专利名称：用于控制太赫电磁载波的方法
技术领域：
本发明涉及一 种用于影响，尤其是用于偏转和/或聚焦频率范围在0. 1太赫 (terahertz)与10太赫之间的电磁辐射的方法。本发明还涉及一种用于实现该方法的系 统。
背景技术：
自从大约100年前开始采用首批用于无线数据传输的技术的时候以来，可供用于 传输的带宽一直持续增长。为了能够满足持续增长的需求，将来还要将太赫范围内的波用 作具有特别高的载波频率的载波以用这些波来达成lOGb/s和更高范围内的数据传输。此类太赫波可藉由超快电子电路或藉由光学方法来生成。然而，因为电子方法由 于自由电子和空穴的寿命而在速度上受到限制，所以这些方法在高于IOOGHz的频率即便 能工作也只能低效率地工作。与之对比，用于生成太赫波的现有技术光学方法大多数采用 更高的频率，这些更高的频率随后通过混频来降频。因此，与此同时，通过红外线、可见光或 紫外线光谱范围内的两个光波的差频生成来高效率地生成太赫波的方法渐已为人所知。然而，目前，要控制太赫波的传播仍是相对困难的。控制所需的镜子和透镜是高度 复杂的，并且如果要使这些镜子和透镜成为可电子地控制的，那么它们只有以相应较高的 成本才能生产。
发明内容
因此，本发明的目的在于创建一种能够以简单且经济的方式来控制太赫波的传播 的方法。本发明的另一目的在于创建一种用于实现该方法的系统。这些目的是由具有权利要求1的特征化特性的方法以及根据权利要求7的系统来 达成的。在适用的从属权利要求中陈述本发明的有利的实施例。原则上，本发明本质上的基本思想在于将数字全息术的概念扩展到太赫范围。为 此目的，使用平面调制器，该平面调制器至少在其表面上具有多个个体的有源平面元件的 布局。此类布局应当至少具有10 X 10个平面元件的矩阵，并且尤其具有甚至超过100 X 100 个平面元件。在本上下文中，“有源”意味着可以用这些平面元件来有意地影响频率范围在 0. 1太赫与10太赫之间的电磁辐射，其中该影响主要基于弯曲效应，S卩，太赫波的振幅和/ 或相位上的局部变化。可个体调整的平面元件的矩阵本质上形成全息图，利用该全息图可以藉由通过弯 曲入射波进行的振幅和/或相位调制来产生任何合意的波前。由于发生弯曲处的振幅或相 位图案(即，全息图)不是照相地生成的，而是借助受电子地控制的过程生成的，因而本发 明的规程对应于“数字全息术”，与照相全息术形成对比，利用该数字全息术可以产生可变 化的全息图。为了能够达成合意的弯曲效应，这些平面元件必须具有对应于辐射的波长的大 小。具体而言，这些平面元件应当小于要被影响的太赫波的波长的约四分之一。从此要求可得出，这些平面元件应当具有在约5μπι与ΙΟΟμπι之间的数量级的直径。优选的数量级 为约ΙΟμπι。另外，本发明本质的概念在于，个体的平面元件在其通过藉由恰适的控制单元 进行的个体控制来影响辐射的特性的意义上可以被改动。藉由此控制，这些平面元件应当 可被调到至少两个状态、或者甚至完整范围的不同状态中的至少一个状态。在此设计中，使 此控制为电子控制是有利的。 可以按两种根本上不同的方式来造成弯曲效应一方面，辐射可以穿过调制器的 这些平面元件(“透射几何态”)。那么，尤其可以由折射率和/或透明度的变化来导致这 些平面元件的状态。可以因变于在调制器上产生的平面元件图案来产生具有不同的平面和 空间广度和方向的弯曲最大值。另一方面，辐射可以在调制器的个体平面元件处被反射(“反射几何态”)。还可 以用这种布局来对入射波进行相位和/或振幅调制。对于相位调制，可以向前或向后移动 局部镜子的位置，以使得例如光路发生变化。对于振幅调制，还可以简单地将这些镜子折叠 起来。当镜子被“向后”位移时，则此微观的高度调制延长了从入射波到反射波的路径。 以此方式来改变波的相位。取决于在全息图上的位置，入射波遇到不同的“深度”(路径长 度)。这会导致相位调制，并且由此导致弯曲，并且最终导致全息图像的生成。太赫波的传播形状和方向可以方便地用本发明的调制类型来控制。这开辟了太赫 波的各种新应用，尤其是在具有大于lGb/s的传输带宽的无线短程电信中或者还在扫描物 体以进行质量控制和安全筛查中的应用。本发明的另一本质概念在于该方法的技术实现。在此方面，根据本发明，用于其他 应用的组件，尤其是常规显示器本身被用作光调制器。特别有利地，可以使用像素液晶调制 器和矩阵微镜阵列(“镜阵列”，所谓的“MEMS”，即微机电系统)。最后，金属不仅在反射可 见光方面，而且在反射此处所讨论的太赫波方面也是特别有效的。使用那些并非使用将完 全吸收太赫波的大面积电极而是以小导线来控制个体平面元件的显示器也是可能的。这些光调制器特别适合用于频率范围在0. 1太赫与10太赫之间的数字全息术，因 为它们具有典型的10 μ mX 10 μ m像素大小并且由此使波长在30 μ m与3000 μ m之间的辐 射产生弯曲。穿过具有此类特性的显示器的或者由此类显示器反射的太赫波受到弯曲。由 于该显示器上的弯曲结构可以通过个体地驱动这些像素来调整，因而该辐射可以在任何合 意的角度范围被偏转或聚焦。以有利的方式，包括发射机和接收机的系统装备有能够用来确定所辐射的太赫波 的最优方向或者入射的太赫波的最优偏转的装置。此类装置可以例如通过简单的无线电通 信来彼此传达和通知其各自的相对位置。另外，可以使用传感器来测量其显示器被用作调制器的移动设备的取向。当无论 在发射或接收时知道如何最优地使太赫光成形时，可以通过访问包含标准图案的“库”来选 取合适的调制图案，这些标准图案例如实现格栅或菲涅耳透镜并且可藉由控制被印在显示 器上或者显示器的一部分上。在另一电信应用中，发射机可装备有本发明的数字全息术调制器，并且通过生成 不同的格栅能够有针对性地向一个或更多个接收机发射波束，并且在移动的接收机的情形 中若适用则还能跟踪方向。通过在安全领域中使用此类数字全息术调制器，就可以在要被检查的物体上用太赫波进行光栅扫描，或者在要检查特别小的物体时甚至可以将太赫波聚 焦到该物体上。为此目的，在数字调制器上再现因诸如“菲涅耳透镜”之类的光学器件而闻 名的图案。在另一实现中，当要为太赫光提供大的立体角范围时，还可以由精密标度的随机 图案来产生太赫波的散射。
以下参照图1到图3来解释本发明。附图示出图1——透射几何态中的全息图的示意，图2——反射几何态中的全息图的示意，以及图3——作为全息图的显示器。
具体实施例方式如图1中所示，入射的太赫波1的波前照到实现为全息图的空间调制器2。该调制器具有至少IOX 10个个体的有源平面元件7的矩阵，其中每个平面元件具有约10 μ m的直 径。每个平面元件由未示出的中央控制单元来控制，并且根据该控制而呈现至少两个状态 中的一个状态。太赫波1在调制器2处被弯曲并被转换成新的太赫波3。在此情形中，涉及太赫光 在透射中的弯曲。在此方面，在振幅调制器与相位调制器之间加以区别，并且还在“薄”调 制器与“厚”调制器之间加以区别，其中“厚”调制器仅在满足Bragg条件时才使光弯曲。鉴 于此，当调制器的厚度显著大于太赫辐射的波长时，这些调制器就是厚的。如图2中所示，入射的太赫波4的弯曲发生在调制器5处的反射中。相应地，反射 波6朝相反的方向传播。图3中示出了优选实施例，其中移动电话9的显示器8被用作调制器。如通常那 样，信息可被显示在该显示器8上。然而，另外，显示器8的一部分或者整个显示器8可被 用来通过以透射几何态将入射的太赫波10弯曲成聚焦到检测器13上的波11的方式来使 该入射的太赫波10成形。为此目的，在显示器8上再现合适的图案以产生合意的聚焦效 果。在此情形中，显示器作为数字全息图以很短的焦距将THz信号成像到设备内的检测器 上。由此可以用该移动电话来接收并处理THz信号。移动电话的用于控制显示器的电子器 件即构成中央控制单元，该中央控制单元在显示器8上产生恰适的图案。移动电话具有相 应的按钮12。通过切换显示器的由像素构成的平面元件来产生用于此太赫辐射的可调节的 全息图。不仅如此，可以在移动电话9中提供用于太赫波的发射机14。有了此发射机，可以 生成太赫波并通过显示器8处有针对性的弯曲来发射该太赫波。借助数字全息图，在移动 电话9中生成的点源(球面波)变成朝接收站的方向传播的平面波(直达波)。此类设备可被用来在短距离上以大带宽来传送数据。这准许用太赫光实现定向无 线电连接，从而导致比各向同性辐射更大的射程。不仅如此，有了如此装备的移动电话，可 以在物体上用太赫波束进行光栅扫描或者将太赫波束聚焦到物体上的个体位置上。
权利要求
1.一种用于影响，尤其是偏转和/或聚焦频率范围在ο. 1太赫与10太赫之间的电磁辐 射(1，4，10)的方法，其特征在于，所述辐射是由平面调制器(2，5，8)来影响的，所述平面调制器(2，5，8)具有至少 IOX 10个个体的有源平面元件(7)的矩阵，其中每个平面元件(7)具有大于5μπι且小于 100 μ m的直径，尤其具有约10 μ m的直径，其中每个平面元件(7)个体地受中央控制单元控 制并且根据所述控制而呈现至少两个状态中的一个状态。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述辐射(1，4，10)穿过所述调制器(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/或透射是电子地控制的。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述辐射(1，4，10)在所述调制器(2，5，8)的所述平面元件(7)处反射，其中所述平面 元件(7)的位置和/或反射率是受控制的。
4.如以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过切换所述调制器(2，5，8)的所述平面元件(7)来产生用于所述太赫辐射的可调节 的全息图。
5.如以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，使用所述调制器(2，5，8)，无线通信系统中的太赫波束(1，4，10)由发射机指向接收 机，并且尤其被动态地跟踪。
6.如以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，使用所述调制器(2，5，8)，在物体上用太赫波束(1，4，10)进行光栅扫描或者将所述太 赫波束(1，4，10)聚焦到物体上的个体位置上。
7.如以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，从合适的调制图案的“库”中选取标准图案，尤其是诸如格栅或菲涅耳透镜之类，并且 所述标准图案被印到所述调制器(2，5，8)上，尤其是印到显示器上或者显示器的一部分 上。
8.一种用于执行根据以上权利要求中任一项所述的方法的设备，其特征在于，平面调制器(2，5，8)，其具有至少10X10个个体的有源平面元件(7)的矩阵，其中每个 平面元件(7)具有大于5μπι且小于100 μ m的直径，尤其具有约IOym的直径，以及用于个体地控制所述个体的平面元件(7)的中央控制单元，其中每个平面元件(7)通 过恰适的控制而呈现不同的状态。
9.如权利要求8所述的设备，其特征在于，每个平面元件(7)能够在至少两个定义的状态之间向后和向前切换。
10.如权利要求8或9所述的设备，其特征在于，包括平面元件(7)的所述调制器(2，5，8)是镜阵列。
11.如权利要求8或9所述的设备，其特征在于，移动电话、移动计算机或数字投影机的显示器构成所述调制器(2，5，8)。
12.如权利要求8到11中任一项所述的设备，其特征在于，所述调制器(2，5，8)是液晶调制器，其中液晶构成所述平面元件，其中太赫辐射的折射率和/或吸收能够通过所述液晶的取向的变化来改变。
13.如权利要求12所述的设备，其特征在于，用于控制所述平面元件 (7)的细导线，其中所述薄导线占据的区域小到使得所述入射 的太赫波的80%被导电的电极吸收。
全文摘要
本发明涉及用于影响，尤其是用于偏转和/或用于聚焦频率范围在0.1太赫与10太赫之间的电磁辐射(1，4，10)的方法和设备，其中该辐射是由平面调制器(2，5，8)来影响的，该平面调制器(2，5，8)具有至少10×10个个体有源平面元件(7)的矩阵，其中每个平面元件(7)具有大于5μm且小于100μm的直径，尤其具有约10μm的直径，其中每个平面元件(7)个体地受中央控制单元控制并且根据该控制而呈现至少两个状态中的一个状态。
文档编号G02B26/08GK102037391SQ200980119576
公开日2011年4月27日 申请日期2009年5月5日 优先权日2008年5月23日
发明者B·克纳伯, G·卡德尔, H·J·艾因西德勒, I·布罗宁, J·克劳斯, J·基斯林, K·布斯, K·米尔佐斯基, M·纽曼, R·索沃德 申请人:德国电信股份有限公司