlässig ist, wobei das Substrat eine erste, eine zweite und eine dritte Außenfläche aufweist, wobei die zweite und die dritte Außenfläche senkrecht zueinander sind, und wobei die erste Außenfläche schräg zur zweiten und zur dritten Außenfläche ist und zumindest abschnittsweise mit der Modulator-Schicht beschichtet ist. 5. Modulator device according to one of the preceding claims, wherein the substrate is at least partially transparent to the electromagnetic radiation to be modulated, wherein the substrate has a first, a second and a third outer surface, wherein the second and the third outer surface are perpendicular to one another, and wherein the first outer surface is oblique to the second and third outer surface and is coated at least in sections with the modulator layer.
6. Modulator-Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei eine Reflexionsschicht (419-1819) über der ersten Außenfläche des Substrats und auf der Modulator-Schicht angeordnet ist, wobei die Reflexionsschicht (419-1819) vorzugsweise dielektrisch ist. 6. The modulator device of claim 5, wherein a reflective layer (419-1819) is disposed over the first outer surface of the substrate and on the modulator layer, the reflective layer (419-1819) preferably being dielectric.
7. Modulator-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, die ferner ein weiteres Substrat umfasst, das eine erste, eine zweite und eine dritte Außenfläche aufweist, wobei das Substrat und das weitere Substrat für die zu modulierende elektromagnetische Strahlung zumindest teilweise durchlässig sind, wobei die zweite und die dritte Außenfläche des weiteren Substrats senkrecht zueinander sind, und wobei die erste Außenfläche des weiteren Substrats schräg zur zweiten und zur dritten Außenfläche des weiteren Substrats ist und auf der Modulator-Schicht angeordnet ist, so dass die Modulator-Schicht zwischen der ersten Außenfläche des Substrats und der ersten Außenfläche des weiteren Substrats angeordnet ist. 7. The modulator device according to claim 5, further comprising a further substrate having a first, a second and a third outer surface, the substrate and the further substrate for the electromagnetic to be modulated Radiation are at least partially transparent, wherein the second and the third outer surface of the further substrate are perpendicular to each other, and wherein the first outer surface of the further substrate is oblique to the second and third outer surface of the further substrate and is arranged on the modulator layer, so that the modulator layer is arranged between the first outer surface of the substrate and the first outer surface of the further substrate.
8. Modulator-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Modulator-Schicht einen Draht-Gitter-Polarisator umfasst. 8. Modulator device according to one of the preceding claims, wherein the modulator layer comprises a wire-grid polarizer.
9. Modulator-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stromquelle eine Gleichstromquelle ist und/ oder eine Konstantstromquelle ist. 9. Modulator device according to one of the preceding claims, wherein the current source is a direct current source and / or is a constant current source.
10. Modulator-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner eine zusätzliche Reflexionsschicht (1819) umfasst, die auf der Modulator-Schicht angeordnet ist, die zum Reflektieren eines Anteils der zu modulierenden elektromagnetischen Strahlung geeignet ist, wobei die zusätzliche Reflexionsschicht (1819) oder die Modulator-Schicht vorzugsweise selektiv auf Polarisations-Zustände der zu modulierenden elektromagnetischen Strahlung wirkt. 10. Modulator device according to one of the preceding claims, which further comprises an additional reflective layer (1819), which is arranged on the modulator layer, which is suitable for reflecting a portion of the electromagnetic radiation to be modulated, wherein the additional reflective layer (1819) or the modulator layer preferably acts selectively on polarization states of the electromagnetic radiation to be modulated.
11. Modulator-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner ein Beugungsgitter umfasst, das über der Modulator-Schicht angeordnet ist oder innerhalb der Modulator-Schicht gebildet ist. 11. The modulator device according to any one of the preceding claims, further comprising a diffraction grating disposed over the modulator layer or formed within the modulator layer.
12. Modulator-Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei das Beugungsgitter ein Oberflächen- Relief-Gitter oder ein Volumengitter ist. 12. Modulator device according to claim 11, wherein the diffraction grating is a surface relief grating or a volume grating.
13. Modulator-Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei das Substrat transparent ist und wobei das Beugungsgitter (19711) an einer Oberfläche des Substrats gebildet ist, die der Modulator-Schicht gegenüberliegt. 13. The modulator device according to claim 11, wherein the substrate is transparent and wherein the diffraction grating (19711) is formed on a surface of the substrate which is opposite to the modulator layer.
14. Modulator-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Oberfläche des Substrats, die der Modulator-Schicht gegenüberliegt, mit einer weiteren Modulator-Schicht beschichtet ist, wobei die weitere Modulator-Schicht für die zu modulierende elektromagnetischen Strahlung zumindest teilweise reflektierend ist und elektrisch leitend ist; und wobei die Modulator-Vorrichtung ferner eine dritte elektrische Kontaktierung (22O und eine vierte elektrische Kontaktierung (222) umfasst, die zum Anlegen des von der Stromquelle erzeugten elektrischen Feldes oder eines von einer weiteren Stromquelle erzeugten weiteren elektrischen Feldes an die weitere Modulator-Schicht eingerichtet sind. 14. Modulator device according to one of the preceding claims, wherein a surface of the substrate which lies opposite the modulator layer is coated with a further modulator layer, the further modulator layer being at least partially reflective for the electromagnetic radiation to be modulated and is electrically conductive; and wherein the modulator device further comprises a third electrical contact (22O and a fourth electrical contact (22 2 ), which is used for applying the from the Electric field generated by a power source or a further electric field generated by a further power source are set up on the further modulator layer.
15. Modulator-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das Substrat und die Modulator-Schicht jeweils rotationssymmetrisch sind und wobei die Modulator-Schicht auf der Oberfläche des Substrats umgebend angeordnet ist, wobei das Substrat vorzugsweise eine Wellenleitung bildet, die mit der Modulator-Schicht beschichtet ist. 15. modulator device according to one of claims 1 to 14, wherein the substrate and the modulator layer are each rotationally symmetrical and wherein the modulator layer is arranged on the surface of the substrate surrounding, the substrate preferably forms a waveguide that with the Modulator layer is coated.
16. Modulator Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Substrat eine polygonale Oberfläche aufweist, wobei zumindest ein erster Oberflächenabschnitt des Substrats, der insbesondere einer ersten Polygonseite entspricht, mit der Modulator- Schicht beschichtet ist und wobei zumindest ein zweiter Oberflächenabschnitt des Substrats, der insbesondere einer zweiten Polygonseite entspricht, eine erste Gitterstruktur aufweist, wobei die erste Gitterstruktur dazu eingerichtet ist, Licht in das Substrat einzukoppeln, das außenseitig auf die erste Gitterstruktur einfällt und/oder Licht aus dem Substrat zu extrahieren, das innerhalb des Substrats reflektiert wird und innenseitig auf die erste Gitterstruktur einfällt. 16. Modulator device according to one of claims 1 to 4, wherein the substrate has a polygonal surface, wherein at least a first surface section of the substrate, which corresponds in particular to a first polygon side, is coated with the modulator layer and wherein at least a second surface section of the substrate , which corresponds in particular to a second polygon side, has a first lattice structure, wherein the first lattice structure is set up to couple light into the substrate that is incident on the outside of the first lattice structure and / or to extract light from the substrate that is reflected inside the substrate and is incident on the inside of the first lattice structure.
17. Modulator-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Substrat eine polygonale Oberfläche aufweist, wobei zumindest ein erster Oberflächenabschnitt des Substrats, der insbesondere einer ersten Polygonseite entspricht, mit der Modulator-Schicht beschichtet ist, wobei ein zweiter Oberflächenabschnitt des Substrats, der insbesondere einer zweiten Polygonseite entspricht, zumindest teilweise durchlässig ist und dazu eingerichtet ist, Licht in das Substrat einzukoppeln, das außenseitig auf den zweiten Oberflächenabschnitt einfällt; wobei das Substrat eine innere Zwischenfläche aufweist, die dazu eingerichtet ist, einen Lichtstrahl, der durch den zweiten Oberflächenabschnitt in das Substrat eingekoppelt wird, teilweise zu reflektieren und teilweise zu transmittieren; wobei ein dritter Oberflächenabschnitt des Substrats, der insbesondere einer dritten Polygonseite entspricht, zumindest teilweise durchlässig ist und dazu eingerichtet ist, einen von der inneren Zwischenfläche reflektierten bzw. transmittierten Lichtstrahlanteil, der an der Modulator-Schicht reflektiert wird, aus dem Substrat auszukoppeln; wobei ein vierter Oberflächenabschnitt des Substrats, der insbesondere einer vierten Polygonseite entspricht, zumindest teilweise durchlässig ist und dazu eingerichtet ist, einen von der inneren Zwischenfläche transmittierten bzw. reflektierten Lichtstrahlanteil, aus dem Substrat auszukoppeln. 17. Modulator device according to one of claims 1 to 4, wherein the substrate has a polygonal surface, wherein at least a first surface section of the substrate, which corresponds in particular to a first polygon side, is coated with the modulator layer, wherein a second surface section of the substrate which corresponds in particular to a second polygon side, is at least partially permeable and is set up to couple light into the substrate which is incident on the outside of the second surface section; wherein the substrate has an inner intermediate surface which is configured to partially reflect and partially transmit a light beam that is coupled into the substrate through the second surface section; wherein a third surface section of the substrate, which corresponds in particular to a third polygon side, is at least partially permeable and is set up to decouple from the substrate a light beam portion that is reflected or transmitted by the inner intermediate surface and is reflected on the modulator layer; wherein a fourth surface section of the substrate, which corresponds in particular to a fourth polygon side, is at least partially permeable and is designed to a portion of the light beam transmitted or reflected by the inner intermediate surface is coupled out of the substrate.
18. Modulator-Vorrichtung nach Anspruch 17, die ferner Folgendes umfasst: eine erste Fokussierungslinse, die dazu konfiguriert ist, den durch den dritten Oberflächenabschnitt ausgekoppelten Lichtstrahlanteil auf eine Interferenzebene zu fokussieren; und eine zweite Fokussierungslinse, die dazu konfiguriert ist, den durch den vierten Oberflächenabschnitt ausgekoppelten Lichtstrahlanteil auf die besagte Interferenzebene zu fokussieren. 18. The modulator device according to claim 17, further comprising: a first focusing lens which is configured to focus the portion of the light beam coupled out by the third surface section onto an interference plane; and a second focusing lens which is configured to focus the portion of the light beam coupled out by the fourth surface section onto said interference plane.
19. Optische Anordnung, die eine Modulator-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 umfasst, wobei die Modulator-Vorrichtung zum Teilen eines Lichtstrahls eingerichtet ist, wobei ein Teil des zu teilenden Lichtstrahls von der Modulator-Vorrichtung transmittiert wird, und wobei ein Teil des zu teilenden Lichtstrahls von der Modulator- Schicht der Modulator-Vorrichtung reflektiert wird. 19. An optical arrangement comprising a modulator device according to one of claims 1 to 13, wherein the modulator device is set up for splitting a light beam, wherein a part of the light beam to be split is transmitted by the modulator device, and wherein a part of the light beam to be split is reflected by the modulator layer of the modulator device.
20. Optische Anordnung, die eine Modulator-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 umfasst, wobei die Modulator-Vorrichtung in einem Strahlengang der optischen Anordnung nach einem Strahlteiler angeordnet ist, der einen Eingangslichtstrahl in mindestens zwei Strahlanteile teilt, wobei die Modulator-Vorrichtung dazu eingerichtet ist, eine Frequenz und/oder eine Amplitude eines der mindestens zwei Strahlanteile zu modulieren, wobei der eine der mindestens zwei Strahlanteile an der Modulator-Schicht der Modulator-Vorrichtung zumindest teilweise reflektiert wird. 20. Optical arrangement comprising a modulator device according to one of claims 1 to 13, wherein the modulator device is arranged in a beam path of the optical arrangement after a beam splitter which splits an input light beam into at least two beam components, the modulator device is set up to modulate a frequency and / or an amplitude of one of the at least two beam components, wherein the one of the at least two beam components is at least partially reflected on the modulator layer of the modulator device.
21. Optische Anordnung nach Anspruch 20, die eine weitere Modulator-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 umfasst, wobei die weitere Modulator-Vorrichtung im Strahlengang der optischen Anordnung nach dem Strahlteiler angeordnet ist, wobei die weitere Modulator-Vorrichtung dazu eingerichtet ist, eine Frequenz und/oder eine Amplitude des anderen der mindestens zwei Strahlanteile zu modulieren, wobei der andere der mindestens zwei Strahlanteile an der Modulator-Schicht der weiteren Modulator-Vorrichtung zumindest teilweise reflektiert wird. 21. Optical arrangement according to claim 20, which comprises a further modulator device according to one of claims 1 to 13, wherein the further modulator device is arranged in the beam path of the optical arrangement after the beam splitter, wherein the further modulator device is set up to to modulate a frequency and / or an amplitude of the other of the at least two beam components, the other of the at least two beam components being at least partially reflected on the modulator layer of the further modulator device.
22. Optische Anordnung nach Anspruch 20 oder 21, die ferner Folgendes umfasst: eine erste Verzögerungsplatte (823-I), die im Strahlengang vor der Modulator- Vorrichtung oder vor der weiteren Modulator-Vorrichtung angeordnet ist, wobei die erste Verzögerungsplatte (823-I) vorzugsweise eine l/2-Platte ist, und/oder eine zweite Verzögerungsplatte (823-II), die im Strahlengang nach der Modulator- Vorrichtung oder nach der weiteren Modulator-Vorrichtung angeordnet ist, wobei die zweite Verzögerungsplatte (823-II) vorzugsweise eine l/2-Platte ist. 22. Optical arrangement according to claim 20 or 21, further comprising: a first retardation plate (823-I) which is arranged in the beam path in front of the modulator device or in front of the further modulator device, wherein the first retardation plate (823-I ) is preferably a 1/2 plate, and / or a second retardation plate (823-II) which is arranged in the beam path after the modulator device or after the further modulator device, the second retardation plate (823-II) preferably being a 1/2 plate.
23. Verfahren zum Modulieren einer Frequenz und/oder einer Amplitude einer elektromagnetischen Strahlung unter Verwendung einer Modulator-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei das Verfahren das Reflektieren zumindest eines Teils der elektromagnetischen Strahlung an der Modulator-Schicht der Modulator- Vorrichtung umfasst, während das von der Stromquelle erzeugte elektrische Feld an die Modulator-Schicht angelegt ist. 23. A method for modulating a frequency and / or an amplitude of electromagnetic radiation using a modulator device according to one of claims 1 to 18, wherein the method comprises reflecting at least part of the electromagnetic radiation on the modulator layer of the modulator device while the electric field generated by the power source is applied to the modulator layer.
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