DE102007011820B4

DE102007011820B4 - Verfahren zum schnellen Messen von Proben mit geringem optischen Wegunterschied mittels elektromagnetischer Strahlung im Terahertz-Bereich

Info

Publication number: DE102007011820B4
Application number: DE200710011820
Authority: DE
Inventors: Boris Pradarutti; Dr. Riehemann Stefan; Dr. Notni Gunther
Original assignee: Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU; Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU; Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2007-03-12
Filing date: 2007-03-12
Publication date: 2013-04-18
Anticipated expiration: 2027-03-13
Also published as: DE102007011820A1

Abstract

Terahertz(THz)-Bildgebungsverfahren, wobei eine Probe an mehreren Ortspositionen (x, y) abgetastet wird, indem für jede der Ortspositionen • mindestens ein optischer Puls erzeugt und in einen optischen Anregungspuls und einen zugehörigen optischen Probepuls aufgeteilt wird, • mittels des optischen Anregungspulses ein THz-Puls erzeugt und an dieser Ortsposition durch die Probe gestrahlt wird, und • der durch die Probe gestrahlte THz-Puls mittels des zugehörigen optischen Probepulses vermessen wird, wobei an mindestens zwei der Ortspositionen der THz-Puls mit dem zugehörigen optischen Probepuls unter einer bis auf eine durch den unterschiedlichen optischen Weg durch die Probe an diesen mindestens zwei Ortspositionen verursachte Phasendifferenz konstanten relativen Phasenlage zwischen THz-Puls und optischem Probepuls vermessen wird, wobei die Probe und/oder mindestens zwei der mindestens zwei Ortspositionen so gewählt werden, dass für den durch die Dickenänderung, Brechungsindexänderung und/oder Dichteänderung der Probe zwischen zwei oder zwischen diesen beiden Ortspositionen verursachten optischen Wegunterschied ΔL gilt...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Messverfahren zum schnellen Messen von Materialien (Proben) mit geringem optischen Wegunterschied mittels elektromagnetischer Strahlung in Form von ultrakurzen Pulsen im Terahertz (THz)-Bereich. Das Verfahren kann insbesondere dazu dienen, innerhalb einer Prozesskette Materialproben auf Dichte-, Dicke- und/oder Brechungsindexschwankungen zu untersuchen. Beispielsweise können Polystyrol- oder Polyethylenproben innerhalb der Prozesskette auf Dichteschwankungen und auf ihren Wassergehalt getestet und optimiert werden.
Der Frequenzbereich der Terahertz (THz)-Strahlung umfasst Frequenzen von 0,1 bis 10 THz. In diesem Frequenzbereich existieren hochauflösende Verfahren zur kohärenten Erzeugung und Detektion des elektrischen. Feldes von ultrakurzen Pulsen. Die Detektion der elektrischen Feldstärke der ultrakurzen Pulse erfolgt dabei mit Hilfe von Femtosekundenlasern (Pulsdauer 10 bis 500 fs) kohärent und zeitlich aufgelöst.
Aus dem Stand der Technik ( GB 2 359 716 A ) ist eine Terahertz-Bildgebungsvorrichtung, welche mit einer variablen optischen Verzögerungsstrecke arbeitet, bekannt. Hierbei wird eine phasenabhängige Größe gemessen. Die Auswertung kann beispielsweise mittels elektrooptischer Abtastung durchgeführt werden. Insbesondere sind auch verschiedene Techniken zur Erzeugung des Bildes in dieser Druckschrift beschrieben, darunter auch eine Technik, bei der eine festgelegte Verzögerung des optischen Probestrahls verwendet wird.
Der Stand der Technik kennt darüber hinaus in US 2006/0255277 A1 eine ähnliche Vorrichtung, wobei bei dieser Vorrichtung neben so genannten ”continuous wave lasern” auch gepulste Laser eingesetzt werden können.
Der Stand der Technik bei der THz-Ultrakurzpuls-Technik ist hierbei die Aufnahme eines kompletten Pulses. Dabei tastet ein optischer Probepuls (Wellenlänge zwischen 0,35 und 10 μm) den ultrakurzen THz Puls ab. Die relevante Phasenlage zwischen dem ultrakurzen THz-Puls und dem optischen Puls wird durch eine optische Verzögerungsstrecke variiert. Die nachfolgende Auswertung analysiert die Amplitude (vertikale Pfeile in 5) oder Phase (horizontale Pfeile in 5) im Zeitbereich oder die spektralen (integralen) Amplituden und Phasen. In 5 zeigt die gestrichelte Kurve einen ultrakurzen THz-Puls vor und die gepunktete Linie einen ultrakurzen THz-Puls nach Durchgang durch das Material. Zur Erfassung jeder Kurve wurden 600 zeitliche Messpunkte aufgenommen.
Der Nachteil dieser Methode ist die lange Messzeit. Es muss für jeden aufgenommenen Puls (punktweise Messung) bzw. für jede aufgenommene Pulsreihe (Array Messung) der Zeitbereich durch eine optische Verzögerungsstrecke abgetastet werden. Üblich sind hierbei zwischen 50 und 1000 zeitliche Messpunkte. Durch diese zeitliche Dimension der Messung erhöht sich die Abtastzeit um bis zu zwei Größenordnungen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, ein Messverfahren zur Vermessung von Proben mit ultrakurzen Terahertz-Pulsen zur Verfügung zu stellen, mit welchem auf einfache und schnelle Art und Weise eine Vermessung der Probe stattfinden kann.
Diese Aufgabe wird durch das Terahertz-Bildgebungsverfahren nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Bildgebungsverfahrens finden sich in den abhängigen Ansprüchen. Erfindungsgemäße Verwendungen werden in den Ansprüchen 21 bis 23 beschrieben.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung genauer beschrieben. Einzelne erfindungsgemäße Merkmale können hierbei nicht nur in einer Kombination wie in den beschriebenen, vorteilhaften Ausführungsbeispielen gezeigt auftreten, sondern können im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch in beliebigen anderen Kombinationen ausgebildet sein bzw. verwendet werden.
Die Grundidee der vorliegenden Erfindung basiert darauf, bei dem Messverfahren das Abtasten der zeitlichen Dimension überflüssig zu machen, d. h. die Probe mit einer einzigen festen Phasenbeziehung zwischen Terahertz-Puls und optischem Probepuls zu vermessen. Somit ist für jeden geometrischen Punkt auf der Oberfläche der Probe, nachfolgend auch als Ortsposition (x, y) in der Probenebene bezeichnet, nur noch genau eine Messung bzw. die Aufnahme genau eines Messwertes notwendig, statt der bisher aufgenommenen etwa 50 bis 1000 Messpunkte. Sofern gewünscht, z. B. zur Verbesserung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses, können jedoch statt genau einer Messung auch mehrere Messungen (z. B. 5 oder 10 Einzelmessungen je Ortsposition (x, y)) erfolgen.
Bei dem vorliegenden erfindungsgemäßen Verfahren werden somit mehrere Ortspositionen der Probe zur Erstellung eines Abbildes der Probe so vermessen, dass der Terahertz-Puls mit dem zugehörigen optischen Probepuls unter einer bis auf eine durch den unterschiedlichen optischen Weg durch die Probe an diesen Ortspositionen verursachte Phasendifferenz konstanten relativen Phasenlage zwischen diesen Pulsen vermessen wird (es ergibt sich somit ein festgelegter, über die verschiedenen vermessenen Ortspositionen konstanter Zeitversatz zwischen dem jeweiligen optischen Probepuls und dem mit ihm vermessenen Terahertz-Puls). Der Zeitversatz ist somit konstant bis auf den Unterschied im optischen Weg durch die Probe, welcher durch die Differenz in den Probeeigenschaften (z. B. unterschiedliche Probendicke in Durchstrahlungsrichtung des THz-Pulses) an unterschiedlichen Ortspositionen verursacht wird.
Die konstante relative Phasenlage zwischen den Terahertz-Pulsen und den jeweils zugehörigen optischen Probepulsen kann hierbei wie nachfolgend noch genauer beschrieben, festgelegt bzw. eingestellt werden. Die Einstellung geschieht hierbei unter Berücksichtigung der Tatsache, dass die Probe selbst einen Zeitversatz bzw. eine Phasenverschiebung zwischen THz-Puls und optischem Probepuls erzeugt.
Vorteilhafterweise ist aus diesem Grund das erfindungsgemäße Verfahren bei Proben einzusetzen, welche einen geringen optischen Wegunterschied innerhalb der Probe aufweisen. Ein solcher geringer optischer Wegunterschied ergibt sich durch einen geringen Brechungsindexunterschied innerhalb der Probe, durch geringe Dichteschwankungen innerhalb der Probe und/oder durch geringe Dickeunterschiede innerhalb der Probe in Durchstrahlungsrichtung des Terahertz-Pulses. Gering heißt hierbei, dass die Pulsverschiebung durch die bzw. innerhalb der Probe aufgrund des optischen Wegunterschieds der Terahertz-Pulse in der Probe kleiner ist als die Pulsbreite des Terahertz-Pulses: Es gilt somit ΔL < τ_THz·c wobei ΔL der optische Wegunterschied (also ΔL = Δl·n mit Δl = geometrischer Weglänge und n = Brechungsindex der Probe bei einer homogenen Probe) des Terahertz-Pulses innerhalb der Probe an der entsprechend durchstrahlten Ortsposition (x, y), τ_THz die Pulsbreite des Terahertz-Pulses (Halbwertsbreite) und c die Lichtgeschwindigkeit ist.
Weiterhin ist das erfindungsgemäße Messverfahren (bzw. die Probe) vorteilhafterweise zusätzlich so auszugestalten, dass für das Zeitfenster der Pulsverschiebung bzw. dessen Breite Δt_F mit Δt_F = ΔL / c gilt Δt_F < τ_THz und dass die Lage des Zeitfensters so ist, dass ein jeder Messzeitpunkt (also die relative Phasenlage) an jedem Messort (Ortsposition) und für jede Messung in diesem Zeitfenster liegt. Das Zeitfenster der Pulsverschiebung ist hierbei wie folgt definiert: Wenn die Probe mittels Messungen an unterschiedlichen Ortspositionen (x, y) „durchfahren” wird, wird der THz-Puls aufgrund der Variation der Probeneigenschaften (von Ort zu Ort) zeitlich verschoben. Der Bereich zwischen dem (zeitlichen) Minimum und dem (zeitlichen) Maximum der Verschiebung ist das Zeitfenster. Hierbei unterliegt das Zeitfenster der folgenden Einschränkung: Die zeitliche Verschiebung lässt sich, vom THz-Puls aus gesehen, auch so sehen, dass sich der Messzeitpunkt (relativ gesehen) verschiebt. Diese Verschiebung muss dann innerhalb eines Zeitfensters liegen, in dem der THz-Puls eine von Null verschiedene elektrische Feldstärke aufweist.
Die vorliegende Erfindung stellt somit ein kohärentes Messverfahren für die Terahertz-Bildgebung zur Verfügung, mit welchem eine Probe zeilenweise (z. B. entlang der x-Koordinate der Ortsposition unter Konstanthalten der y-Koordinate der Ortsposition, wobei x und y Koordinaten eines kartesischen Koordinatensystems sind mit der z-Koordinate in Durchstrahlungsrichtung des Terahertz-Pulses durch die Probe) oder flächig (Variation der x-Koordinate und der y-Koordinate der Ortsposition) mit ultrakurzen Pulsen und ohne Verwendung von Verzögerungsstrecken zur Erzeugung von Zeitversätzen zwischen den ultrakurzen Terahertz-Pulsen und den zugehörigen Probepulsen abgetastet werden kann. Es ist somit mit der vorliegenden Erfindung nicht notwendig, Verzögerungsstrecken im Pumpstrahlweg oder im Probestrahlweg einzusetzen. Kohärent heilt in diesem Fall, dass nicht die Intensität, sondern direkt das elektrische Feld des Pulses in Amplitude und/oder Phase zeitaufgelöst gemessen wird. Typische Pulsdauern des THz-Pulses sind hierbei 0.1 bis 10 ps. Hierbei wird der Zeitversatz zwischen ultrakurzen Terahertz-Pulsen und zugehörigen Probepulsen durch die zu vermessende Probe selbst erreicht (Durchstrahlung der Probe). Aus diesem Grund ist wie beschrieben vorteilhafterweise die Probe so aufgebaut bzw. wird an solchen Ortspositionen abgetastet, dass die zu untersuchende Pulsverschiebung aufgrund des optischen Wegunterschieds der Terahertz-Pulse durch die Probe kleiner als die Pulsbreite der Terahertz-Pulse ist.
Anders als im Stand der Technik wird bei der vorliegenden Erfindung nun nicht mehr der komplette ultrakurze Terahertz-Puls mittels eines optischen Probepulses an einer Vielzahl von Messpositionen abgetastet, sondern es wird wie nachfolgend noch näher beschrieben, lediglich genau ein Messpunkt der elektrischen Feldstärke pro Terahertz-Puls kohärent aufgenommen. Beispielsweise um ein verbessertes Signal-zu-Rauschverhältnis zu erzielen, kann jedoch auch statt genau eines Messpunktes die Aufnahme von einigen wenigen Messpunkten der elektrischen Feldstärke pro Terahertz-Puls erfolgen (beispielsweise 5 oder 10 Messpunkte pro Puls).
Vorteilhafterweise werden hierbei Probepulse mit einer Mittenwellenlänge im Bereich von 0,35 bis 10 μm verwendet (z. B. 800 nm oder 1060 nm). Zur Mittenwellenlänge: Ultrakurze Laserpulse bestehen nicht nur aus einer einzigen Wellenlänge, sondern aus einer Überlagerung von verschiedenen Wellenlängen. Eine solche Überlagerung (Verteilung) ist in der Regel umso breiter, je kürzer die Pulse sind. Solche Pulse werden daher durch das Maximum der Verteilung (Mittenwellenlänge) und die Breite der Verteilung (Full width half maximum FWHM bzw. volle Halbwertsbreite) charakterisisiert. Da die Breite des Spektrums anti-proportional zur Pulslänge ist, reicht eine von beiden Angaben.
Der ultrakurze Terahertz-Puls enthält hierbei vorteilhafterweise einen oder mehrere Frequenzbereiche aus dem Bereich zwischen 0,01 bis 100 THz (im nachfolgenden Ausführungsbeispiel wurden 0,01 bis 2,5 THz eingesetzt). Der durch die Probe selbst erzeugte Zeitversatz zwischen Terahertz-Puls und Probepuls wird entweder durch einen ortsabhängigen Brechungsindexunterschied, einen ortsabhängigen Dichteunterschied oder einen ortsabhängigen Dickeunterschied innerhalb der Probe oder durch eine Kombination dieser Faktoren erzeugt.
Gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Messverfahren weist das erfindungsgemäße Verfahren die folgenden Vorteile auf:

• Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist eine schnelle Messung von Probematerialien mit Hilfe von ultrakurzen Terahertz-Pulsen von elektromagnetischer Strahlung möglich. Für die Anwendung in der Sicherheitstechnik und im Qualitätsmanagement ist die Dauer einer Messung ein ganz entscheidender Faktor. Durch die Beschleunigung einer Messung durch die vorliegende Erfindung um bis zu zwei Größenordnungen werden neue Anwendungen und Geschäftsfelder praktikabel und können kommerziell erschlossen werden.
• Durch die wegfallende Abtastung der Zeitdimension kann somit die Messung um bis zu zwei Größenordnungen beschleunigt werden.
• Da wie nachfolgend noch näher beschrieben eine kleine Änderung des optischen Weges (beispielsweise durch eine lokal geringfügig variierende Probendicke) auf eine große Amplitudenänderung abgebildet wird, können auch sehr kleine Änderungen im optischen Weg des Terahertz-Pulses durch die Probe mit einem hohen Signal zu Rauschverhältnis aufgelöst werden. Somit wird nicht nur eine schnelle Messung, sondern gleichzeitig auch eine sehr hohe Qualität der Messung ermöglicht.
• Zudem lassen sich gegenüber den bekannten Verfahren Komponenten einsparen (eine Verzögerungsstrecke ist nicht mehr notwendig).

Nachfolgend wird die nachfolgende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen
1 eine erste beispielhafte Messvorrichtung, die gemäß dem erfindungsgemäßen Messverfahren ausgebildet ist.
2 eine zweite beispielhafte Messvorrichtung, welche gemäß dem erfindungsgemäßen Messverfahren ausgebildet ist.
3 eine Messung an Beispielpulsen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.
4 ein Amplitudenbild, welches sich durch Abtastung eines Polystyrolkörpers an einer Vielzahl von Ortspositionen x, y mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ergibt.
5 die Erfassung eines Terahertz-Pulses gemäß dem Stand der Technik.
1 zeigt einen erfindungsgemäßen Messaufbau im Detail. Mit Hilfe eines Ultrakurzpulslasers 1 wird ein optischer Puls erzeugt. Dieser wird durch den Strahlteiler 2 in einen optischen Probepuls OP und in einen optischen Anregungspuls OA aufgeteilt. Der Strahlweg für den optischen Probepuls OP wird nachfolgend auch als Probestrahlweg, der Strahlweg für den optischen Anregungspuls OA und den daraus generierten (siehe nachfolgend) Terahertz-Puls wird auch als Pumpstrahlweg bezeichnet. Der optische Anregungspuls wird durch Spiegel 3b, 3c und 3d auf einen Terahertz-Emitter bzw. Terahertz-Generator 4 gelenkt. Ein solcher Terahertz-Emitter ist aus dem Stand der Technik bereits bekannt und wird daher hier nicht mehr beschrieben. Durch den optischen Anregungspuls wird im Emitter 4 ein Terahertz-Puls erzeugt, welcher durch einen ersten Parabolspiegel 5a und eine Fokussieroptik 6a auf eine Materialprobe P gelenkt wird. Der Terahertz-Puls wird durch die Materialprobe P transmittiert und erfährt hierbei, je nach Ortsposition (x, y), an welcher die Probe P gerade durchstrahlt wird, einen entsprechenden optischen Wegunterschied, welcher durch den lokalen Brechungsindex, die lokale Dichte und die lokale Dicke der Probe an der Ortsposition (x, y) bestimmt wird. Der mit dem optischen Wegunterschied beaufschlagte Terahertz-Puls wird nach der Probe P dann durch die Sammeloptik 6b und einen zweiten Parabolspiegel 5b auf eine Einkoppelvorrichtung 7, welche aus einem Spiegel und einem halbdurchlässigen Spiegel besteht, gelenkt. Die Einkoppelvorrichtung 7 bewirkt, insbesondere mit dem halbdurchlässigen Spiegel, die Einkopplung des Terahertz-Pulses in den Probestrahlweg, in welchem mittels eines Spiegels 3a der vom Strahlteiler 2 transmittierte optische Probenpuls auf die ITO-beschichtete Glasplatte (welche transparent für optische Wellenlängen und reflektiv für THz-Strahlung ist) der Einkoppelvorrichtung 7 gelenkt wird. Die Überlagerung aus Terahertz-Puls und zugehörigem optischen Probepuls wird dann der Detektionsvorrichtung 8 zugeführt. Diese weist hier einen eo-Kristall 8a, im Strahlengang diesem nachfolgend eine λ/4-Platte 8b sowie nachfolgend ein Wollaston-Prisma 8c auf. Bei dem Detektor 8 handelt es sich, wie die Skizze zeigt, um einen balancierten Detektor, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist und dessen Funktionsweise hier daher nur kurz beschrieben wird: Bei diesem Aufbau (electro-optical sampling-Aufbau EOS) werden beide Pulse (Terahertz-Puls wie optischer Probepuls) gleichzeitig und colinear durch einen elektrooptischen Kristall eo-Kristall geschickt. Der elektrooptische Effekt erster Ordnung dreht die Polarisation des Probepulses proportional zur elektrischen Feldstärke des Terahertz-Pulses. Eine λ/4-Platte, ein Wollaston-Prisma und ein balancierter Detektor messen diese Polarisationsdrehung. Auf diese Art und Weise tastet ein Femtosekunden-Laserpuls (optischer Probepuls) mit einer Länge von etwa 5 bis 200 Femtosekunden einen Terahertz-Puls mit einer Länge von etwa 0,2 bis 2 Picosekunden ab. Das gemessene Signal gibt hierbei nur den Moment wieder, an dem der Femtosekundenpuls auftrifft, also einen kurzen zeitlichen Ausschnitt des Terahertz-Pulses (dies gilt hier ebenso wie bei dem nachstehend noch näher beschriebenen Ausführungsbeispiel zu 2). Im Gegensatz zum Stand der Technik, wo um den kompletten Terahertz-Puls zu messen eine Verzögerungseinheit eingesetzt werden muss und die relative Phase zwischen den beiden Pulsen mit dieser verändert wird (Sampling des Pulses) wird hier nun wie bereits vorbeschrieben lediglich ein einziger Messwert je Ortsposition bestimmt. Der Detektor 8 ist mit einer Rechnervorrichtung 9 (PC) verbunden, mit welcher die für die einzelnen Ortspositionen aufgenommenen Messwerte (Amplitudenwerte, siehe nachfolgend) verarbeitet und als Bild des Objekts dargestellt werden können.
Erfindungsgemäß wird nun die relative Phasenlage (Offset) zwischen dem Terahertz-Puls und dem zugehörigen optischen Probenpuls auf eine feste Phasenbeziehung (bis auf eine durch den unterschiedlichen optischen Weg durch die Probe an unterschiedlichen Ortspositionen verursachte Phasendifferenz) eingestellt. Bei der vorliegenden Erfindung ist es somit nicht wie beim Stand der Technik notwendig, dass die einzelnen Terahertz-Pulse von den optischen Probenpulsen bei unterschiedlichen Phasenlagen (durch Verwendung einer Verzögerungsstrecke) abgetastet werden zur Ermittlung der Pulsform des Terahertz-Pulses: Bei der vorliegenden Erfindung reicht es, den Terahertz-Puls mittels des optischen Probepulses bei genau einer zeitlichen Messposition zu vermessen (Bestimmung der Amplitude des Terahertz-Pulses an dieser zeitlichen Messposition). Mit Hilfe der bis auf die besagte Phasendifferenz fest eingestellten relativen Phasenlage zwischen Terahertz-Puls und optischem Probepuls wird die Probe P flächig abgetastet, d. h. es werden für verschiedene Ortspositionen (x, y) jeweils einzelne Amplitudenwerte des Terahertz-Pulses an der festgelegten zeitlichen Abtastposition bestimmt.
Bei der vorliegenden Erfindung kann die Festlegung bzw. Einstellung der relativen Phasenlage zwischen Terahertz-Puls und optischem Probepuls wie folgt geschehen:
Die Probe wird wie vorbeschrieben so gewählt, dass die Pulsverschiebung (aufgrund des optischen Wegunterschieds der THz-Pulse in der Probe) durch sie kleiner ist als die THz-Pulsbreite: ΔL < τ_THz·c. Zudem wird das Zeitfenster der Pulsverschiebung wie vorbeschrieben so eingestellt, dass für seine Breite Δt_F gilt: ΔL / c = Δt_F < τ_THz. Die Lage des Zeitfensters (bestimmt durch den konstanten Zeitversatz zwischen den THz-Pulsen und den jeweils zugehörigen optischen Probepulsen) wird so eingestellt, dass die Messzeitpunkte (relative Phasenlage) für jede vermessene Ortsposition innerhalb des Zeitfensters liegen.
Bei angenommener einfacher Pulsform der THz-Pulse wie sie in 3 gezeigt ist, kann die vorbeschriebene Einstellung beispielsweise wie folgt erfolgen:
Es kann eine Ortsposition (x_m, y_m) mittlerer Phasenverschiebung auf der Probe P ausgewählt werden. Eine solche mittlere Phasenverschiebung kann sich beispielsweise dort auf einer Probe konstanter Dichte und konstanten Brechungsindexes ergeben, wo die Probendicke der Probe einen mittleren Wert (arithmetisches Mittel) zwischen der minimalen und der maximalen Probendicke annimmt. An dieser Stelle wird nun die relative Pulsphasenverzögerung bzw. der durch die Probe verursachte optische Wegunterschied bestimmt und als konstanter Zeitversatz gesetzt (Erstjustage mit einer Verzögerungsstrecke). Alternativ dazu kann jedoch eine Einstellung ohne Verzögerungsstrecke erfolgen, indem bei bekannter Probe der Aufbau so gestaltet wird, dass die beiden Pulse (optischer Probepuls und THz-Puls) passend liegen.
Passend liegen bedeutet, dass für beide Pulse die optische Weglänge (vom Strahlteiler bis zum Detektor) genau gleich ist (zusätzlich ist der Aufbau so gestaltet, dass hier die vorbeschriebenen Bedingungen ΔL < τ_THz·c und Δt_F < τ_THz erfüllt sind). Da die beiden Pulse exakt gleichzeitig bzw. gemeinsam auftreffen müssen, muss der optische Weg in beiden Zweigen des Systems exakt gleich sein. Die in den Strahl gestellte Probe P verändert jedoch den optischen Weg in einem Zweig, so dass der optische Weg in einem Zweig verkürzt oder in dem anderen Zweig verlängert werden muss. Wie beschrieben kann dies entweder über eine Justagemöglichkeit für die optische Weglänge in einem der Zweige geschehen, eine solche Justagemöglichkeit kann beispielsweise eine Verzögerungsstrecke sein (manuell oder elektronisch) oder auch ein verschiebbarer Spiegel. Wann immer jedoch dieselben oder ähnlich aufgebaute Proben untersucht werden sollen (beispielsweise im Bereich des Qualitätsmanagements), kann das System vereinfacht jedoch auch so aufgebaut werden, dass die Probe selbst bei der Berechnung des optischen Weges berücksichtigt wird (bekannte Probeneigenschaften).
Alternativ hierzu ist es auch ebenso möglich, eine Ortsposition (x_min, y_min) auf der Probe auszuwählen, bei welcher die Phasenverschiebung durch die Probe minimal ist (beispielsweise dünnste Probestelle bei einer Probe konstanter Dichte und konstanten Brechungsindexes). Ebenso ist es möglich, eine Stelle mit maximaler Phasenverschiebung (bzw. dickste Probestelle (x_max, y_max)) bei konstanter Dichte und konstantem Brechungsindex auszuwählen.
Die konstante relative Phasenlage zwischen Terahertz-Puls und optischem Probepuls bzw. der festgelegte, konstante Zeitversatz zwischen diesen Pulsen wird dann (bei Annahme einer einfachen Pulsform wie in 3) bei Auswahl einer Stelle mittlerer Phasenverschiebung bzw. mittlerer Probendicke so eingestellt, dass die zeitliche Abtastposition mit der maximalen Steigung zwischen dem Hauptmaximum THz-Pulses und dem ersten Minimum nach diesem Hauptmaximum übereinstimmt (siehe 3, gepunktete Linie des Beispielpulses P1). Wird alternativ hierzu eine Einstellung gemäß der dicksten Probenstelle gewählt, so wird die zeitliche Abtastposition so festgelegt, dass sie dem Minimum nach dem Hauptmaximum des Terahertz-Pulses entspricht (durchgezogene Linie des Beispielpulses P3 in 3). Bei einer entsprechenden Wahl gemäß der dünnsten Probestelle wird die zeitliche Abtastposition bzw. der konstante Zeitversatz so gewählt, dass sie bzw. er der Lage des Hauptmaximums des Terahertz-Pulses entspricht (gestrichelte Linie des Beispielpulses P2 in 3).
Die Probe P wird somit, wie bereits vorbeschrieben, bei konstanter optischer Verzögerung vermessen, indem an jeder Ortsposition (x, y) genau ein Messwert aufgenommen wird. Dieser Messwert wird so aufgenommen, dass bei der der Verzögerung entsprechenden zeitlichen Abtastposition die Amplitude des dem optischen Wegunterschied am Ort (x, y) unterworfenen Terahertz-Pulses bestimmt wird. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird bei dieser Anordnung somit keinerlei optische Verzögerungsstrecke für die eigentliche Messung benötigt, da die Probe P selbst als solche Verzögerungsstrecke zur Erzeugung eines optischen Wegunterschieds verwendet wird. Die Abtastung der einzelnen Messwerte bzw. die Bestimmung der Amplitudenwerte geschieht hierbei wie beim Stand der Technik und wird daher nicht näher beschrieben.
Wird nun die feste Phasenbeziehung (bzw. die konstante relative Phasenlage zwischen Terahertz-Puls und optischem Probepuls) wie vorbeschrieben eingestellt, so bewirkt eine Phasenverschiebung auf einem anderen Weg durch die Probe eine Änderung der Amplitude, wobei eine kleine Phasenänderung auf eine große Amplitudenänderung abgebildet und gemessen wird: Kommt beispielsweise an einer ersten Ortsposition (x₁, y₁) die zeitliche Abtastposition (aufgrund einer mittleren Probendicke) genau auf der steilsten Stelle der Flanke des Pulses (im Wendepunkt zwischen Hauptmaximum und nachfolgendem Minimum) zum Liegen, und ergibt sich in einer benachbarten Ortsposition (x₂, y₂) eine hiervon leicht abweichende Probendicke, so wird die entsprechende geringfügige Abweichung im optischen Wegunterschied aufgrund der großen Steigung an der Flanke in einen deutlich vom Amplitudenwert an der Ortsposition (x₁, y₁) abweichenden Amplitudenwert umgesetzt. Auf diese Art und Weise können kleine Unterschiede im optischen Weg mit großem Signal-zu-Rausch-Verhältnis gemessen werden.
3 zeigt hierzu eine typische Pulsauswertung bei der Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens: Die Figur zeigt verschiedene Pulse nach dem Durchgang auf verschiedenen optischen Wegen durch die Probe (verschiedene Ortspositionen (x, y) der Probe), wobei der optische Wegunterschied wie vorbeschrieben kleiner als die Pulsbreite (Halbwertsbreite) der Terahertz-Pulse ist. Es wird nicht mehr der komplette Puls aufgenommen, sondern es wird erfindungsgemäß pro Ortsposition (x, y) ein Messpunkt zu einer festen Zeitverzögerung des optischen Probepulses (vertikale Linie) aufgenommen. 5 zeigt hierzu noch einmal den Stand der Technik: Der optische Wegunterschied ist in 5 größer als die Pulsbreite (Halbwertsbreite des Terahertz-Pulses). Es wird der komplette Puls aufgenommen (einige hundert Messwerte) und im Zeitbereich werden die Amplitude und die Phase ausgewertet.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren (3) wird im Gegensatz dazu die relative Phasenlage und somit die zeitliche Abtastposition (Messpunkt) auf einen festen Wert eingestellt (vertikale Linie in 3), so dass an der dicksten Stelle der Probe (bzw. derjenigen Stelle, welche die maximale Phasenverschiebung verursacht) der Messpunkt sich am Minimum befindet (volle Linie bzw. P3-Beispielpuls in 3). An der dünnsten Stelle der Probe P befindet sich der Messpunkt am Maximum (gestrichelte Linie, Beispielpuls P2 in 3). Die durch Stellen der Probe, welche in ihrer Dicke dazwischenliegen, verursachte relative Pulsphasenverzögerung bewirkt eine Amplitudenänderung am Messpunkt (wie es beispielsweise an einer der mittleren Probendicke entsprechenden gepunkteten Linie, Beispielpuls P1, oder an der gepunktetgestrichelten Linie einer etwas dickeren Probenstelle gezeigt ist). So wird erfindungsgemäß eine kleine Phasenänderung auf eine große Amplitudenänderung abgebildet und gemessen. Das Hauptmaximum ist hierbei als der maximale Amplitudenausschlag des Terahertz-Pulses definiert. Die relative Phasenlage zwischen Terahertz-Puls und optischem Probepuls wird somit so gewählt, dass für mittlere Phasenverschiebungen der Messzeitpunkt auf einer steilen Flanke (Wendepunkt) des Pulses liegt, damit eine kleine Verschiebung des Terahertz-Pulses, aufgrund eines kleinen Unterschieds im optischen Weg durch die Probe eine große Amplitudenänderung auf dem zeitfesten Messpunkt bewirkt. Eine solche Einstellung ist während der gesamten Messung beizubehalten. Dies führt zu zwei Randbedingungen:

1) Die Pulsverschiebung aufgrund der Probe sollte in jedem Probenmesspunkt kleiner sein als die Pulsbreite (Halbwertsbreite).
2) Das Zeitfenster, in dem (aufgrund der lokal variierenden Probeeigenschaften) die relative Phasenlage bzw. der Messzeitpunkt variiert, sollte mit dem Puls (bzw. der Pulsbreite) übereinstimmen bzw. eine Untermenge davon sein (ansonsten wird kein Signal und somit keine Aussage gewonnen).

4 zeigt ein Beispiel, bei dem ein Polystyrol-Körper mit dem erfindungsgemäßen Terahertz-Bildgebungsverfahren in der Ortspositionsebene (x, y) vermessen wurde.
2 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Messvorrichtung. Identische bzw. sich entsprechende Elemente dieser Vorrichtung sind mit denselben Bezugszeichen wie in der 1 beschrieben und werden hier nicht mehr näher erläutert. Im Gegensatz zum in 1 gezeigten Fall handelt es sich hierbei um die aus dem Stand der Technik bekannte sog. Methode der photoleitenden Schalter (auch Terahertz-Antenne genannt). Hierbei wird eine Elektrodenstruktur (zwei parallele Linien) auf einen speziellen Halbleiter (Element 8) aufgebracht. Wenn nun ein Terahertz-Puls von hinten (Strahlgang OA) auf den Halbleiter 8 fokussiert wird, liegt eine Spannung zwischen den Elektroden an. Aufgrund des Halbleitermaterials kann kein Strom fließen. Wird nun gleichzeitig ein Femtosekunden-Puls als optischer Probepuls von der anderen Seite (Strahlengang OP) zwischen die Elektroden fokussiert, werden Ladungsträger in das Leitungsband angeregt. Wenn nun gleichzeitig ein Terahertz-Puls eine Spannung an den Elektroden induziert, so fließt ein kleiner Strom (proportional zur elektrischen Feldstärke). Dies wird hier zur Messung ausgenutzt.

Claims

Terahertz(THz)-Bildgebungsverfahren, wobei eine Probe an mehreren Ortspositionen (x, y) abgetastet wird, indem für jede der Ortspositionen • mindestens ein optischer Puls erzeugt und in einen optischen Anregungspuls und einen zugehörigen optischen Probepuls aufgeteilt wird, • mittels des optischen Anregungspulses ein THz-Puls erzeugt und an dieser Ortsposition durch die Probe gestrahlt wird, und • der durch die Probe gestrahlte THz-Puls mittels des zugehörigen optischen Probepulses vermessen wird, wobei an mindestens zwei der Ortspositionen der THz-Puls mit dem zugehörigen optischen Probepuls unter einer bis auf eine durch den unterschiedlichen optischen Weg durch die Probe an diesen mindestens zwei Ortspositionen verursachte Phasendifferenz konstanten relativen Phasenlage zwischen THz-Puls und optischem Probepuls vermessen wird, wobei die Probe und/oder mindestens zwei der mindestens zwei Ortspositionen so gewählt werden, dass für den durch die Dickenänderung, Brechungsindexänderung und/oder Dichteänderung der Probe zwischen zwei oder zwischen diesen beiden Ortspositionen verursachten optischen Wegunterschied ΔL gilt ΔL < τ_Thz·c mit c als der Lichtgeschwindigkeit und mit τ_Thz als der Pulsbreite oder der Halbwertsbreite des THz-Pulses und/oder wobei die Probe und/oder mindestens zwei der mindestens zwei Ortspositionen so gewählt werden, dass für die Breite Δt_F des Zeitfensters der Pulsverschiebung durch die Probe oder durch diese beiden Ortspositionen gilt ΔL / c = Δt_F < τ_THz und wobei sowohl im Strahlweg des optischen Probepulses als auch im Strahlweg des optischen Anregungspulses und des THz-Pulses keine Verzögerungsstrecke zur Erzeugung eines Zeitversatzes zwischen Probepuls und THz-Puls eingesetzt wird.
Bildgebungsverfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die konstante relative Phasenlage eingestellt wird, indem die durch die Transmission eines THz-Pulses an einer vordefinierten Ortsposition durch die Probe an diesem THz-Puls bewirkte relative Pulsphasenverzögerung bestimmt wird und als festgelegter Zeitversatz gewählt wird oder indem auf Basis von Eigenschaften der Probe ein vorbestimmter Wert abgeleitet wird und die konstante relative Phasenlage auf diesen Wert eingestellt wird.
Bildgebungsverfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenschaften der Probe die Brechungsindexverteilung, die Dichteverteilung und/oder die Dickenverteilung innerhalb der Probe ist/sind.
Bildgebungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens zwei der mindestens zwei Ortspositionen jeweils genau ein Messwert pro THz-Puls aufgenommen wird oder dass an mindestens zwei der mindestens zwei Ortspositionen jeweils n Messwerte pro THz-Puls aufgenommen werden, wobei n ≤ 20 ist.
Bildgebungsverfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass n ≤ 10 ist.
Bildgebungsverfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass n ≤ 5 ist.
Bildgebungsverfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass n ≤ 3 ist.
Bildgebungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche bei Rückbezug auf Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der konstante Zeitversatz so festgelegt wird, • dass er der Phasenverschiebung des Hauptmaximums eines im Bereich der die geringste Phasenverschiebung verursachenden Ortsposition durch die Probe gestrahlten THz-Pulses entspricht, • dass er der Phasenverschiebung des Minimums nach dem Hauptmaximum eines im Bereich der die höchste Phasenverschiebung verursachenden Ortsposition durch die Probe gestrahlten THz-Pulses entspricht, oder • dass er der Phasenverschiebung des Wendepunktes zwischen Hauptmaximum und Minimum eines im Bereich der das arithmetische Mittel aus höchster und geringster Phasenverschiebung verursachenden Ortsposition durch die Probe gestrahlten THz-Pulses entspricht.
Bildgebungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche bei Rückbezug auf Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens zwei der mindestens zwei Ortspositionen der Amplitudenwert des THz-Pulses bei dem bis auf die durch den unterschiedlichen optischen Weg durch die Probe an diesen beiden Ortspositionen verursachte Phasendifferenz festgelegten, konstanten Zeitversatz bestimmt wird.
Bildgebungsverfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass aus zwei an unterschiedlichen Ortspositionen bestimmten, unterschiedlichen Amplitudenwerten eine Dickenänderung, eine Brechungsindexänderung und/oder eine Dichteänderung der Probe zwischen den beiden unterschiedlichen Ortspositionen bestimmt wird.
Bildgebungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Probepulse eine Mittenwellenlänge im Bereich von 0,05 μm bis 100 μm besitzt.
Bildgebungsverfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelwellenlänge im Bereich von 0,35 μm bis 10 μm liegt.
Bildgebungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der THz-Pulse Frequenzen aus dem Bereich zwischen 0,002 bis 1000 THz aufweist.
Bildgebungsverfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der THz-Pulse Frequenzen aus dem Bereich zwischen 0,005 bis 100 THz aufweist.
Bildgebungsverfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der THz-Pulse Frequenzen aus dem Bereich zwischen 0,01 bis 2,5 THz aufweist.
Bildgebungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der THz-Pulse ein ultrakurzer THz-Puls mit einer Pulsbreite (Halbwertsbreite) im Bereich von 0,01 ps bis 100 ps ist.
Bildgebungsverfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsbreite im Bereich von 0,1 ps bis 10 ps liegt.
Bildgebungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an allen Ortspositionen der THz-Puls mit dem zugehörigen optischen Probepuls unter konstanter relativer Phasenlage zwischen THz-Puls und optischem Probepuls vermessen wird.
Bildgebungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Ortspositionen abgetastet werden, indem die Probe in der Ortspositionsebene (x, y) verschoben wird.
Bildgebungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine zeilenweise Abtastung der Probe durch Variation der x-Koordinate der Ortsposition bei Konstanthalten der y-Koordinate oder durch eine flächige Abtastung der Probe durch Variation der x-Koordinate und der y-Koordinate der Ortsposition.
Verwendung eines Terahertz(THz)-Bildgebungsverfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Materialcharakterisierung einer Probe.
Verwendung nach dem vorhergehenden Anspruch zur Charakterisierung der Ortsabhängigkeit des Brechungsindexverlaufes, des Dichteverlaufes, des Dickenverlaufs und/oder des Wassergehaltes bei der Probe.
Verwendung nach Anspruch 21 oder nach Anspruch 22 im Bereich der Sicherheitstechnik, bei der Personen- oder Gepäckkontrolle oder im Bereich des Qualitätsmanagements.