專利名稱：用于控制太赫電磁載波的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一 種用于影響，尤其是用于偏轉(zhuǎn)和/或聚焦頻率范圍在0. 1太赫 (terahertz)與10太赫之間的電磁輻射的方法。本發(fā)明還涉及一種用于實(shí)現(xiàn)該方法的系 統(tǒng)。
背景技術(shù)：
自從大約100年前開始采用首批用于無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)的時(shí)候以來，可供用于 傳輸?shù)膸捯恢背掷m(xù)增長。為了能夠滿足持續(xù)增長的需求，將來還要將太赫范圍內(nèi)的波用 作具有特別高的載波頻率的載波以用這些波來達(dá)成lOGb/s和更高范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸。此類太赫波可藉由超快電子電路或藉由光學(xué)方法來生成。然而，因?yàn)殡娮臃椒ㄓ?于自由電子和空穴的壽命而在速度上受到限制，所以這些方法在高于IOOGHz的頻率即便 能工作也只能低效率地工作。與之對比，用于生成太赫波的現(xiàn)有技術(shù)光學(xué)方法大多數(shù)采用 更高的頻率，這些更高的頻率隨后通過混頻來降頻。因此，與此同時(shí)，通過紅外線、可見光或 紫外線光譜范圍內(nèi)的兩個(gè)光波的差頻生成來高效率地生成太赫波的方法漸已為人所知。然而，目前，要控制太赫波的傳播仍是相對困難的?？刂扑璧溺R子和透鏡是高度 復(fù)雜的，并且如果要使這些鏡子和透鏡成為可電子地控制的，那么它們只有以相應(yīng)較高的 成本才能生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于創(chuàng)建一種能夠以簡單且經(jīng)濟(jì)的方式來控制太赫波的傳播 的方法。本發(fā)明的另一目的在于創(chuàng)建一種用于實(shí)現(xiàn)該方法的系統(tǒng)。這些目的是由具有權(quán)利要求1的特征化特性的方法以及根據(jù)權(quán)利要求7的系統(tǒng)來 達(dá)成的。在適用的從屬權(quán)利要求中陳述本發(fā)明的有利的實(shí)施例。原則上，本發(fā)明本質(zhì)上的基本思想在于將數(shù)字全息術(shù)的概念擴(kuò)展到太赫范圍。為 此目的，使用平面調(diào)制器，該平面調(diào)制器至少在其表面上具有多個(gè)個(gè)體的有源平面元件的 布局。此類布局應(yīng)當(dāng)至少具有10 X 10個(gè)平面元件的矩陣，并且尤其具有甚至超過100 X 100 個(gè)平面元件。在本上下文中，“有源”意味著可以用這些平面元件來有意地影響頻率范圍在 0. 1太赫與10太赫之間的電磁輻射，其中該影響主要基于彎曲效應(yīng)，S卩，太赫波的振幅和/ 或相位上的局部變化?？蓚€(gè)體調(diào)整的平面元件的矩陣本質(zhì)上形成全息圖，利用該全息圖可以藉由通過彎 曲入射波進(jìn)行的振幅和/或相位調(diào)制來產(chǎn)生任何合意的波前。由于發(fā)生彎曲處的振幅或相 位圖案(即，全息圖)不是照相地生成的，而是借助受電子地控制的過程生成的，因而本發(fā) 明的規(guī)程對應(yīng)于“數(shù)字全息術(shù)”，與照相全息術(shù)形成對比，利用該數(shù)字全息術(shù)可以產(chǎn)生可變 化的全息圖。為了能夠達(dá)成合意的彎曲效應(yīng)，這些平面元件必須具有對應(yīng)于輻射的波長的大 小。具體而言，這些平面元件應(yīng)當(dāng)小于要被影響的太赫波的波長的約四分之一。從此要求可得出，這些平面元件應(yīng)當(dāng)具有在約5μπι與ΙΟΟμπι之間的數(shù)量級的直徑。優(yōu)選的數(shù)量級 為約ΙΟμπι。另外，本發(fā)明本質(zhì)的概念在于，個(gè)體的平面元件在其通過藉由恰適的控制單元 進(jìn)行的個(gè)體控制來影響輻射的特性的意義上可以被改動(dòng)。藉由此控制，這些平面元件應(yīng)當(dāng) 可被調(diào)到至少兩個(gè)狀態(tài)、或者甚至完整范圍的不同狀態(tài)中的至少一個(gè)狀態(tài)。在此設(shè)計(jì)中，使 此控制為電子控制是有利的。 可以按兩種根本上不同的方式來造成彎曲效應(yīng)一方面，輻射可以穿過調(diào)制器的 這些平面元件(“透射幾何態(tài)”)。那么，尤其可以由折射率和/或透明度的變化來導(dǎo)致這 些平面元件的狀態(tài)?？梢砸蜃冇谠谡{(diào)制器上產(chǎn)生的平面元件圖案來產(chǎn)生具有不同的平面和 空間廣度和方向的彎曲最大值。另一方面，輻射可以在調(diào)制器的個(gè)體平面元件處被反射(“反射幾何態(tài)”)。還可 以用這種布局來對入射波進(jìn)行相位和/或振幅調(diào)制。對于相位調(diào)制，可以向前或向后移動(dòng) 局部鏡子的位置，以使得例如光路發(fā)生變化。對于振幅調(diào)制，還可以簡單地將這些鏡子折疊 起來。當(dāng)鏡子被“向后”位移時(shí)，則此微觀的高度調(diào)制延長了從入射波到反射波的路徑。 以此方式來改變波的相位。取決于在全息圖上的位置，入射波遇到不同的“深度”(路徑長 度)。這會(huì)導(dǎo)致相位調(diào)制，并且由此導(dǎo)致彎曲，并且最終導(dǎo)致全息圖像的生成。太赫波的傳播形狀和方向可以方便地用本發(fā)明的調(diào)制類型來控制。這開辟了太赫 波的各種新應(yīng)用，尤其是在具有大于lGb/s的傳輸帶寬的無線短程電信中或者還在掃描物 體以進(jìn)行質(zhì)量控制和安全篩查中的應(yīng)用。本發(fā)明的另一本質(zhì)概念在于該方法的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。在此方面，根據(jù)本發(fā)明，用于其他 應(yīng)用的組件，尤其是常規(guī)顯示器本身被用作光調(diào)制器。特別有利地，可以使用像素液晶調(diào)制 器和矩陣微鏡陣列(“鏡陣列”，所謂的“MEMS”，即微機(jī)電系統(tǒng))。最后，金屬不僅在反射可 見光方面，而且在反射此處所討論的太赫波方面也是特別有效的。使用那些并非使用將完 全吸收太赫波的大面積電極而是以小導(dǎo)線來控制個(gè)體平面元件的顯示器也是可能的。這些光調(diào)制器特別適合用于頻率范圍在0. 1太赫與10太赫之間的數(shù)字全息術(shù)，因 為它們具有典型的10 μ mX 10 μ m像素大小并且由此使波長在30 μ m與3000 μ m之間的輻 射產(chǎn)生彎曲。穿過具有此類特性的顯示器的或者由此類顯示器反射的太赫波受到彎曲。由 于該顯示器上的彎曲結(jié)構(gòu)可以通過個(gè)體地驅(qū)動(dòng)這些像素來調(diào)整，因而該輻射可以在任何合 意的角度范圍被偏轉(zhuǎn)或聚焦。以有利的方式，包括發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的系統(tǒng)裝備有能夠用來確定所輻射的太赫波 的最優(yōu)方向或者入射的太赫波的最優(yōu)偏轉(zhuǎn)的裝置。此類裝置可以例如通過簡單的無線電通 信來彼此傳達(dá)和通知其各自的相對位置。另外，可以使用傳感器來測量其顯示器被用作調(diào)制器的移動(dòng)設(shè)備的取向。當(dāng)無論 在發(fā)射或接收時(shí)知道如何最優(yōu)地使太赫光成形時(shí)，可以通過訪問包含標(biāo)準(zhǔn)圖案的“庫”來選 取合適的調(diào)制圖案，這些標(biāo)準(zhǔn)圖案例如實(shí)現(xiàn)格柵或菲涅耳透鏡并且可藉由控制被印在顯示 器上或者顯示器的一部分上。在另一電信應(yīng)用中，發(fā)射機(jī)可裝備有本發(fā)明的數(shù)字全息術(shù)調(diào)制器，并且通過生成 不同的格柵能夠有針對性地向一個(gè)或更多個(gè)接收機(jī)發(fā)射波束，并且在移動(dòng)的接收機(jī)的情形 中若適用則還能跟蹤方向。通過在安全領(lǐng)域中使用此類數(shù)字全息術(shù)調(diào)制器，就可以在要被檢查的物體上用太赫波進(jìn)行光柵掃描，或者在要檢查特別小的物體時(shí)甚至可以將太赫波聚 焦到該物體上。為此目的，在數(shù)字調(diào)制器上再現(xiàn)因諸如“菲涅耳透鏡”之類的光學(xué)器件而聞 名的圖案。在另一實(shí)現(xiàn)中，當(dāng)要為太赫光提供大的立體角范圍時(shí)，還可以由精密標(biāo)度的隨機(jī) 圖案來產(chǎn)生太赫波的散射。


以下參照圖1到圖3來解釋本發(fā)明。附圖示出圖1——透射幾何態(tài)中的全息圖的示意，圖2——反射幾何態(tài)中的全息圖的示意，以及圖3——作為全息圖的顯示器。
具體實(shí)施例方式如圖1中所示，入射的太赫波1的波前照到實(shí)現(xiàn)為全息圖的空間調(diào)制器2。該調(diào)制器具有至少IOX 10個(gè)個(gè)體的有源平面元件7的矩陣，其中每個(gè)平面元件具有約10 μ m的直 徑。每個(gè)平面元件由未示出的中央控制單元來控制，并且根據(jù)該控制而呈現(xiàn)至少兩個(gè)狀態(tài) 中的一個(gè)狀態(tài)。太赫波1在調(diào)制器2處被彎曲并被轉(zhuǎn)換成新的太赫波3。在此情形中，涉及太赫光 在透射中的彎曲。在此方面，在振幅調(diào)制器與相位調(diào)制器之間加以區(qū)別，并且還在“薄”調(diào) 制器與“厚”調(diào)制器之間加以區(qū)別，其中“厚”調(diào)制器僅在滿足Bragg條件時(shí)才使光彎曲。鑒 于此，當(dāng)調(diào)制器的厚度顯著大于太赫輻射的波長時(shí)，這些調(diào)制器就是厚的。如圖2中所示，入射的太赫波4的彎曲發(fā)生在調(diào)制器5處的反射中。相應(yīng)地，反射 波6朝相反的方向傳播。圖3中示出了優(yōu)選實(shí)施例，其中移動(dòng)電話9的顯示器8被用作調(diào)制器。如通常那 樣，信息可被顯示在該顯示器8上。然而，另外，顯示器8的一部分或者整個(gè)顯示器8可被 用來通過以透射幾何態(tài)將入射的太赫波10彎曲成聚焦到檢測器13上的波11的方式來使 該入射的太赫波10成形。為此目的，在顯示器8上再現(xiàn)合適的圖案以產(chǎn)生合意的聚焦效 果。在此情形中，顯示器作為數(shù)字全息圖以很短的焦距將THz信號(hào)成像到設(shè)備內(nèi)的檢測器 上。由此可以用該移動(dòng)電話來接收并處理THz信號(hào)。移動(dòng)電話的用于控制顯示器的電子器 件即構(gòu)成中央控制單元，該中央控制單元在顯示器8上產(chǎn)生恰適的圖案。移動(dòng)電話具有相 應(yīng)的按鈕12。通過切換顯示器的由像素構(gòu)成的平面元件來產(chǎn)生用于此太赫輻射的可調(diào)節(jié)的 全息圖。不僅如此，可以在移動(dòng)電話9中提供用于太赫波的發(fā)射機(jī)14。有了此發(fā)射機(jī)，可以 生成太赫波并通過顯示器8處有針對性的彎曲來發(fā)射該太赫波。借助數(shù)字全息圖，在移動(dòng) 電話9中生成的點(diǎn)源(球面波)變成朝接收站的方向傳播的平面波(直達(dá)波)。此類設(shè)備可被用來在短距離上以大帶寬來傳送數(shù)據(jù)。這準(zhǔn)許用太赫光實(shí)現(xiàn)定向無 線電連接，從而導(dǎo)致比各向同性輻射更大的射程。不僅如此，有了如此裝備的移動(dòng)電話，可 以在物體上用太赫波束進(jìn)行光柵掃描或者將太赫波束聚焦到物體上的個(gè)體位置上。
權(quán)利要求
1.一種用于影響，尤其是偏轉(zhuǎn)和/或聚焦頻率范圍在ο. 1太赫與10太赫之間的電磁輻 射(1，4，10)的方法，其特征在于，所述輻射是由平面調(diào)制器(2，5，8)來影響的，所述平面調(diào)制器(2，5，8)具有至少 IOX 10個(gè)個(gè)體的有源平面元件(7)的矩陣，其中每個(gè)平面元件(7)具有大于5μπι且小于 100 μ m的直徑，尤其具有約10 μ m的直徑，其中每個(gè)平面元件(7)個(gè)體地受中央控制單元控 制并且根據(jù)所述控制而呈現(xiàn)至少兩個(gè)狀態(tài)中的一個(gè)狀態(tài)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述輻射(1，4，10)穿過所述調(diào)制器(2，5，8)的所述平面元件(7)，其中所述平面元件 (7)的折射率和/或透射是電子地控制的。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述輻射(1，4，10)在所述調(diào)制器(2，5，8)的所述平面元件(7)處反射，其中所述平面 元件(7)的位置和/或反射率是受控制的。
4.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，通過切換所述調(diào)制器(2，5，8)的所述平面元件(7)來產(chǎn)生用于所述太赫輻射的可調(diào)節(jié) 的全息圖。
5.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，使用所述調(diào)制器(2，5，8)，無線通信系統(tǒng)中的太赫波束(1，4，10)由發(fā)射機(jī)指向接收 機(jī)，并且尤其被動(dòng)態(tài)地跟蹤。
6.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，使用所述調(diào)制器(2，5，8)，在物體上用太赫波束(1，4，10)進(jìn)行光柵掃描或者將所述太 赫波束(1，4，10)聚焦到物體上的個(gè)體位置上。
7.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，從合適的調(diào)制圖案的“庫”中選取標(biāo)準(zhǔn)圖案，尤其是諸如格柵或菲涅耳透鏡之類，并且 所述標(biāo)準(zhǔn)圖案被印到所述調(diào)制器(2，5，8)上，尤其是印到顯示器上或者顯示器的一部分 上。
8.一種用于執(zhí)行根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法的設(shè)備，其特征在于，平面調(diào)制器(2，5，8)，其具有至少10X10個(gè)個(gè)體的有源平面元件(7)的矩陣，其中每個(gè) 平面元件(7)具有大于5μπι且小于100 μ m的直徑，尤其具有約IOym的直徑，以及用于個(gè)體地控制所述個(gè)體的平面元件(7)的中央控制單元，其中每個(gè)平面元件(7)通 過恰適的控制而呈現(xiàn)不同的狀態(tài)。
9.如權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其特征在于，每個(gè)平面元件(7)能夠在至少兩個(gè)定義的狀態(tài)之間向后和向前切換。
10.如權(quán)利要求8或9所述的設(shè)備，其特征在于，包括平面元件(7)的所述調(diào)制器(2，5，8)是鏡陣列。
11.如權(quán)利要求8或9所述的設(shè)備，其特征在于，移動(dòng)電話、移動(dòng)計(jì)算機(jī)或數(shù)字投影機(jī)的顯示器構(gòu)成所述調(diào)制器(2，5，8)。
12.如權(quán)利要求8到11中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，所述調(diào)制器(2，5，8)是液晶調(diào)制器，其中液晶構(gòu)成所述平面元件，其中太赫輻射的折射率和/或吸收能夠通過所述液晶的取向的變化來改變。
13.如權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其特征在于，用于控制所述平面元件 (7)的細(xì)導(dǎo)線，其中所述薄導(dǎo)線占據(jù)的區(qū)域小到使得所述入射 的太赫波的80%被導(dǎo)電的電極吸收。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于影響，尤其是用于偏轉(zhuǎn)和/或用于聚焦頻率范圍在0.1太赫與10太赫之間的電磁輻射(1，4，10)的方法和設(shè)備，其中該輻射是由平面調(diào)制器(2，5，8)來影響的，該平面調(diào)制器(2，5，8)具有至少10×10個(gè)個(gè)體有源平面元件(7)的矩陣，其中每個(gè)平面元件(7)具有大于5μm且小于100μm的直徑，尤其具有約10μm的直徑，其中每個(gè)平面元件(7)個(gè)體地受中央控制單元控制并且根據(jù)該控制而呈現(xiàn)至少兩個(gè)狀態(tài)中的一個(gè)狀態(tài)。
文檔編號(hào)G02B26/08GK102037391SQ200980119576
公開日2011年4月27日 申請日期2009年5月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月23日
發(fā)明者B·克納伯, G·卡德爾, H·J·艾因西德勒, I·布羅寧, J·克勞斯, J·基斯林, K·布斯, K·米爾佐斯基, M·紐曼, R·索沃德 申請人:德國電信股份有限公司