WO2023057293A1 - Phase-sensitive terahertz detection with nonlinear frequency conversion - Google Patents

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WO2023057293A1
WO2023057293A1 PCT/EP2022/077084 EP2022077084W WO2023057293A1 WO 2023057293 A1 WO2023057293 A1 WO 2023057293A1 EP 2022077084 W EP2022077084 W EP 2022077084W WO 2023057293 A1 WO2023057293 A1 WO 2023057293A1
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radiation
terahertz
center frequency
peak
residual
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PCT/EP2022/077084
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Daniel MOLTER
Tobias Pfeiffer
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • G02F1/39—Non-linear optics for parametric generation or amplification of light, infrared or ultraviolet waves
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    • G02F2203/00—Function characteristic
    • G02F2203/13—Function characteristic involving THZ radiation

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for the phase-sensitive detection of electromagnetic terahertz radiation.
  • terahertz radiation THz radiation
  • terahertz radiation is electromagnetic radiation that lies between microwave and infrared radiation in the electromagnetic spectrum.
  • the terahertz radiation combines various advantages of the neighboring radiations in the electromagnetic spectrum. Compared to infrared radiation and other radiation in the visible spectral range, microwave radiation offers the advantage of a greater penetration depth. Due to the longer wavelength, however, the resolution of microwave radiation, e.g. in imaging processes, is not as high as that of infrared radiation. Terahertz radiation offers a compromise between a comparatively high depth resolution compared to microwave radiation and a greater penetration depth compared to infrared radiation. The terahertz frequency range thus offers an optimized measuring range for many applications. The applications are wide-ranging and can be found, for example, in non-destructive material testing, in safety technology, in biology and medicine, but also increasingly in communication technology.
  • Adequate detection mechanisms are essential for every type of application in order to be able to extract a maximum of information about the examined sample from the detected terahertz radiation.
  • Various methods are already known from the prior art for the detection of terahertz radiation, which also depend on what type of terahertz measurement is carried out with the terahertz radiation.
  • One way of examining objects with terahertz radiation is the time-resolved acquisition of the electric field of a time-dependent terahertz signal transmitted through the sample.
  • the terahertz radiation is typically generated via a photoconductive antenna, which comprises a semiconductor material in which free charge carriers are generated by the irradiation of pulsed, electromagnetic pump radiation.
  • One way of detecting the generated terahertz radiation is also to use photoconductive antennas. In contrast to the generation of terahertz radiation with photoconductive antennas, no external voltage is applied to the antenna material during detection. If the terahertz radiation hits the semiconductor material of the detector antenna, in which free charge carriers have also been generated with the pump radiation, the free charge carriers follow the electric field of the terahertz radiation. This movement of the free charge carriers can be measured as a current. In order to record the electric field of the terahertz radiation in a time-resolved manner, there is a time delay between the pump radiation for the generation antenna and the pump radiation for the detection antenna.
  • terahertz radiation As an alternative to the detection of terahertz radiation with photoconductive antennas, there is also the possibility of detection by non-linear superimposition in a non-linear, optical crystal.
  • the terahertz radiation is superimposed with a pump radiation with frequencies in the visible spectral range in a non-linear crystal.
  • an intensity of the mixed radiation is recorded using commercially available detectors in the visible range.
  • the problem here is that the phase of the terahertz radiation cannot be determined directly.
  • the phase of the terahertz radiation in particular contains a lot of information about the sample to be analyzed and is therefore of great interest. Further information on this detection option can be found, for example, in T. Pfeiffer et al. "Terahertz detection by upconversion to the near-infrared using picosecond pulses" published in Opt. Express 28, 29419-29429 (2020).
  • the object of the present invention is therefore to provide a method and a device for the phase-sensitive detection of terahertz radiation, which makes it possible to detect the amplitude and phase of the terahertz radiation with commercially available detectors in the visible range.
  • the problem on which the invention is based is solved by a method for the phase-sensitive detection of electromagnetic terahertz radiation, the method having the following steps: a. generating a base electromagnetic radiation with a base center frequency and a base frequency bandwidth, b. splitting the basic electromagnetic radiation into a pump radiation and a reference radiation, c. Generating the electromagnetic terahertz radiation with a terahertz center frequency that differs from the base center frequency by means of the pump radiation, d.
  • Forming an interference signal by spatially superimposing the mixed radiation with the residual radiation, so that an intensity of the at least one secondary band differs from a phase position of the terahertz radiation during the mixing in Steps. depends g. detecting an intensity of the interference signal, h. Evaluation of the phase position of the terahertz radiation from the step g. detected intensity of the interference signal based on the intensity of the at least one sub-band.
  • the basic electromagnetic radiation is typically pulsed radiation, the individual pulses of which have a time duration in the femtosecond range.
  • a continuous wave radiation source for the basic radiation.
  • the base radiation is split into a pump and reference radiation using beam splitters known in optics.
  • the pump radiation is then used to generate the electromagnetic terahertz radiation.
  • the reference radiation is split into the peak radiation and the residual radiation for the phase-sensitive detection of the generated terahertz radiation.
  • Splitting preferably takes place in step d. in such a way that a portion of the reference radiation in a range around the peak center frequency is cut out of the reference radiation as peak radiation, so that the residual radiation, viewed in frequency space, still contains all frequencies of the reference radiation minus the frequencies separated for the peak radiation. It is therefore a matter of spectral splitting of the reference radiation.
  • the power of the reference radiation is essentially retained both for the formation of the mixed radiation using the peak radiation and for the formation of the interference signal using the residual radiation, so that the signal-to-noise ratio of the interference signal to be detected is improved.
  • the reference radiation is evenly divided across all frequencies into radiation (peak radiation) to form the mixed radiation and radiation (residual radiation) to form the interference signal, the result is that when the sum frequency signal is formed in a nonlinear optical crystal, less power is dissipated by the Radiation is introduced for sum frequency formation and the signal-to-noise ratio of the interference signal ultimately detected deteriorates. This is prevented by dividing the reference radiation into peak and residual radiation according to the embodiment described.
  • a mixed radiation also described at the outset as a sum and difference frequency signal, which, viewed in the frequency space, has secondary bands in addition to the peak of the peak radiation in the range of the peak center frequency.
  • an intensity maximum of these secondary bands is arranged at a distance from the peak center frequency that corresponds to the terahertz center frequency.
  • the secondary bands thus contain the information of the terahertz radiation, which was upconverted into another frequency range by mixing with the peak radiation.
  • each of the secondary bands contains all the information of the terahertz radiation, so that the evaluation of one of the secondary bands is already sufficient to evaluate the information contained in the terahertz radiation.
  • the mixed radiation is caused to interfere with the residual radiation, ie radiation with a fixed phase relationship to the peak radiation.
  • an intensity of the secondary band after the interference with the residual radiation depends on the phase of the terahertz radiation.
  • an optical path of the reference radiation varies relative to an optical path of the pump radiation or the terahertz radiation, so that the intensity of the interference signal is evaluated as a function of the respective path difference between the reference radiation and the pump radiation or the terahertz radiation.
  • an optical path length of the residual radiation is changed.
  • Changing the optical path length of the residual radiation offers the advantage that even a small change means that the phase position of the terahertz radiation can be fully recorded.
  • the residual radiation and the mixed radiation are spatially superimposed at an angle to one another, resulting in a spatial interference pattern from which the phase position of the terahertz radiation in step h. is determined.
  • This spatial interference pattern contains the entire phase information of the terahertz radiation with just one measurement, since the time differences between the residual radiation and the peak radiation or the pump radiation are introduced via the radiation cross section of the residual radiation, which is tilted at an angle. The measuring speed can therefore be further increased by this alternative form of detecting the phase position, since it is no longer necessary to tune the phase over time.
  • the mixed radiation and the residual radiation are guided collinearly up to a biprism which is arranged in front of the detection device.
  • the spatial superimposition of the mixed radiation and the residual radiation at an angle to one another on the detection device is effected by the biprism.
  • the advantage of the method according to the invention is that preferably spectral components of the reference radiation, which are also used to form the mixed signal, are used in order to achieve interference with the mixed signal.
  • the phase of the terahertz radiation can be evaluated despite the conversion of the terahertz radiation into the visible spectral range.
  • the beam guidance is simplified and existing resources for generating the radiation can be used without the need for additional radiation sources.
  • the spectral deviation of the mixed radiation from the reference radiation is correspondingly small.
  • the peak radiation i.e. the spectral component of the reference radiation that is used to form the mixed signal, should be as narrow-band as possible so that the sum and difference frequency components of the mixed radiation do not overlap. Otherwise a spectral separation of the frequency ranges would be more difficult.
  • the splitting of the reference radiation takes place in such a way that the reference radiation is directed onto a bandpass filter, with the peak radiation being formed from a spectral component of the reference radiation which is reflected at the bandpass filter and the residual radiation from a spectral component of the reference radiation is formed, which is transmitted through the bandpass filter or vice versa.
  • a reference center frequency of the reference radiation is changed by means of a non-linear optical crystal.
  • a low-cost radiation source for example based on the 1550 technology widely used in telecommunications, can be used as the radiation source for the basic radiation, in which fiber-coupled lasers with a wavelength of around 1550 nm are used.
  • fiber-coupled radiation sources offer greater application safety with regard to radiation protection and are therefore particularly suitable for applications outside the lab.
  • inexpensive detectors in the visible spectral range can still be used.
  • the reference radiation is a second harmonic of the original reference radiation after the reference center frequency has been changed.
  • the reference radiation has a central wavelength of 1550 nm before the change and a central wavelength of approximately 775 nm after the change. Correspondingly inexpensive components are available for both wavelengths.
  • the residual radiation covers a frequency range that is equal to or greater than a range from the peak center frequency minus the terahertz center frequency to the peak center frequency plus the terahertz center frequency.
  • the mixed radiation and the residual radiation are directed onto a diffractive element, so that a frequency-resolved interference pattern is detected by a detection device.
  • the corresponding phase information is obtained for each frequency of the terahertz radiation.
  • a type of information matrix containing phase information for each frequency is obtained with just a single measurement. This eliminates both the time mismatch between the pump and reference radiation and a calculated Fourier transformation of the interference signal into the frequency domain.
  • the pulsed terahertz radiation consists of many different frequencies in the range between 100 GHz and 30 THz described above. Since, for example, in security technology or in spectroscopy, substances are examined that have a characteristic, frequency-dependent spectrum, frequency-resolved detection offers the advantage that individual frequency-dependent properties of samples can be examined.
  • the mixed radiation is prior to detection with a detection device in step g. filtered, wherein the portion of the peak radiation in the mixed radiation is filtered out of the mixed radiation, so that the portion of the peak radiation in the mixed radiation does not reach the detection device.
  • the peak radiation is only required to convert the terahertz radiation into a visible spectral range that can be detected with commercially available detectors. However, the peak radiation itself does not contain any information about the phase position of the terahertz radiation, so that the peak radiation can be filtered out.
  • the terahertz center frequency is in a range from 100 GHz to 10 THz. In this frequency range, the usual terahertz sources offer sufficiently high power to distinguish the received terahertz signal sufficiently from other noise sources and thus to be able to adequately evaluate the data.
  • the terahertz radiation is generated from the pump radiation by means of a photoconductive antenna or by means of a non-linear optical crystal. Both variants are common to generate terahertz radiation, so that corresponding inexpensive components are available.
  • the object on which the invention is based is also achieved by a device for the phase-sensitive detection of electromagnetic terahertz radiation, the device having an electromagnetic radiation source, the electromagnetic radiation source being set up in such a way that during operation of the device with the electromagnetic radiation source, a basic electromagnetic radiation with a Base center frequency and a base frequency bandwidth is generated, the device also having a first beam splitter, the first beam splitter being set up in such a way that during operation of the device the electromagnetic base radiation is divided into a pump radiation and a reference radiation, the device further has a terahertz radiation source which is set up in such a way that during operation of the device the electromagnetic terahertz radiation with a terahertz center frequency that differs from the base center frequency is generated by means of the pump radiation, the device further having a second beam splitter, the second beam splitter is set up in such a way that when the device is operated with the second beam splitter, the reference radiation is divided into peak radiation with a peak center frequency and residual radiation, with the residual radiation covering at
  • the device also has a delay unit, which is set up and arranged in a beam path of the reference radiation or the residual radiation and/or the pump radiation in such a way that, with the delay device during operation of the device, an optical path of the reference radiation relative to an optical Distance of the pump radiation is changed.
  • the delay unit is particularly preferably set up and arranged in a beam path of the residual radiation such that the delay unit changes an optical path of the residual radiation relative to the optical path of the pump or terahertz radiation during operation of the device.
  • FIG. 1 shows a schematic overview of the sequence of an embodiment of the method according to the invention.
  • FIG. 2 is a schematic representation of a first embodiment of the device according to the invention.
  • Figure 3 is a schematic representation of a second embodiment of the device according to the invention.
  • FIG. 4 is a schematic representation of a further embodiment of the device according to the invention.
  • a basic radiation 1 with a wavelength of around 1550 nm is generated in a step 100, which is then divided into a pump radiation 2 (see FIGS. 2 to 4) and a reference radiation 3.
  • the reference radiation 3, which has a reference center frequency 3c, is changed in a step 101 in a non-linear optical crystal 18 (see Figures 2 to 4) in such a way that the reference radiation 3 represents a second harmonic of the original reference radiation 3 after the change, ie has a wavelength of about 775 nm.
  • the pump radiation 2 split off from the base radiation 1 is used to generate electromagnetic terahertz radiation 4 with a terahertz center frequency that differs from the base center frequency in a photoconductive antenna 13 in a step 102 .
  • free charge carriers are generated by the pump radiation 2 in a semiconductor material of the photoconductive antenna 13 (see Figures 2 to 4), which are accelerated in an electric field that is generated by an external voltage at the photoconductive antenna 13, so that an electromagnetic terahertz -Radiation 4 is emitted.
  • the reference radiation 3 is divided into a peak radiation 3a and a residual radiation 3b, after which only the peak radiation 3a is superimposed with the terahertz radiation 4 in a step 300 in a non-linear optical crystal such that a mixed radiation 5 with two sidebands 7a and 7b is formed in the frequency domain.
  • This mixed radiation 5 is in turn spatially superimposed in a step 400 with the residual radiation 3b so that the residual radiation 3b and the mixed radiation 5 interfere with one another and an intensity of the secondary bands 7a and 7b depends on a phase position of the terahertz radiation 4 .
  • the resulting interference signal 6 is detected and the phase position of the terahertz radiation 4 is evaluated from the detected intensity of the interference signal 6 based on the intensity of the secondary bands 7a and 7b.
  • a frequency range of the residual radiation 3 is selected such that it covers a frequency range that extends from the peak center frequency minus the terahertz center frequency to the peak center frequency plus the terahertz center frequency.
  • the peak radiation 3a is extremely narrow-band radiation.
  • the residual radiation 3b lacks exactly the spectral components of the peak radiation 3a.
  • FIG. 2 shows a device 10 with which the method according to the invention is carried out.
  • a radiation source 11 generates the basic electromagnetic radiation 1 , which a first beam splitter 12 into pump radiation 2 and reference radiation 3 .
  • the beam splitter 12 is an optical beam splitter that splits the base radiation 1 into pump radiation 2 and reference radiation 3 .
  • the pump radiation 2 is used to generate the terahertz radiation 4 by means of a terahertz radiation source 13, the terahertz radiation source 13 being a photoconductive antenna or a non-linear optical crystal.
  • the reference radiation 3 is divided into the peak radiation 3a and the residual radiation 3b at a second beam splitter 14, which is a bandpass filter.
  • the bandpass filter 14 is set up in such a way that the reflected part of the reference radiation 3 corresponds to the peak radiation 3a and the part of the reference radiation 3 transmitted through the bandpass filter corresponds to the residual radiation 3b.
  • the peak radiation 3a is then superimposed with the terahertz radiation 4 by means of mirrors in a superposition device 15a, for example in a non-linear optical crystal, so that a mixed radiation 5 is produced.
  • the mixed radiation 5 then runs collinearly with the residual radiation 3b via an optical grating 15b to the detector 16.
  • the detector 16 detects the interference signal 6 from the mixed radiation 5 and the residual radiation 3b.
  • the mixed radiation 5 is divided into its spectral components by the diffractive element 15b, so that the terahertz radiation 4 can be evaluated in a frequency-resolved manner with only one measurement by the detector 16.
  • a delay device 17b is also provided, which is arranged in the beam path of the residual radiation 3b and changes an optical path of the residual radiation 3b relative to the pump radiation 2 or the terahertz radiation 4. If the interference signal 6 is detected with the detector 16 as a function of the change in distance, the entire phase position of the terahertz radiation can be evaluated.
  • the device according to FIG. 2 provides further filters 19a, 19b and 19c as well as a further delay unit 17a as additional aids, which, however, are not absolutely necessary for the operation of the device.
  • the filters 19a and 19b are primarily used to reduce the power of the pump and residual radiation for the following method steps.
  • Filter 19c filters out the spectral components of peak radiation 3a in mixed signal 5, so that they do not reach detection device 16.
  • the additional delay unit 17a is used for fine tuning between the individual radiations in order to ensure the interference conditions.
  • FIG. 3 shows an embodiment in which the residual radiation 3b is spatially superimposed on the detector 16 with the mixed radiation 5 at an angle.
  • both delay devices 17a and 17b only serve to fine-tune the radiation to ensure the coherence properties.
  • a delay in the residual radiation 3b compared to the pump radiation 2 or the terahertz radiation 4 is not necessary, since the time delay is induced by the tilting of the radiation cross section of the residual radiation 3b.
  • the detection sensor as detection device 16 detects an interference signal 6 that has phase information for each individual frequency contained in the terahertz radiation 4 .
  • FIG. 4 shows a device 10, which represents a combination of the spatial superimposition at an angle and the collinear guidance of the mixed radiation 5 and the residual radiation 3b.
  • the delay units 17a and 17b are not mandatory.
  • the residual radiation 3b and the mixed radiation 5 can be guided to the detector 16 via the same optical components.
  • the mixed signal 5 is formed in the heterodyning device 15a, which is a non-linear optical crystal.
  • the residual radiation 3b passes through the same non-linear optical crystal 15a and is spatially superimposed on the detector 16 at an angle together with the mixed radiation 5 .
  • the mixed radiation 5 and the residual radiation 3b which were previously guided parallel to one another, are directed onto a biprism 15c, which spatially superimposes the parallel mixed radiation 5 and the residual radiation 3b on the detector 16.

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Abstract

The present invention relates to a method and a device for phase-sensitive detection of electromagnetic terahertz radiation. In order to provide a method and a device for phase-sensitive detection of terahertz radiation, which enable the detection of amplitude and phase of the terahertz radiation in the visible range using commercially available detectors, the invention proposes the split of electromagnetic base radiation into a pump radiation and a reference radiation, with the pump radiation serving to generate a terahertz radiation and the reference radiation being split yet again into a peak radiation and a residual radiation. The peak radiation is subsequently mixed with the terahertz radiation forming a mixed radiation in the process, with the mixed radiation which contains the information about the terahertz radiation in secondary bands being spatially overlaid on the residual radiation such that the phase angle of the terahertz radiation can be evaluated from a captured interference signal.

Description

Phasensensitive Terahertzdetektion mit nichtlinearer Frequenzkonversion Phase-sensitive terahertz detection with non-linear frequency conversion
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur phasensensitiven Detektion elektromagnetischer Terahertz-Strahlung. The present invention relates to a method and a device for the phase-sensitive detection of electromagnetic terahertz radiation.
Die Verwendung von Terahertz-Strahlung (THz-Strahlung) ist bereits seit Jahrzehnten im Laborumfeld in vielen Forschungsdisziplinen etabliert und findet in den letzten Jahren immer mehr Eingang in industrielle Anwendungen. Mit Frequenzen zwischen 100 GHz und 30 THz (Terahertz- Frequenzbereich) handelt es sich bei der Terahertz-Strahlung um eine elektromagnetische Strahlung, die im elektromagnetischen Spektrum zwischen der Mikrowellen- und der Infrarotstrahlung liegt. The use of terahertz radiation (THz radiation) has been established in the laboratory environment in many research disciplines for decades and has been increasingly used in industrial applications in recent years. With frequencies between 100 GHz and 30 THz (terahertz frequency range), terahertz radiation is electromagnetic radiation that lies between microwave and infrared radiation in the electromagnetic spectrum.
Die Terahertz-Strahlung kombiniert verschiedene Vorteile der im elektromagnetischen Spektrum benachbarten Strahlungen. Mikrowellenstrahlung bietet im Vergleich zur Infrarotstrahlung und auch anderen Strahlungen im sichtbaren Spektralbereich den Vorteil einer größeren Eindringtiefe. Aufgrund der längeren Wellenlänge ist die Auflösung der Mikrowellenstrahlung z.B. bei bildgebenden Verfahren jedoch nicht so hoch wie die Auflösung von Infrarotstrahlung. Die Terahertz-Strahlung bietet einen Kompromiss aus vergleichsweise hoher Tiefenauflösung im Vergleich zur Mikrowellenstrahlung bei gleichzeitig größerer Eindringtiefe im Vergleich zur Infrarotstrahlung. Der Terahertz-Frequenzbereich bietet damit für viele Anwendungen einen optimierten Messbereich. Die Anwendungen sind breit gefächert und finden sich beispielsweise in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung, in der Sicherheitstechnik, in der Biologie und Medizin, aber auch zunehmend in der Kommunikationstechnik. The terahertz radiation combines various advantages of the neighboring radiations in the electromagnetic spectrum. Compared to infrared radiation and other radiation in the visible spectral range, microwave radiation offers the advantage of a greater penetration depth. Due to the longer wavelength, however, the resolution of microwave radiation, e.g. in imaging processes, is not as high as that of infrared radiation. Terahertz radiation offers a compromise between a comparatively high depth resolution compared to microwave radiation and a greater penetration depth compared to infrared radiation. The terahertz frequency range thus offers an optimized measuring range for many applications. The applications are wide-ranging and can be found, for example, in non-destructive material testing, in safety technology, in biology and medicine, but also increasingly in communication technology.
Für jede Art der Anwendung sind adäquate Detektionsmechanismen unerlässlich, um aus der de- tektierten Terahertz-Strahlung ein Maximum an Informationen über die untersuchte Probe extrahieren zu können. Für die Detektion von Terahertz-Strahlung sind aus dem Stand der Technik bereits verschiedene Verfahren bekannt, die sich auch danach richten, welche Art von Terahertz- Messung mit der Terahertz-Strahlung betrieben wird. Eine Möglichkeit, Objekte mit Terahertz-Strahlung zu untersuchen, besteht in der zeitaufgelösten Erfassung des elektrischen Feldes eines durch die Probe transmittierten und zeitabhängigen Tera- hertz-Signals. Hierbei wird die Terahertz-Strahlung typischerweise über eine photoleitende Antenne erzeugt, die ein Halbleitermaterial umfasst, in welchem durch das Einstrahlen gepulster, elektromagnetischer Pumpstrahlung freie Ladungsträger erzeugt werden. Diese freien Ladungsträger werden in der photoleitenden Antenne in einem elektrischen Feld beschleunigt, das durch das Anlegen einer externen Spannung an die photoleitende Antenne erzeugt wird. Durch die Beschleunigung und das Abbremsen der freien Ladungsträger im elektrischen Feld kommt es zum Abstrahlen einer elektromagnetischen Strahlung mit Frequenzen im Terahertz-Bereich, wenn die Anregung der freien Ladungsträger durch die gepulste elektromagnetische Pumpstrahlung mit Impulsen mit einer Dauer von weit unter einer Pikosekunde erfolgt. Weitere Möglichkeiten zur Erzeugung von Terahertz-Strahlung liegen in der Verwendung von Oberflächenemittern, nichtlinearen optischen Kristallen oder spintronischen Terahertz-Emittern. Adequate detection mechanisms are essential for every type of application in order to be able to extract a maximum of information about the examined sample from the detected terahertz radiation. Various methods are already known from the prior art for the detection of terahertz radiation, which also depend on what type of terahertz measurement is carried out with the terahertz radiation. One way of examining objects with terahertz radiation is the time-resolved acquisition of the electric field of a time-dependent terahertz signal transmitted through the sample. In this case, the terahertz radiation is typically generated via a photoconductive antenna, which comprises a semiconductor material in which free charge carriers are generated by the irradiation of pulsed, electromagnetic pump radiation. These free charge carriers are accelerated in the photoconductive antenna in an electric field that is generated by applying an external voltage to the photoconductive antenna. The acceleration and deceleration of the free charge carriers in the electric field results in the emission of electromagnetic radiation with frequencies in the terahertz range when the free charge carriers are excited by the pulsed electromagnetic pump radiation with pulses lasting well under a picosecond. Other possibilities for generating terahertz radiation lie in the use of surface emitters, non-linear optical crystals or spintronic terahertz emitters.
Eine Möglichkeit der Detektion der erzeugten Terahertz-Strahlung besteht ebenfalls in der Verwendung von photoleitenden Antennen. Im Gegensatz zur Erzeugung der Terahertz-Strahlung mit photoleitenden Antennen wird bei der Detektion keine externe Spannung an das Antennenmaterial angelegt. Trifft die Terahertz-Strahlung auf das Halbleitermaterial der Detektorantenne, in dem mit der Pumpstrahlung ebenfalls freie Ladungsträger erzeugt wurden, so folgen die freien Ladungsträger dem elektrischen Feld der Terahertz-Strahlung. Diese Bewegung der freien Ladungsträger kann als Strom gemessen werden. Um das elektrische Feld der Terahertz-Strahlung zeitaufgelöst zu erfassen, erfolgt eine zeitliche Verzögerung zwischen der Pumpstrahlung für die Erzeugungsantenne und der Pumpstrahlung für die Detektionsantenne. One way of detecting the generated terahertz radiation is also to use photoconductive antennas. In contrast to the generation of terahertz radiation with photoconductive antennas, no external voltage is applied to the antenna material during detection. If the terahertz radiation hits the semiconductor material of the detector antenna, in which free charge carriers have also been generated with the pump radiation, the free charge carriers follow the electric field of the terahertz radiation. This movement of the free charge carriers can be measured as a current. In order to record the electric field of the terahertz radiation in a time-resolved manner, there is a time delay between the pump radiation for the generation antenna and the pump radiation for the detection antenna.
Alternativ zu der Detektion von Terahertz-Strahlung mit photoleitenden Antennen besteht auch die Möglichkeit einer Detektion durch nichtlineare Überlagerung in einem nichtlinearen, optischen Kristall. Hierzu wird die Terahertz-Strahlung mit einer Pumpstrahlung mit Frequenzen im sichtbaren Spektralbereich in einem nichtlinearen Kristall überlagert. Dabei entsteht eine Mischstrahlung mit Summen- und Differenzfrequenzen, die Informationen über die Terahertz-Strahlung enthält. Um die in der Terahertz-Strahlung enthaltenen Informationen auszuwerten, wird eine Intensität der Mischstrahlung mit kommerziell erhältlichen Detektoren im sichtbaren Bereich erfasst. Hierbei besteht jedoch das Problem, dass die Phase der Terahertz-Strahlung nicht unmittelbar ermittelt werden kann. Gerade die Phase der Terahertz-Strahlung enthält jedoch viele Informationen über die zu analysierende Probe und ist daher von großem Interesse. Weitergehende Informationen zu dieser Detektionsmöglichkeit finden sich beispielsweise in T. Pfeiffer et al. „Terahertz detection by upconversion to the near-infrared using picosecond pulses“ veröffentlicht in Opt. Express 28, 29419-29429 (2020). Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zur phasensensitiven Detektion von Terahertz-Strahlung bereitzustellen, welche die Erfassung von Amplitude und Phase der Terahertz-Strahlung mit kommerziell erhältlichen Detektoren im sichtbaren Bereich ermöglichen. As an alternative to the detection of terahertz radiation with photoconductive antennas, there is also the possibility of detection by non-linear superimposition in a non-linear, optical crystal. For this purpose, the terahertz radiation is superimposed with a pump radiation with frequencies in the visible spectral range in a non-linear crystal. This creates a mixed radiation with sum and difference frequencies, which contains information about the terahertz radiation. In order to evaluate the information contained in the terahertz radiation, an intensity of the mixed radiation is recorded using commercially available detectors in the visible range. However, the problem here is that the phase of the terahertz radiation cannot be determined directly. However, the phase of the terahertz radiation in particular contains a lot of information about the sample to be analyzed and is therefore of great interest. Further information on this detection option can be found, for example, in T. Pfeiffer et al. "Terahertz detection by upconversion to the near-infrared using picosecond pulses" published in Opt. Express 28, 29419-29429 (2020). The object of the present invention is therefore to provide a method and a device for the phase-sensitive detection of terahertz radiation, which makes it possible to detect the amplitude and phase of the terahertz radiation with commercially available detectors in the visible range.
Das der Erfindung zugrundeliegende Problem wird durch ein Verfahren zur phasensensitiven Detektion elektromagnetischer Terahertz-Strahlung gelöst, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: a. Erzeugen einer elektromagnetischen Basisstrahlung mit einer Basis-Mittenfrequenz und einer Basis-Frequenzbandbreite, b. Aufspalten der elektromagnetischen Basisstrahlung in eine Pumpstrahlung und eine Referenzstrahlung, c. Erzeugen der elektromagnetischen Terahertz-Strahlung mit einer von der Basis-Mittenfre- quenz verschiedenen Terahertz-Mittenfrequenz mittels der Pumpstrahlung, d. Aufspalten der Referenzstrahlung in eine Peakstrahlung mit einer Peakmittenfrequenz und in eine Reststrahlung, wobei die Reststrahlung zumindest eine Frequenz aus einem Nebenband um eine Nebenbandmittenfrequenz abdeckt, wobei die Nebenbandmittenfrequenz gleich der Peakmittenfrequenz minus oder plus der Terahertz-Mittenfrequenz ist, e. Mischen der Peakstrahlung mit der Terahertz-Strahlung, sodass eine Mischstrahlung mit zumindest einem Nebenband gebildet wird f. Bilden eines Interferenzsignals durch räumliches Überlagern der Mischstrahlung mit der Reststrahlung, sodass eine Intensität des zumindest einen Nebenbandes von einer Phasenlage der Terahertz-Strahlung bei dem Mischen in Schritt e. abhängt, g. Erfassen einer Intensität des Interferenzsignals, h. Auswerten der Phasenlage der Terahertz-Strahlung aus der in Schritt g. erfassten Intensität des Interferenzsignals anhand der Intensität des zumindest einen Nebenbandes. The problem on which the invention is based is solved by a method for the phase-sensitive detection of electromagnetic terahertz radiation, the method having the following steps: a. generating a base electromagnetic radiation with a base center frequency and a base frequency bandwidth, b. splitting the basic electromagnetic radiation into a pump radiation and a reference radiation, c. Generating the electromagnetic terahertz radiation with a terahertz center frequency that differs from the base center frequency by means of the pump radiation, d. Splitting the reference radiation into a peak radiation with a peak center frequency and a residual radiation, wherein the residual radiation covers at least one frequency from a sub-band around a sub-band center frequency, wherein the sub-band center frequency is equal to the peak center frequency minus or plus the terahertz center frequency, e. Mixing the peak radiation with the terahertz radiation, so that a mixed radiation with at least one secondary band is formed f. Forming an interference signal by spatially superimposing the mixed radiation with the residual radiation, so that an intensity of the at least one secondary band differs from a phase position of the terahertz radiation during the mixing in Steps. depends g. detecting an intensity of the interference signal, h. Evaluation of the phase position of the terahertz radiation from the step g. detected intensity of the interference signal based on the intensity of the at least one sub-band.
Bei der elektromagnetischen Basisstrahlung handelt es sich wie eingangs beschrieben typischerweise um eine pulsförmige Strahlung, deren einzelne Pulse eine zeitliche Dauer im Femtosekundenbereich aufweisen. Alternativ ist aber auch die Verwendung einer Dauerstrich-Strahlungsquelle für die Basisstrahlung möglich. As described at the outset, the basic electromagnetic radiation is typically pulsed radiation, the individual pulses of which have a time duration in the femtosecond range. Alternatively, however, it is also possible to use a continuous wave radiation source for the basic radiation.
Das Aufspalten der Basisstrahlung in eine Pump- und Referenzstrahlung erfolgt mit in der Optik bekannten Strahlteilern. Die Pumpstrahlung wird dann für die Erzeugung der elektromagnetischen Terahertz-Strahlung verwendet. Für die Erzeugung der Terahertz-Strahlung kommen verschiedene Möglichkeiten in Frage, die eingangs beschrieben wurden und im Rahmen der verschiedenen Ausführungsformen teilweise nochmals aufgegriffen werden. Zur phasensensitiven Detektion der erzeugten Terahertz-Strahlung wird erfindungsgemäß die Referenzstrahlung in die Peakstrahlung und die Reststrahlung aufgespalten. The base radiation is split into a pump and reference radiation using beam splitters known in optics. The pump radiation is then used to generate the electromagnetic terahertz radiation. Various possibilities come into consideration for the generation of the terahertz radiation, which were described at the outset and are partly taken up again in the context of the various embodiments. According to the invention, the reference radiation is split into the peak radiation and the residual radiation for the phase-sensitive detection of the generated terahertz radiation.
Vorzugsweise erfolgt das Aufspalten in Schritt d. derart, dass ein Anteil der Referenzstrahlung in einem Bereich um die Peakmittenfrequenz aus der Referenzstrahlung als Peakstrahlung herausgeschnitten wird, sodass die Reststrahlung, im Frequenzraum betrachtet, noch alle Frequenzen der Referenzstrahlung abzüglich der für die Peakstrahlung separierten Frequenzen enthält. Es handelt sich somit um ein spektrales Aufspalten der Referenzstrahlung. Splitting preferably takes place in step d. in such a way that a portion of the reference radiation in a range around the peak center frequency is cut out of the reference radiation as peak radiation, so that the residual radiation, viewed in frequency space, still contains all frequencies of the reference radiation minus the frequencies separated for the peak radiation. It is therefore a matter of spectral splitting of the reference radiation.
Die Leistung der Referenzstrahlung bleibt dadurch sowohl für die Bildung der Mischstrahlung mithilfe der Peakstrahlung als auch für die Bildung des Interferenzsignals mit Hilfe der Reststrahlung im Wesentlichen erhalten, sodass das Signal-zu-Rausch-Verhältnis des zu erfassenden Interferenzsignals verbessert wird. As a result, the power of the reference radiation is essentially retained both for the formation of the mixed radiation using the peak radiation and for the formation of the interference signal using the residual radiation, so that the signal-to-noise ratio of the interference signal to be detected is improved.
Wird die Referenzstrahlung über alle Frequenzen gleichmäßig in eine Strahlung (Peakstrahlung) zur Bildung der Mischstrahlung und in eine Strahlung (Reststrahlung) zur Bildung des Interferenzsignals aufgeteilt, hat dies zur Folge, dass bei der Bildung des Summenfrequenzsignals in einem nichtlinearen optischen Kristall weniger Leistung durch die Strahlung zur Summenfrequenzbildung eingebracht wird und sich das Signal-zu-Rausch-Verhältnis des letztlich erfassten Interferenzsignals verschlechtert. Dies wird durch die Aufteilung der Referenzstrahlung in Peak- und Reststrahlung gemäß der beschriebenen Ausführungsform verhindert. If the reference radiation is evenly divided across all frequencies into radiation (peak radiation) to form the mixed radiation and radiation (residual radiation) to form the interference signal, the result is that when the sum frequency signal is formed in a nonlinear optical crystal, less power is dissipated by the Radiation is introduced for sum frequency formation and the signal-to-noise ratio of the interference signal ultimately detected deteriorates. This is prevented by dividing the reference radiation into peak and residual radiation according to the embodiment described.
Durch das Mischen der Peakstrahlung mit der Terahertz-Strahlung entsteht eine Mischstrahlung, eingangs auch als Summen- und Differenzfrequenzsignal beschrieben, die zusätzlich zu dem Peak der Peakstrahlung im Bereich der Peakmittenfrequenz, im Frequenzraum betrachtet, Nebenbänder aufweist. Ein Intensitätsmaximum dieser Nebenbänder ist, im Frequenzraum betrachtet, in einem Abstand zu der Peakmittenfrequenz angeordnet, der der Terahertz-Mittenfrequenz entspricht. Damit enthalten die Nebenbänder die Informationen der Terahertz-Strahlung, die durch das Mischen mit der Peakstrahlung in einen anderen Frequenzbereich hochkonvertiert wurden. Dabei enthält jedes der Nebenbänder alle Informationen der Terahertz-Strahlung, sodass bereits die Auswertung eines der Nebenbänder ausreicht, um die in der Terahertz-Strahlung enthaltenen Informationen auszuwerten. Mixing the peak radiation with the terahertz radiation results in a mixed radiation, also described at the outset as a sum and difference frequency signal, which, viewed in the frequency space, has secondary bands in addition to the peak of the peak radiation in the range of the peak center frequency. Viewed in frequency space, an intensity maximum of these secondary bands is arranged at a distance from the peak center frequency that corresponds to the terahertz center frequency. The secondary bands thus contain the information of the terahertz radiation, which was upconverted into another frequency range by mixing with the peak radiation. In this case, each of the secondary bands contains all the information of the terahertz radiation, so that the evaluation of one of the secondary bands is already sufficient to evaluate the information contained in the terahertz radiation.
Um nun letztlich die Phase der Terahertz-Strahlung auswerten zu können, wird erfindungsgemäß die Mischstrahlung mit der Reststrahlung, also einer Strahlung mit einer festen Phasenbeziehung zu der Peakstrahlung, zur Interferenz gebracht. Dabei hängt eine Intensität des Nebenbandes nach der Interferenz mit der Reststrahlung von der Phase der Terahertz-Strahlung ab. Zur phasensensitiven Detektion der Terahertz-Strahlung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bestehen im Wesentlichen zwei Möglichkeiten, wie die Phase gemessen werden kann. In order to finally be able to evaluate the phase of the terahertz radiation, according to the invention the mixed radiation is caused to interfere with the residual radiation, ie radiation with a fixed phase relationship to the peak radiation. In this case, an intensity of the secondary band after the interference with the residual radiation depends on the phase of the terahertz radiation. For the phase-sensitive detection of the terahertz radiation with the method according to the invention, there are essentially two ways in which the phase can be measured.
In einer Ausführungsform wird während dem Erfassen der Intensität in Schritt g. eine optische Wegstrecke der Referenzstrahlung relativ zu einer optischen Wegstrecke der Pumpstrahlung oder der Terahertz-Strahlung variiert, sodass die Intensität des Interferenzsignals in Abhängigkeit von der jeweiligen Wegstreckendifferenz der Referenzstrahlung und der Pumpstrahlung bzw. der Terahertz-Strahlung ausgewertet wird. Hierdurch ändert sich die Phasenbeziehung zwischen der Mischstrahlung und der Reststrahlung, sodass das Interferenzsignal eine andere Phasenlage der Terahertz-Strahlung wiederspiegelt. Durch sequentielles Durchstimmen der zeitlichen Verzögerung zwischen Pump- und Reststrahlung kann damit die Phasenlage der Terahertz-Strahlung anhand des von der zeitlichen Verzögerung abhängigen Interferenzsignals ermittelt werden. In one embodiment, while detecting the intensity in step g. an optical path of the reference radiation varies relative to an optical path of the pump radiation or the terahertz radiation, so that the intensity of the interference signal is evaluated as a function of the respective path difference between the reference radiation and the pump radiation or the terahertz radiation. This changes the phase relationship between the mixed radiation and the residual radiation, so that the interference signal reflects a different phase position of the terahertz radiation. By sequentially tuning the time delay between pump and residual radiation, the phase position of the terahertz radiation can be determined using the interference signal that is dependent on the time delay.
Insbesondere wird in einerweiteren Ausführungsform eine optische Wegstrecke der Reststrahlung geändert. Die Änderung der optischen Wegstrecke der Reststrahlung bietet den Vorteil, dass bereits eine kleine Änderung dazu führt, dass die Phasenlage der Terahertz-Strahlung vollständig erfasst werden kann. Mit anderen Worten besteht aufgrund der unterschiedlichen Frequenzen eine Übersetzung um einen gewissen Faktor zwischen einer Wegstreckenänderung der Reststrahlung gegenüber einer Wegstreckenänderung der Terahertz-Strahlung. Hiermit wird die Messgeschwindigkeit erhöht. In particular, in another embodiment, an optical path length of the residual radiation is changed. Changing the optical path length of the residual radiation offers the advantage that even a small change means that the phase position of the terahertz radiation can be fully recorded. In other words, due to the different frequencies, there is a translation by a certain factor between a change in the path of the residual radiation compared to a change in the path of the terahertz radiation. This increases the measurement speed.
Alternativ werden in einer weiteren Ausführungsform die Reststrahlung und die Mischstrahlung unter einem Winkel zueinander räumlich überlagert, sodass ein räumliches Interferenzmuster entsteht, aus welchem die Phasenlage der Terahertz-Strahlung in Schritt h. bestimmt wird. Dieses räumliche Interferenzmuster enthält mit nur einer Messung die gesamte Phaseninformation der Terahertz-Strahlung, da die zeitlichen Differenzen zwischen der Reststrahlung und der Peakstrahlung bzw. der Pumpstrahlung über den im Winkel verkippten Strahlungsquerschnitt der Reststrahlung eingebracht wird. Durch diese alternative Form der Erfassung der Phasenlage kann daher die Messgeschwindigkeit nochmals erhöht werden, da ein zeitliches Durchstimmen der Phase nicht mehr erforderlich ist. Alternatively, in a further embodiment, the residual radiation and the mixed radiation are spatially superimposed at an angle to one another, resulting in a spatial interference pattern from which the phase position of the terahertz radiation in step h. is determined. This spatial interference pattern contains the entire phase information of the terahertz radiation with just one measurement, since the time differences between the residual radiation and the peak radiation or the pump radiation are introduced via the radiation cross section of the residual radiation, which is tilted at an angle. The measuring speed can therefore be further increased by this alternative form of detecting the phase position, since it is no longer necessary to tune the phase over time.
Insbesondere werden in einerweiteren Ausführungsform die Mischstrahlung und die Reststrahlung kollinear bis zu einem Biprisma geführt, welches vor der Detektionseinrichtung angeordnet ist. Die räumliche Überlagerung der Mischstrahlung und der Reststrahlung unter einem Winkel zueinander auf der Detektionseinrichtung erfolgt durch das Biprisma. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass einerseits keine zeitliche Verzögerung erforderlich ist und andererseits die Strahlführung durch die kollineare Führung der Mischstrahlung und der Reststrahlung vereinfacht wird. Durch Auswerten einer Intensität des Nebenbandes kann damit auf verschiedene Art und Weise die Phasenlage der Terahertz-Strahlung bestimmt werden. In particular, in a further embodiment, the mixed radiation and the residual radiation are guided collinearly up to a biprism which is arranged in front of the detection device. The spatial superimposition of the mixed radiation and the residual radiation at an angle to one another on the detection device is effected by the biprism. This embodiment offers the advantage that on the one hand no time delay is necessary and on the other hand the beam guidance is simplified by the collinear guidance of the mixed radiation and the residual radiation. The phase angle of the terahertz radiation can thus be determined in various ways by evaluating an intensity of the secondary band.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass, vorzugsweise spektrale, Anteile der Referenzstrahlung, die auch der Bildung des Mischsignals dient, genutzt werden, um die Interferenz mit dem Mischsignal zu erreichen. Dadurch kann trotz Konvertierung der Terahertz- Strahlung in den sichtbaren Spektralbereich die Phase der Terahertz-Strahlung ausgewertet werden. Weiterhin ist die Strahlführung vereinfacht und vorhandene Ressourcen zur Erzeugung der Strahlung können verwendet werden, ohne dass zusätzliche Strahlungsquellen erforderlich sind. The advantage of the method according to the invention is that preferably spectral components of the reference radiation, which are also used to form the mixed signal, are used in order to achieve interference with the mixed signal. As a result, the phase of the terahertz radiation can be evaluated despite the conversion of the terahertz radiation into the visible spectral range. Furthermore, the beam guidance is simplified and existing resources for generating the radiation can be used without the need for additional radiation sources.
Da die Energie eines Terahertz-Photons im Vergleich zu einem Referenzstrahlungs-Photon sehr gering ist, ist auch die spektrale Abweichung der Mischstrahlung von der Referenzstrahlung entsprechend klein. Aus diesem Grund sollte die Peakstrahlung, also der spektrale Anteil der Referenzstrahlung, der für die Bildung des Mischsignals verwendet wird, möglichst schmalbandig sein, damit es nicht zu einer Überlagerung der Summen- und Differenzfrequenzanteile der Mischstrahlung kommt. Andernfalls wäre eine spektrale Trennung der Frequenzbereiche erschwert. Um dies sicher zu stellen, erfolgt in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens das Aufspalten der Referenzstrahlung derart, dass die Referenzstrahlung auf einen Bandpassfilter gelenkt wird, wobei die Peakstrahlung aus einem spektralen Anteil der Referenzstrahlung gebildet wird, der an dem Bandpassfilter reflektiert wird und die Reststrahlung aus einem spektralen Anteil der Referenzstrahlung gebildet wird, der durch den Bandpassfilter transmittiert wird oder umgekehrt. Since the energy of a terahertz photon is very low compared to a reference radiation photon, the spectral deviation of the mixed radiation from the reference radiation is correspondingly small. For this reason, the peak radiation, i.e. the spectral component of the reference radiation that is used to form the mixed signal, should be as narrow-band as possible so that the sum and difference frequency components of the mixed radiation do not overlap. Otherwise a spectral separation of the frequency ranges would be more difficult. In order to ensure this, in one embodiment of the method according to the invention, the splitting of the reference radiation takes place in such a way that the reference radiation is directed onto a bandpass filter, with the peak radiation being formed from a spectral component of the reference radiation which is reflected at the bandpass filter and the residual radiation from a spectral component of the reference radiation is formed, which is transmitted through the bandpass filter or vice versa.
So wird sichergestellt, dass die Peakstrahlung ausreichend schmalbandig ist und die Reststrahlung spektral mit den Summen- und/oder den Differenzfrequenzanteilen der Mischstrahlung überlappt, sodass die Interferenzbedingungen erfüllt sind. Bandpassfilter sind weit verbreitet und kostengünstig verfügbar und bieten daher eine effektive Möglichkeit die Referenzstrahlung in die beiden spektralen Bestandteile Peakstrahlung und Reststrahlung aufzuteilen. This ensures that the peak radiation has a sufficiently narrow band and the residual radiation spectrally overlaps with the sum and/or difference frequency components of the mixed radiation, so that the interference conditions are met. Bandpass filters are widespread and available at low cost and therefore offer an effective way of dividing the reference radiation into the two spectral components, peak radiation and residual radiation.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Referenzmittenfrequenz der Referenzstrahlung mittels eines nichtlinearen optischen Kristalls geändert. Dies bietet den Vorteil, dass als Strahlungsquelle für die Basisstrahlung eine kostengünstige Strahlungsquelle beispielsweise auf Basis der in der Telekommunikation weit verbreiteten 1550-Technologie verwendet werden kann, bei welcher fasergekoppelte Laser mit Wellenlänge um 1550 nm verwendet werden. Diese meist fasergekoppelten Strahlungsquellen bieten eine höhere Anwendungssicherheit im Hinblick auf den Strahlenschutz und eignen sich daher insbesondere für Anwendungen außerhalb des Labors. Durch die Änderung der Referenzmittenfrequenz zu Frequenzen im sichtbaren Spektralbereich können dann jedoch dennoch kostengünstige Detektoren im sichtbaren Spektralbereich zum Einsatz kommen. In a further embodiment of the method according to the invention, a reference center frequency of the reference radiation is changed by means of a non-linear optical crystal. This offers the advantage that a low-cost radiation source, for example based on the 1550 technology widely used in telecommunications, can be used as the radiation source for the basic radiation, in which fiber-coupled lasers with a wavelength of around 1550 nm are used. These mostly fiber-coupled radiation sources offer greater application safety with regard to radiation protection and are therefore particularly suitable for applications outside the lab. However, by changing the reference center frequency to frequencies in the visible spectral range, inexpensive detectors in the visible spectral range can still be used.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Referenzstrahlung nach der Änderung der Referenzmittenfrequenz eine zweite Harmonische der ursprünglichen Referenzstrahlung. Insbesondere hat die Referenzstrahlung in einerweiteren Ausführungsform vor der Änderung eine zentrale Wellenlänge von 1550 nm und nach der Änderung eine zentrale Wellenlänge von etwa 775 nm. Bei beiden Wellenlängen sind entsprechend kostengünstige Komponenten verfügbar. In a further embodiment, the reference radiation is a second harmonic of the original reference radiation after the reference center frequency has been changed. In particular, in a further embodiment, the reference radiation has a central wavelength of 1550 nm before the change and a central wavelength of approximately 775 nm after the change. Correspondingly inexpensive components are available for both wavelengths.
In einer weiteren Ausführungsform deckt die Reststrahlung einen Frequenzbereich ab, der gleich oder größer ist als ein Bereich von der Peakmittenfrequenz minus der Terahertz-Mittenfrequenz bis zu der Peakmittenfrequenz plus der Terahertz-Mittenfrequenz. In another embodiment, the residual radiation covers a frequency range that is equal to or greater than a range from the peak center frequency minus the terahertz center frequency to the peak center frequency plus the terahertz center frequency.
In einer weiteren Ausführungsform werden die Mischstrahlung und die Reststrahlung auf ein dif- fraktives Element gelenkt, sodass von einer Detektionseinrichtung ein frequenzaufgelöstes Interferenzmuster erfasst wird. Mit anderen Worten erhält man für jede Frequenz der Terahertz-Strahlung die entsprechenden Phaseninformationen. Kombiniert mit der zuvor beschriebenen räumlichen Überlagerung der Mischstrahlung mit der Reststrahlung unter einem Winkel zueinander erhält man damit mit nur einer einzigen Messung eine Art Informationsmatrix, die für jede Frequenz eine Phaseninformation beinhaltet. Damit entfällt sowohl das zeitliche Verstimmen zwischen Pump- und Referenzstrahlung als auch eine rechnerische Fouriertransformation des Interferenzsignals in den Frequenzraum. In a further embodiment, the mixed radiation and the residual radiation are directed onto a diffractive element, so that a frequency-resolved interference pattern is detected by a detection device. In other words, the corresponding phase information is obtained for each frequency of the terahertz radiation. Combined with the above-described spatial superimposition of the mixed radiation with the residual radiation at an angle to one another, a type of information matrix containing phase information for each frequency is obtained with just a single measurement. This eliminates both the time mismatch between the pump and reference radiation and a calculated Fourier transformation of the interference signal into the frequency domain.
Die pulsförmige Terahertz-Strahlung besteht aus vielen verschiedenen Frequenzen im oben beschriebenen Bereich zwischen 100 GHz und 30 THz. Da z.B. insbesondere in der Sicherheitstechnik oder auch in der Spektroskopie Stoffe untersucht werden, die ein charakteristisches, frequenzabhängiges Spektrum aufweisen, bietet die frequenzaufgelöste Erfassung den Vorteil, dass individuelle frequenzabhängige Eigenschaften von Proben untersucht werden können. The pulsed terahertz radiation consists of many different frequencies in the range between 100 GHz and 30 THz described above. Since, for example, in security technology or in spectroscopy, substances are examined that have a characteristic, frequency-dependent spectrum, frequency-resolved detection offers the advantage that individual frequency-dependent properties of samples can be examined.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Mischstrahlung vor der Detektion mit einer Detektionseinrichtung in Schritt g. gefiltert, wobei der Anteil der Peakstrahlung an der Mischstrahlung aus der Mischstrahlung herausgefiltert wird, sodass der Anteil der Peakstrahlung an der Mischstrahlung nicht zu der Detektionseinrichtung gelangt. Die Peakstrahlung ist lediglich erforderlich, um die Terahertz-Strahlung in einen sichtbaren Spektralbereich zu konvertieren, der mit kommerziell erhältlichen Detektoren erfasst werden kann. Die Peakstrahlung an sich enthält jedoch keine Information über die Phasenlage der Terahertz-Strahlung, sodass die Peakstrahlung herausgefiltert werden kann. In einer weiteren Ausführungsform liegt die Terahertz-Mittenfrequenz in einem Bereich von 100 GHz bis 10 THz. Die üblichen Terahertzquellen bieten in diesem Frequenzbereich eine ausreichend hohe Leistung, um das empfangene Terahertzsignal ausreichend von anderen Rauschquellen unterscheiden und damit die Daten adäquat auswerten zu können. In a further embodiment, the mixed radiation is prior to detection with a detection device in step g. filtered, wherein the portion of the peak radiation in the mixed radiation is filtered out of the mixed radiation, so that the portion of the peak radiation in the mixed radiation does not reach the detection device. The peak radiation is only required to convert the terahertz radiation into a visible spectral range that can be detected with commercially available detectors. However, the peak radiation itself does not contain any information about the phase position of the terahertz radiation, so that the peak radiation can be filtered out. In another embodiment, the terahertz center frequency is in a range from 100 GHz to 10 THz. In this frequency range, the usual terahertz sources offer sufficiently high power to distinguish the received terahertz signal sufficiently from other noise sources and thus to be able to adequately evaluate the data.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Terahertz-Strahlung mittels einer photoleitenden Antenne oder mittels eines nichtlinearen optischen Kristalls aus der Pumpstrahlung erzeugt. Beide Varianten sind üblich, um Terahertz-Strahlung zu erzeugen, sodass entsprechende kostengünstige Komponenten zur Verfügung stehen. Um die Signalqualität zu verbessern, ist es in einer Ausführungsform vorteilhaft, die Terahertz-Strahlungsquelle spektral auf das Detektionsverfahren abzustimmen. Bei der Erzeugung mit einem nichtlinearen optischen Kristall bedeutet dies, dass die spektralen Eigenschaften des nichtlinearen optischen Kristall für die Erzeugung der Terahertz- Strahlung denen eines nichtlinearen optischen Kristalls entsprechen, der für die Erzeugung der Mischstrahlung aus Terahertz- und Peakstrahlung verwendet wird. In a further embodiment, the terahertz radiation is generated from the pump radiation by means of a photoconductive antenna or by means of a non-linear optical crystal. Both variants are common to generate terahertz radiation, so that corresponding inexpensive components are available. In order to improve the signal quality, it is advantageous in one embodiment to spectrally match the terahertz radiation source to the detection method. In the case of generation using a nonlinear optical crystal, this means that the spectral properties of the nonlinear optical crystal for generating the terahertz radiation correspond to those of a nonlinear optical crystal that is used to generate the mixed radiation from terahertz and peak radiation.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird weiterhin durch eine Vorrichtung zur phasensensitiven Detektion elektromagnetischer Terahertz-Strahlungen gelöst, wobei die Vorrichtung eine elektromagnetische Strahlungsquelle aufweist, wobei die elektromagnetische Strahlungsquelle derart eingerichtet ist, dass während eines Betriebes der Vorrichtung mit der elektromagnetischen Strahlungsquelle eine elektromagnetische Basisstrahlung mit einer Basis-Mittenfrequenz und einer Basis-Frequenzbandbreite erzeugt wird, wobei die Vorrichtung weiterhin einen ersten Strahlteiler aufweist, wobei der erste Strahlteiler derart eingerichtet ist, dass während dem Betrieb der Vorrichtung die elektromagnetische Basisstrahlung in eine Pumpstrahlung und eine Referenzstrahlung aufgeteilt wird, wobei die Vorrichtung weiterhin eine Terahertz-Strahlungsquelle aufweist, die derart eingerichtet ist, dass während dem Betrieb der Vorrichtung die elektromagnetische Terahertz-Strahlung mit einer von der Basis-Mittenfrequenz verschiedenen Terahertz-Mittenfrequenz mittels der Pumpstrahlung erzeugt wird, wobei die Vorrichtung weiterhin einen zweiten Strahlteiler aufweist, wobei der zweite Strahlteiler derart eingerichtet ist, dass in einem Betrieb der Vorrichtung mit dem zweiten Strahlteiler die Referenzstrahlung in eine Peakstrahlung mit einer Peakmittenfrequenz und in eine Reststrahlung aufgeteilt wird, wobei die Reststrahlung zumindest eine Frequenz aus einem Nebenband um eine Nebenbandmittenfrequenz abdeckt, wobei die Nebenbandmittenfrequenz gleich der Peakmittenfrequenz minus oder plus der Terahertz-Mittenfrequenz ist, wobei die Vorrichtung weiterhin eine Überlagerungsvorrichtung aufweist, die derart eingerichtet ist, dass in dem Betrieb der Vorrichtung die Peakstrahlung mit der Terahertz-Strahlung überlagert wird, sodass eine Mischstrahlung mit zumindest einem Nebenband gebildet wird, wobei die Überlagerungsvorrichtung weiterhin derart eingerichtet ist, dass während dem Betrieb der Vorrichtung weiter ein Interferenzsignal durch räumliches Überlagern der Mischstrahlung mit der Reststrahlung gebildetwird, sodass eine Intensität des zumindest einen Nebenbandes von einer Phasenlage der Terahertz-Strahlung bei der Bildung der Mischstrahlung abhängt, wobei die Vorrichtung weiterhin eine Detektionseinrichtung aufweist, die derart eingerichtet und angeordnet ist, dass mit der Detektionseinrichtung während dem Betrieb der Vorrichtung eine Intensität des Interferenzsignals erfassbar ist, und wobei die Vorrichtung weiterhin eine Auswerteeinrichtung aufweist, die derart eingerichtet und mit der Detektionseinrichtung verbunden ist, dass während des Betriebes der Vorrichtung die Phasenlage der Terahertz-Strahlung anhand dervon der Detektionseinrichtung erfassten Intensität des Interferenzsignals anhand der Intensität des zumindest einen Nebenbandes ausgewertet wird. The object on which the invention is based is also achieved by a device for the phase-sensitive detection of electromagnetic terahertz radiation, the device having an electromagnetic radiation source, the electromagnetic radiation source being set up in such a way that during operation of the device with the electromagnetic radiation source, a basic electromagnetic radiation with a Base center frequency and a base frequency bandwidth is generated, the device also having a first beam splitter, the first beam splitter being set up in such a way that during operation of the device the electromagnetic base radiation is divided into a pump radiation and a reference radiation, the device further has a terahertz radiation source which is set up in such a way that during operation of the device the electromagnetic terahertz radiation with a terahertz center frequency that differs from the base center frequency is generated by means of the pump radiation, the device further having a second beam splitter, the second beam splitter is set up in such a way that when the device is operated with the second beam splitter, the reference radiation is divided into peak radiation with a peak center frequency and residual radiation, with the residual radiation covering at least one frequency from a sideband around a sideband center frequency, with the sideband center frequency being equal to the Peak center frequency is minus or plus the terahertz center frequency, the device also having a superimposition device which is set up in such a way that the peak radiation is superimposed with the terahertz radiation during operation of the device, so that a mixed radiation with at least one secondary band is formed, wherein the superimposing device is further set up in such a way that during the operation of the device further an interference signal is formed by spatially superimposing the mixed radiation with the residual radiation, so that an intensity of the at least one secondary band depends on a phase angle of the terahertz radiation when the mixed radiation is formed, the device also having a detection device which is set up and arranged in such a way that with an intensity of the interference signal can be detected by the detection device during operation of the device, and wherein the device also has an evaluation device that is set up and connected to the detection device in such a way that during operation of the device the phase position of the terahertz radiation is determined using the values detected by the detection device Intensity of the interference signal is evaluated based on the intensity of the at least one secondary band.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Vorrichtung weiterhin eine Verzögerungseinheit auf, die derart eingerichtet und in einem Strahlengang der Referenzstrahlung oder der Reststrahlung und/oder der Pumpstrahlung angeordnet ist, dass mit der Verzögerungseinrichtung während dem Betrieb der Vorrichtung eine optische Wegstrecke der Referenzstrahlung relativ zu einer optischen Wegstrecke der Pumpstrahlung verändert wird. Besonders bevorzugt ist die Verzögerungseinheit derart eingerichtet und in einem Strahlengang der Reststrahlung angeordnet, dass mit der Verzögerungseinheit während dem Betrieb der Vorrichtung eine optische Wegstrecke der Reststrahlung relativ zu der optischen Wegstreckt der Pump- oder Terahertzstrahlung geändert wird. In a further embodiment, the device also has a delay unit, which is set up and arranged in a beam path of the reference radiation or the residual radiation and/or the pump radiation in such a way that, with the delay device during operation of the device, an optical path of the reference radiation relative to an optical Distance of the pump radiation is changed. The delay unit is particularly preferably set up and arranged in a beam path of the residual radiation such that the delay unit changes an optical path of the residual radiation relative to the optical path of the pump or terahertz radiation during operation of the device.
Es versteht sich, dass Ausführungsformen, die für das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben wurden, ebenso für die erfindungsgemäße Vorrichtung gelten und umgekehrt. It goes without saying that embodiments which have been described for the method according to the invention also apply to the device according to the invention and vice versa.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung verschiedener Ausführungsformen und der dazugehörigen Figuren deutlich. In den Figuren sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Further advantages, features and possible applications of the present invention become clear from the following description of various embodiments and the associated figures. In the figures, the same elements are denoted by the same reference symbols.
Figur 1 zeigt eine schematische Übersicht des Ablaufs einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. FIG. 1 shows a schematic overview of the sequence of an embodiment of the method according to the invention.
Figur 2 ist eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. FIG. 2 is a schematic representation of a first embodiment of the device according to the invention.
Figur 3 ist eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Figure 3 is a schematic representation of a second embodiment of the device according to the invention.
Figur 4 ist eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Gemäß dem in Figur 1 dargestellten schematischen Ablauf einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in einem Schritt 100 eine Basisstrahlung 1 mit einer Wellenlänge um 1550 nm erzeugt, die dann in eine Pumpstrahlung 2 (siehe Figuren 2 bis 4) und eine Referenzstrahlung 3 aufgeteilt wird. Die Referenzstrahlung 3, die eine Referenz-Mittenfrequenz 3c aufweist, wird in einem Schritt 101 derart in einem nichtlinearen optischen Kristall 18 (siehe Figuren 2 bis 4) verändert, dass die Referenzstrahlung 3 nach der Änderung eine zweite Harmonische der ursprünglichen Referenzstrahlung 3 darstellt, d.h. eine Wellenlänge von etwa 775 nm hat. FIG. 4 is a schematic representation of a further embodiment of the device according to the invention. 1, a basic radiation 1 with a wavelength of around 1550 nm is generated in a step 100, which is then divided into a pump radiation 2 (see FIGS. 2 to 4) and a reference radiation 3. The reference radiation 3, which has a reference center frequency 3c, is changed in a step 101 in a non-linear optical crystal 18 (see Figures 2 to 4) in such a way that the reference radiation 3 represents a second harmonic of the original reference radiation 3 after the change, ie has a wavelength of about 775 nm.
Die aus der Basisstrahlung 1 abgespaltene Pumpstrahlung 2 wird dazu verwendet, eine elektromagnetische Terahertz-Strahlung 4 mit einer von der Basis-Mittenfrequenz verschiedenen Terahertz-Mittenfrequenz in einer photoleitenden Antenne 13 in einem Schritt 102 zu erzeugen. Hierzu werden durch die Pumpstrahlung 2 in einem Halbleitermaterial der photoleitenden Antenne 13 (siehe Figuren 2 bis 4) freie Ladungsträger erzeugt, die in einem elektrischen Feld, das durch eine externe Spannung an der photoleitende Antenne 13 erzeugt wird, beschleunigt werden, sodass eine elektromagnetische Terahertz-Strahlung 4 abgestrahlt wird. The pump radiation 2 split off from the base radiation 1 is used to generate electromagnetic terahertz radiation 4 with a terahertz center frequency that differs from the base center frequency in a photoconductive antenna 13 in a step 102 . For this purpose, free charge carriers are generated by the pump radiation 2 in a semiconductor material of the photoconductive antenna 13 (see Figures 2 to 4), which are accelerated in an electric field that is generated by an external voltage at the photoconductive antenna 13, so that an electromagnetic terahertz -Radiation 4 is emitted.
Die Referenzstrahlung 3 wird in einem Schritt 200 in eine Peakstrahlung 3a und eine Reststrahlung 3b aufgeteilt, wobei danach nur die Peakstrahlung 3a mit der Terahertz-Strahlung 4 in einem Schritt 300 derart in einem nichtlinearen optischen Kristall überlagert wird, dass eine Mischstrahlung 5 mit zwei Nebenbändern 7a und 7b im Frequenzraum gebildet wird. In a step 200, the reference radiation 3 is divided into a peak radiation 3a and a residual radiation 3b, after which only the peak radiation 3a is superimposed with the terahertz radiation 4 in a step 300 in a non-linear optical crystal such that a mixed radiation 5 with two sidebands 7a and 7b is formed in the frequency domain.
Diese Mischstrahlung 5 wird wiederum in einem Schritt 400 mit der Reststrahlung 3b räumlich überlagert, sodass die Reststrahlung 3b und die Mischstrahlung 5 miteinander interfrieren und eine Intensität der Nebenbänder 7a und 7b von einer Phasenlage der Terahertz-Strahlung 4 abhängt. Das so entstehende Interferenzsignal 6 wird erfasst und die Phasenlage der Terahertz-Strahlung 4 aus der erfassten Intensität des Interferenzsignals 6 anhand der Intensität der Nebenbänder 7a und 7b ausgewertet. This mixed radiation 5 is in turn spatially superimposed in a step 400 with the residual radiation 3b so that the residual radiation 3b and the mixed radiation 5 interfere with one another and an intensity of the secondary bands 7a and 7b depends on a phase position of the terahertz radiation 4 . The resulting interference signal 6 is detected and the phase position of the terahertz radiation 4 is evaluated from the detected intensity of the interference signal 6 based on the intensity of the secondary bands 7a and 7b.
In der beschriebenen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Frequenzbereich der Reststrahlung 3 derart gewählt, dass dieser einen Frequenzbereich überdeckt, der von der Peakmittenfrequenz minus der Terahertz-Mittenfrequenz bis zu der Peakmittenfrequenz plus der Terahertz-Mittenfrequenz reicht. In the described embodiment of the method according to the invention, a frequency range of the residual radiation 3 is selected such that it covers a frequency range that extends from the peak center frequency minus the terahertz center frequency to the peak center frequency plus the terahertz center frequency.
Wie in Figur 1 dargestellt handelt es sich bei der Peakstrahlung 3a um eine äußerst schmalbandige Strahlung. Der Reststrahlung 3b fehlen exakt die spektralen Anteile der Peakstrahlung 3a. As shown in FIG. 1, the peak radiation 3a is extremely narrow-band radiation. The residual radiation 3b lacks exactly the spectral components of the peak radiation 3a.
In Figur 2 ist eine Vorrichtung 10 dargestellt, mit der das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt wird. Eine Strahlungsquelle 11 erzeugt hierzu die elektromagnetische Basisstrahlung 1 , die von einem ersten Strahlteiler 12 in eine Pumpstrahlung 2 und eine Referenzstrahlung 3 aufgeteilt wird. Bei dem Strahlteiler 12 handelt es sich um einen optischen Strahlteiler, der die Basisstrahlung 1 in Pumpstrahlung 2 und Referenzstrahlung 3 aufteilt. FIG. 2 shows a device 10 with which the method according to the invention is carried out. For this purpose, a radiation source 11 generates the basic electromagnetic radiation 1 , which a first beam splitter 12 into pump radiation 2 and reference radiation 3 . The beam splitter 12 is an optical beam splitter that splits the base radiation 1 into pump radiation 2 and reference radiation 3 .
Die Pumpstrahlung 2 wird zur Erzeugung der Terahertz-Strahlung 4 mittels einer Terahertz-Strahlungsquelle 13 verwendet, wobei es sich bei der Terahertz-Strahlungsquelle 13 um eine photoleitende Antenne oder einen nichtlinearen optischen Kristall handelt. The pump radiation 2 is used to generate the terahertz radiation 4 by means of a terahertz radiation source 13, the terahertz radiation source 13 being a photoconductive antenna or a non-linear optical crystal.
Die Referenzstrahlung 3 wird nach der Frequenzwandlung im nichtlinearen optischen Kristall 18 an einem zweiten Strahlteiler 14, bei dem es sich um einen Bandpassfilter handelt, in die Peakstrahlung 3a und die Reststrahlung 3b aufgeteilt. Der Bandpassfilter 14 ist derart eingerichtet, dass der reflektierte Teil der Referenzstrahlung 3 der Peakstrahlung 3a entspricht und der durch den Bandpassfilter transmittierte Teil der Referenzstrahlung 3 der Reststrahlung 3b entspricht. After the frequency conversion in the non-linear optical crystal 18, the reference radiation 3 is divided into the peak radiation 3a and the residual radiation 3b at a second beam splitter 14, which is a bandpass filter. The bandpass filter 14 is set up in such a way that the reflected part of the reference radiation 3 corresponds to the peak radiation 3a and the part of the reference radiation 3 transmitted through the bandpass filter corresponds to the residual radiation 3b.
Die Peakstrahlung 3a wird dann mittels Spiegeln in einer Überlagerungsvorrichtung 15a, beispielsweise in einem nichtlinearen optischen Kristall, mit der Terahertz-Strahlung 4 überlagert, sodass eine Mischstrahlung 5 entsteht. The peak radiation 3a is then superimposed with the terahertz radiation 4 by means of mirrors in a superposition device 15a, for example in a non-linear optical crystal, so that a mixed radiation 5 is produced.
Die Mischstrahlung 5 verläuft anschließend kollinear mit der Reststrahlung 3b über ein optisches Gitter 15b bis zum Detektor 16. Der Detektor 16 erfasst dann das Interferenzsignal 6 aus der Mischstrahlung 5 und der Reststrahlung 3b. Durch das diffraktive Element 15b wird die Mischstrahlung 5 in ihre spektralen Anteile aufgeteilt, sodass mit nur einer Messung von dem Detektor 16 die Terahertz-Strahlung 4 frequenzaufgelöst ausgewertet werden kann. The mixed radiation 5 then runs collinearly with the residual radiation 3b via an optical grating 15b to the detector 16. The detector 16 then detects the interference signal 6 from the mixed radiation 5 and the residual radiation 3b. The mixed radiation 5 is divided into its spectral components by the diffractive element 15b, so that the terahertz radiation 4 can be evaluated in a frequency-resolved manner with only one measurement by the detector 16.
Um eine vollständige Phaseninformation der Terahertz-Strahlung auswerten zu können, ist weiter eine Verzögerungseinrichtung 17b vorgesehen, die in dem Strahlengang der Reststrahlung 3b angeordnet ist und eine optische Wegstrecke der Reststrahlung 3b relativ zu der Pumpstrahlung 2 bzw. der Terahertz-Strahlung 4 verändert. Wird das Interferenzsignal 6 in Abhängigkeit von der Wegstreckenänderung mit dem Detektor 16 erfasst, kann so die gesamte Phasenlage der Terahertz-Strahlung ausgewertet werden. In order to be able to evaluate complete phase information of the terahertz radiation, a delay device 17b is also provided, which is arranged in the beam path of the residual radiation 3b and changes an optical path of the residual radiation 3b relative to the pump radiation 2 or the terahertz radiation 4. If the interference signal 6 is detected with the detector 16 as a function of the change in distance, the entire phase position of the terahertz radiation can be evaluated.
Als zusätzliche Hilfsmittel, die jedoch für den Betrieb der Vorrichtung nicht zwangsläufig erforderlich sind, sieht die Vorrichtung gemäß Figur 2 noch weitere Filter 19a, 19b und 19c sowie eine weitere Verzögerungseinheit 17a vor. Die Filter 19a und 19b dienen vornehmlich der Reduzierung der Leistung der Pump- bzw. Reststrahlung für die folgenden Verfahrensschritte. Filter 19c filtert die spektralen Anteile der Peakstrahlung 3a an dem Mischsignal 5 heraus, sodass diese nicht auf die Detektionseinrichtung 16 gelangen. Die zusätzliche Verzögerungseinheit 17a dient der Feinabstimmung zwischen den einzelnen Strahlungen, um die Interferenzbedingungen zu sichern. Im Gegensatz zu der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform zeigt Figur 3 eine Ausführungsform, in welcher die Reststrahlung 3b unter einem Winkel räumlich mit der Mischstrahlung 5 auf dem Detektor 16 überlagert wird. In dieser Ausführungsform dienen beide Verzögerungseinrichtungen 17a und 17b lediglich der Feinabstimmung der Strahlungen zur Sicherung der Kohärenzeigenschaften. Eine Verzögerung der Reststrahlung 3b gegenüber der Pumpstrahlung 2 bzw. der Terahertz-Strahlung 4 ist nicht erforderlich, da die zeitliche Verzögerung durch das Verkippen des Strahlungsquerschnitts der Reststrahlung 3b induziert wird. The device according to FIG. 2 provides further filters 19a, 19b and 19c as well as a further delay unit 17a as additional aids, which, however, are not absolutely necessary for the operation of the device. The filters 19a and 19b are primarily used to reduce the power of the pump and residual radiation for the following method steps. Filter 19c filters out the spectral components of peak radiation 3a in mixed signal 5, so that they do not reach detection device 16. The additional delay unit 17a is used for fine tuning between the individual radiations in order to ensure the interference conditions. In contrast to the embodiment shown in FIG. 2, FIG. 3 shows an embodiment in which the residual radiation 3b is spatially superimposed on the detector 16 with the mixed radiation 5 at an angle. In this embodiment, both delay devices 17a and 17b only serve to fine-tune the radiation to ensure the coherence properties. A delay in the residual radiation 3b compared to the pump radiation 2 or the terahertz radiation 4 is not necessary, since the time delay is induced by the tilting of the radiation cross section of the residual radiation 3b.
Der Detektionssensor als Detektionseinrichtung 16 erfasst dabei ein Interferenzsignal 6, dass für jede einzelne Frequenz, die in der Terahertz-Strahlung 4 enthalten ist, eine Phaseninformation aufweist. The detection sensor as detection device 16 detects an interference signal 6 that has phase information for each individual frequency contained in the terahertz radiation 4 .
Figur 4 zeigt letztlich eine Vorrichtung 10, die eine Kombination aus der räumlichen Überlagerung unter einem Winkel und der kollinearen Führung der Mischstrahlung 5 und der Reststrahlung 3b darstellt. Auch hier sind die Verzögerungseinheiten 17a und 17b nichts zwangsläufig erforderlich. Im Gegensatz zu der in Figur 3 gezeigten Ausführungsform der Vorrichtung 10 können jedoch in der Vorrichtung 10 gemäß Figur4 die Reststrahlung 3b und die Mischstrahlung 5 über die gleichen optischen Komponenten auf den Detektor 16 geführt werden. Dabei kommt es wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen zur Bildung des Mischsignals 5 in der Überlagerungsvorrichtung 15a, bei weicher es sich um einen nichtlinearen optischen Kristall handelt. Die Reststrahlung 3b passiert den gleichen nichtlinearen optischen Kristall 15a und wird zusammen mit der Mischstrahlung 5 unter einem Winkel auf dem Detektor 16 räumlich überlagert. Hierzu wird die Mischstrahlung 5 und die Reststrahlung 3b, die bisher parallel zueinander geführt wurden, auf ein Biprisma 15c gelenkt, welches die parallel verlaufende Mischstrahlung 5 und die Reststrahlung 3b auf dem Detektor 16 räumlich überlagert. Finally, FIG. 4 shows a device 10, which represents a combination of the spatial superimposition at an angle and the collinear guidance of the mixed radiation 5 and the residual radiation 3b. Again, the delay units 17a and 17b are not mandatory. In contrast to the embodiment of the device 10 shown in FIG. 3, however, in the device 10 according to FIG. 4 the residual radiation 3b and the mixed radiation 5 can be guided to the detector 16 via the same optical components. As in the previously described embodiments, the mixed signal 5 is formed in the heterodyning device 15a, which is a non-linear optical crystal. The residual radiation 3b passes through the same non-linear optical crystal 15a and is spatially superimposed on the detector 16 at an angle together with the mixed radiation 5 . For this purpose, the mixed radiation 5 and the residual radiation 3b, which were previously guided parallel to one another, are directed onto a biprism 15c, which spatially superimposes the parallel mixed radiation 5 and the residual radiation 3b on the detector 16.
B e z u g s z e i c h e n REFERENCE MARKS
1 Basisstrahlung 1 basic radiation
2 Pumpstrahlung 2 pump radiation
3 Referenzstrahlung 3 reference radiation
3a Peakstrahlung 3a peak radiation
3b Reststrahlung 3b residual radiation
3c Referenzmittenfrequenz 3c reference center frequency
4 Terahertz-Strahlung 4 terahertz radiation
5 Mischstrahlung 5 mixed radiation
6 Interferenzsignal 6 interference signal
7a, 7b Nebenbänder 7a, 7b sub-bands
10 Vorrichtung 10 device
11 elektromagnetische Strahlungsquelle11 electromagnetic radiation source
12 erster Strahlteiler 12 first beam splitter
13 Terrahertz-Strahlungsquelle 13 terahertz radiation source
14 zweiter Strahlteiler (Bandpassfilter)14 second beam splitter (bandpass filter)
15a Überlagerungsvorrichtung 15a superimposing device
15b diffraktives Element 15b diffractive element
15c Biprisma 15c biprism
16 Detektionseinrichtung 16 detection device
17a, 17b Verzögerungseinrichtung 17a, 17b delay device
18 nichtlinearer optischer Kristall 18 nonlinear optical crystal
19, 19a, 19b Filter 19, 19a, 19b filters
100 Schritte a und b 100 steps a and b
101 Verändern der Referenzmittenfrequenz101 Changing the reference center frequency
102 Schritt e 102 step e
200 Schritt d 200 step d
300 Schritt e 300 step e
400 Schritt f 400 step f

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e P atentClaims
1. Verfahren zur phasensensitiven Detektion elektromagnetischer Terahertz-Strahlung (4) mit den Schritten: a. Erzeugen einer elektromagnetischen Basisstrahlung (1) mit einer Basis-Mitten- frequenz und einer Basis-Frequenzbandbreite, b. Aufspalten (100) der elektromagnetischen Basisstrahlung (1) in eine Pumpstrahlung (2) und eine Referenzstrahlung (3), c. Erzeugen (102) der elektromagnetischen Terahertz-Strahlung (4) mit einer von der Basis-Mittenfrequenz verschiedenen Terahertz-Mittenfrequenz mittels der Pumpstrahlung (2), d. Aufspalten (200) der Referenzstrahlung (3) in eine Peakstrahlung (3a) mit einer Peakmittenfrequenz und in eine Reststrahlung (3b), wobei die Reststrahlung (3b) zumindest eine Frequenz aus einem Nebenband um eine Nebenbandmittenfrequenz abdeckt, wobei die Nebenbandmittenfrequenz gleich der Peakmittenfrequenz minus oder plus der Terahertz-Mittenfrequenz ist,, e. Mischen (300) der Peakstrahlung (3a) mit der Terahertz-Strahlung (4), so dass eine Mischstrahlung (5) mit zumindest einem Nebenband (7a, 7b) gebildet wird, f. Bilden (400) eines Interferenzsignals (6) durch räumliches Überlagern der Mischstrahlung (5) mit der Reststrahlung (3b), sodass eine Intensität des zumindest einen Nebenbandes (7a, 7b) von einer Phasenlage der Terahertz- Strahlung (4) bei dem Mischen in Schritt e. abhängt, g. Erfassen einer Intensität des Interferenzsignals (6), h. Auswerten der Phasenlage der Terahertz-Strahlung (4) aus der in Schritt g. erfassten Intensität des Interferenzsignals (6) anhand der Intensität des zumindest einen Nebenbandes (7a, 7b). 1. Method for the phase-sensitive detection of electromagnetic terahertz radiation (4) with the steps: a. Generating an electromagnetic base radiation (1) with a base center frequency and a base frequency bandwidth, b. Splitting (100) the basic electromagnetic radiation (1) into a pump radiation (2) and a reference radiation (3), c. Generating (102) the electromagnetic terahertz radiation (4) with a terahertz center frequency different from the base center frequency by means of the pump radiation (2), d. Splitting (200) the reference radiation (3) into a peak radiation (3a) with a peak center frequency and into a residual radiation (3b), wherein the residual radiation (3b) covers at least one frequency from a sideband around a sideband center frequency, the sideband center frequency equal to the peak center frequency minus or plus the terahertz center frequency, e. Mixing (300) the peak radiation (3a) with the terahertz radiation (4) so that a mixed radiation (5) with at least one secondary band (7a, 7b) is formed, f. Forming (400) an interference signal (6) by spatial Superimposing the mixed radiation (5) with the residual radiation (3b), so that an intensity of the at least one secondary band (7a, 7b) differs from a phase position of the terahertz radiation (4) during the mixing in step e. depends g. detecting an intensity of the interference signal (6), h. Evaluation of the phase position of the terahertz radiation (4) from the step g. detected intensity of the interference signal (6) based on the intensity of the at least one secondary band (7a, 7b).
2. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Referenzmittenfrequenz (3c) der Referenzstrahlung (3) mittels eines nichtlinearen optischen Kristalls (18) geändert wird. 2. The method according to any one of the preceding claims, wherein a reference center frequency (3c) of the reference radiation (3) is changed by means of a non-linear optical crystal (18).
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Referenzstrahlung (3) nach der Änderung eine zweite Harmonische der ursprünglichen Referenzstrahlung (3) ist. 3. The method according to claim 2, wherein the reference radiation (3) after the change is a second harmonic of the original reference radiation (3).
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Referenzstrahlung (3) vor der Änderung eine zentrale Wellenlänge von 1550 nm hat und nach der Änderung eine zentrale Wellenlänge von etwa 775 nm. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Reststrahlung (3) einen Frequenzbereich abdeckt, der gleich oder größer ist als ein Bereich von der Peakmittenfrequenz minus der Terahertz-Mittenfrequenz bis zu der Peakmittenfrequenz plus der Terahertz-Mittenfrequenz. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Aufspalten in Schritt d. derart erfolgt, dass die Referenzstrahlung (3) auf einen Bandpassfilter (14) gelenkt wird, wobei die Peakstrahlung (3a) aus einem spektralen Anteil der Referenzstrahlung4. The method according to claim 2 or 3, wherein the reference radiation (3) has a central wavelength of 1550 nm before the change and a central wavelength of about 775 nm after the change. A method according to any one of the preceding claims, wherein the residual radiation (3) covers a frequency range equal to or greater than a range from the peak center frequency minus the terahertz center frequency to the peak center frequency plus the terahertz center frequency. A method according to any one of the preceding claims, wherein the splitting in step d. takes place in such a way that the reference radiation (3) is directed onto a bandpass filter (14), the peak radiation (3a) consisting of a spectral component of the reference radiation
(3) gebildet wird, der an dem Bandpassfilter (14) reflektiert wird und die Reststrahlung (3b) aus einem spektralen Anteil der Referenzstrahlung (3) gebildet wird, der durch den Bandpassfilter (14) transmittiert wird oder umgekehrt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei während dem Erfassen der Intensität in Schritt g. eine optische Wegstrecke der Referenzstrahlung (3) relativ zu einer optischen Wegstrecke der Pumpstrahlung (2) oder der Terahertz-Strahlung(3) is formed, which is reflected at the bandpass filter (14) and the residual radiation (3b) is formed from a spectral component of the reference radiation (3) which is transmitted through the bandpass filter (14) or vice versa. Method according to one of the preceding claims, wherein during the detection of the intensity in step g. an optical path of the reference radiation (3) relative to an optical path of the pump radiation (2) or the terahertz radiation
(4) variiert wird, sodass die Intensität des Interferenzsignals (6) in Abhängigkeit von der jeweiligen Wegstreckendifferenz der Referenzstrahlung (3) und der Pumpstrahlung (2) bzw. der Terahertz-Strahlung (4) ausgewertet wird. Verfahren nach Anspruch 7, wobei eine optische Wegstrecke der Reststrahlung (3b) geändert wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Reststrahlung (3b) und die Mischstrahlung (5) unter einem Winkel räumlich überlagert werden, sodass ein räumliches Interferenzmuster entsteht, aus welchem die Phasenlage der Terahertz- Strahlung (4) in Schritt h. frequenzabhängig bestimmt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mischstrahlung (5) und die Reststrahlung (3b) auf ein diffraktives Element (15b) gelenkt werden, sodass von einer Detektionseinrichtung (16) ein frequenzaufgelöstes Interferenzmuster erfasst wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mischstrahlung (5) vor der Detektion durch eine Detektionseinrichtung (16) in Schritt g. gefiltert wird, wobei ein Anteil der Peakstrahlung (3a) an der Mischstrahlung (5) aus der Mischstrahlung (5) - 16 - herausgefiltert wird, sodass der Anteil der Peakstrahlung (3a) an der Mischstrahlung (5) nicht zu der Detektionseinrichtung (16) gelangt. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Terahertz-Mittenfrequenz in einem Bereich von 100 GHz bis 10 THz liegt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Terahertz-Strahlung (4) mittels einer photoleitenden Antenne (13) oder mittels eines nichtlinearen optischen Kristalls aus der Pumpstrahlung (2) erzeugt wird. Vorrichtung (10) zur phasensensitiven Detektion elektromagnetischer Terahertz-Strahlung (4) aufweisend eine elektromagnetische Strahlungsquelle (11), wobei die elektromagnetische Strahlungsquelle (11) derart eingerichtet ist, dass während eines Betriebes der Vorrichtung (10) mit der elektromagnetischen Strahlungsquelle (11) eine elektromagnetische Basisstrahlung (1) mit einer Basis-Mittenfrequenz und einer Basis-Fre- quenzbandbreite erzeugt wird, einen ersten Strahlteiler (12), wobei der erste Strahlteiler (12) derart eingerichtet ist, dass während dem Betrieb der Vorrichtung (10) die elektromagnetische Basisstrahlung (1) in eine Pumpstrahlung (2) und eine Referenzstrahlung (3) aufgeteilt wird, eine Terahertz-Strahlungsquelle (13), die derart eingerichtet ist, dass während dem Betrieb der Vorrichtung (10) die elektromagnetische Terahertz-Strahlung (4) mit einer von der Basis-Mittenfrequenz verschiedenen Terahertz-Mittenfrequenz mittels der Pumpstrahlung (2) erzeugt wird, einen zweiten Strahlteiler (14), wobei der zweite Strahlteiler (14) derart eingerichtet ist, dass in dem Betrieb der Vorrichtung (10) mit dem zweiten Strahlteiler (14) die Referenzstrahlung (3) in eine Peakstrahlung (3a) mit einer Peakmittenfrequenz und in eine Reststrahlung (3b) aufgeteilt wird, wobei die Reststrahlung (3b) zumindest eine Frequenz aus einem Nebenband um eine Nebenbandmittenfrequenz abdeckt, wobei die Nebenbandmittenfrequenz gleich der Peakmittenfrequenz minus oder plus der Terahertz-Mittenfrequenz ist, eine Überlagerungsvorrichtung (15a, 15b), die derart eingerichtet ist, dass in dem Betrieb der Vorrichtung (10) die Peakstrahlung (3a) mit der Terahertz-Strahlung (4) überlagert wird, so dass eine Mischstrahlung (5) mit zumindest einem Nebenband (7a, 7b) gebildet wird, wobei die Überlagerungsvorrichtung (15a, 15b) weiterhin derart eingerichtet ist, dass während dem Betrieb der Vorrichtung (10) weiter ein - 17 - (4) is varied, so that the intensity of the interference signal (6) is evaluated as a function of the respective path difference between the reference radiation (3) and the pump radiation (2) or the terahertz radiation (4). Method according to Claim 7, in which an optical path length of the residual radiation (3b) is changed. Method according to one of the preceding claims, wherein the residual radiation (3b) and the mixed radiation (5) are spatially superimposed at an angle, so that a spatial interference pattern is created from which the phase position of the terahertz radiation (4) in step h. is determined as a function of frequency. Method according to one of the preceding claims, wherein the mixed radiation (5) and the residual radiation (3b) are directed onto a diffractive element (15b), so that a detection device (16) detects a frequency-resolved interference pattern. Method according to one of the preceding claims, wherein the mixed radiation (5) before detection by a detection device (16) in step g. is filtered, with a proportion of the peak radiation (3a) in the mixed radiation (5) from the mixed radiation (5) - 16 - is filtered out, so that the portion of the peak radiation (3a) in the mixed radiation (5) does not reach the detection device (16). Method according to the preceding claim, wherein the terahertz center frequency is in a range from 100 GHz to 10 THz. Method according to one of the preceding claims, in which the terahertz radiation (4) is generated from the pump radiation (2) by means of a photoconductive antenna (13) or by means of a non-linear optical crystal. Device (10) for the phase-sensitive detection of electromagnetic terahertz radiation (4) having an electromagnetic radiation source (11), wherein the electromagnetic radiation source (11) is set up such that during operation of the device (10) with the electromagnetic radiation source (11). electromagnetic base radiation (1) is generated with a base center frequency and a base frequency bandwidth, a first beam splitter (12), wherein the first beam splitter (12) is set up such that during operation of the device (10) the electromagnetic base radiation (1) is divided into a pump radiation (2) and a reference radiation (3), a terahertz radiation source (13), which is set up such that during operation of the device (10) the electromagnetic terahertz radiation (4) with a a terahertz center frequency different from the base center frequency is generated by means of the pump radiation (2), a second beam splitter (14), the second beam splitter (14) being set up in such a way that during operation of the device (10) with the second beam splitter ( 14) the reference radiation (3) is divided into a peak radiation (3a) with a peak center frequency and into a residual radiation (3b), the residual radiation (3b) covering at least one frequency from a sideband around a sideband center frequency, the sideband center frequency being equal to the peak center frequency minus or plus the terahertz center frequency, a superimposition device (15a, 15b) which is set up in such a way that the peak radiation (3a) is superimposed with the terahertz radiation (4) during operation of the device (10), so that a mixed radiation (5) is formed with at least one secondary band (7a, 7b), wherein the superimposing device (15a, 15b) is further set up in such a way that during operation of the device (10) a further - 17 -
Interferenzsignal (6) durch räumliches Überlagern der Mischstrahlung (5) mit der Reststrahlung (3b) gebildet wird, sodass eine Intensität des zumindest einen Nebenbandes (7a, 7b) von einer Phasenlage der Terahertz-Strahlung (4) bei der Bildung der Mischstrahlung (5) abhängt, eine Detektionseinrichtung (16), die derart eingerichtet und angeordnet ist, dass mit der Detektionseinrichtung (16) während dem Betrieb der Vorrichtung (10) eine Intensität des Interferenzsignals (6) erfassbar ist, und eine Auswerteeinrichtung, die derart eingerichtet und mit der Detektionseinrichtung (16) verbunden ist, dass während des Betriebes der Vorrichtung (10) die Phasenlage der Terahertz-Strahlung (4) anhand der von der Detektionseinrichtung (16) erfassten Intensität des Interferenzsignals (6) anhand der Intensität des zumindest einen Nebenbandes (7a, 7b) ausgewertet wird. Vorrichtung (10) nach Anspruch 14, wobei die Vorrichtung (10) weiterhin eine Verzögerungseinrichtung (17a, 17b) aufweist, die derart eingerichtet und in einem Strahlengang der Referenzstrahlung (3) oder der Reststrahlung und/ oder der Pumpstrahlung (2) angeordnet ist, dass mit der Verzögerungseinrichtung (17a, 17b) während dem Betrieb der Vorrichtung (10) eine optische Wegstrecke der Referenzstrahlung (3) relativ zu einer optischen Wegstrecke der Pumpstrahlung (2) verändert wird. Interference signal (6) is formed by spatially superimposing the mixed radiation (5) with the residual radiation (3b), so that an intensity of the at least one secondary band (7a, 7b) depends on a phase position of the terahertz radiation (4) when the mixed radiation (5 ) depends, a detection device (16) which is set up and arranged in such a way that the intensity of the interference signal (6) can be detected with the detection device (16) during operation of the device (10), and an evaluation device which is set up and with connected to the detection device (16) in that during the operation of the device (10) the phase position of the terahertz radiation (4) is determined based on the intensity of the interference signal (6) detected by the detection device (16) based on the intensity of the at least one secondary band (7a , 7b) is evaluated. Device (10) according to claim 14, wherein the device (10) further comprises a delay device (17a, 17b) which is set up and arranged in a beam path of the reference radiation (3) or the residual radiation and/or the pump radiation (2) that with the delay device (17a, 17b) during operation of the device (10) an optical path length of the reference radiation (3) is changed relative to an optical path length of the pump radiation (2).
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T. PFEIFFER ET AL.: "Terahertz detection by upconversion to the near-infrared using picosecond pulses", OPT. EXPRESS, vol. 28, 2020, pages 29419 - 29429

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