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DE102023108849A1 - Optical arrangement and method for generating a measuring signal - Google Patents

Optical arrangement and method for generating a measuring signal Download PDF

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DE102023108849A1
DE102023108849A1 DE102023108849.1A DE102023108849A DE102023108849A1 DE 102023108849 A1 DE102023108849 A1 DE 102023108849A1 DE 102023108849 A DE102023108849 A DE 102023108849A DE 102023108849 A1 DE102023108849 A1 DE 102023108849A1
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DE
Germany
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photon
type
oscillation frequency
modulated
radiation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102023108849.1A
Other languages
German (de)
Inventor
Sven Ramelow
Sebastian Heeg
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Humboldt Univ Zu Berlin Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Humboldt Universitaet Zu Berlin Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Original Assignee
Humboldt Univ Zu Berlin Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Humboldt Universitaet Zu Berlin Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Humboldt Univ Zu Berlin Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts, Humboldt Universitaet Zu Berlin Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts filed Critical Humboldt Univ Zu Berlin Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
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Priority to PCT/DE2024/100252 priority patent/WO2024208395A1/en
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Abstract

Die Erfindung bezieht sich unter anderem auf eine optische Anordnung zum Erzeugen eines Messsignals (M) mit einer kohärenten optischen Strahlungsquelle (10), einer optisch nichtlinearen Einrichtung (30), einem Strahlteiler (40), zwei Strahlungspfaden (SP1, SP2) und einer Messeinrichtung (200), die ein mit einer ersten und einer zweiten Schwingungsfrequenz (f1, f2) moduliertes Photon (P2") detektieren und unter Bildung des Messsignals (M) auswerten kann.

Figure DE102023108849A1_0000
The invention relates, inter alia, to an optical arrangement for generating a measurement signal (M) with a coherent optical radiation source (10), an optically nonlinear device (30), a beam splitter (40), two radiation paths (SP1, SP2) and a measuring device (200) which can detect a photon (P2") modulated with a first and a second oscillation frequency (f1, f2) and evaluate it to form the measurement signal (M).
Figure DE102023108849A1_0000

Description

Die Erfindung bezieht sich auf optische Anordnungen und Verfahren zum Erzeugen eines Messsignals, beispielsweise unter anderem auf solche Anordnungen und Verfahren, bei denen mit einer kohärenten optischen Strahlungsquelle Pumpphotonen erzeugt werden, mit optisch nichtlinearen Einrichtungen verschränkte Photonenpaare mit Photonen erster und zweiter Art gebildet werden, die Photonen erster Art einer Interaktion mit einem Probenkörper ausgesetzt werden und die Folgen dieser Interaktion anhand der Detektion der Photonen zweiter Art messtechnisch erfasst werden.The invention relates to optical arrangements and methods for generating a measurement signal, for example, among others, to such arrangements and methods in which pump photons are generated with a coherent optical radiation source, entangled photon pairs with photons of the first and second type are formed with optically nonlinear devices, the photons of the first type are exposed to an interaction with a sample body and the consequences of this interaction are measured by detecting the photons of the second type.

Eine derartige Anordnung und ein derartiges Verfahren sind beispielsweise in der Druckschrift „ Microscopy with undetected photons in the mid-infrared“ (Kviatkovsky et al., Sci. Adv. 2020; 6: eabd0264, 14 October 2020 ) beschrieben, auf die hier inhaltlich Bezug genommen wird und deren technischer Inhalt hier durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung einbezogen wird.Such an arrangement and such a method are described, for example, in the publication “ Microscopy with undetected photons in the mid-infrared” (Kviatkovsky et al., Sci. Adv. 2020; 6: eabd0264, 14 October 2020 ), the content of which is referred to here and the technical content of which is incorporated by reference into the present application.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Anordnung bzw. ein verbessertes Verfahren anzugeben.The invention is based on the object of specifying an improved arrangement or an improved method.

Diese Aufgabe wird bezüglich der Anordnung erfindungsgemäß durch eine Anordnung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Anordnung sind in Unteransprüchen angegeben.This object is achieved with regard to the arrangement according to the invention by an arrangement according to patent claim 1. Advantageous embodiments of the arrangement according to the invention are specified in subclaims.

Danach ist erfindungsgemäß eine Anordnung vorgesehen mit einer kohärenten optischen Strahlungsquelle, die geeignet ist, mindestens ein Pumpphoton zu emittieren, einer der Strahlungsquelle nachgeordneten optisch nichtlinearen Einrichtung, die das mindestens eine Pumpphoton in ein verschränktes Photonenpaar, das ein Photon erster Art und ein Photon zweiter Art umfasst, wandeln kann, wobei sich die Wellenlänge des Photons erster Art von der Wellenlänge des Photons zweiter Art unterscheidet, einem der nichtlinearen Einrichtung nachgeordneten Strahlteiler, der das Photon erster Art, sofern es erzeugt worden ist, auf einem ersten Strahlungspfad ausgibt und das Photon zweiter Art, sofern es erzeugt worden ist, auf einem zweiten Strahlungspfad oder alternativ das Pumpphoton auf dem zweiten Strahlungspfad ausgibt, einem dem ersten Strahlungspfad zugeordneten und bei Betrieb der Anordnung mit einer ersten Schwingungsfrequenz mechanisch schwingenden Sensorelement, das von dem Photon erster Art, sofern es erzeugt worden ist, bestrahlt wird und im Falle einer Bestrahlung eine sensorumgebungsabhängige Modulation des Photons erster Art unter Bildung eines mit der ersten Schwingungsfrequenz beeinflussten Photons erster Art bewirkt, einem dem zweiten Strahlungspfad zugeordneten und bei Betrieb der Anordnung mit einer zweiten Schwingungsfrequenz modulierenden Rückführelement, das einfallende Strahlung zu der optisch nichtlinearen Einrichtung zurückführt, wobei die erste und zweite Schwingungsfrequenz nicht-kommensurabel sind, und wobei die optisch nichtlineare Einrichtung dem mit der ersten Schwingungsfrequenz modulierten Photon und der vom modulierenden Rückführelement zurückgeführten Strahlung eine nichtlineare Interferenz unter Bildung eines mit der ersten und zweiten Schwingungsfrequenz modulierten Photons zweiter Art ermöglicht und wobei eine Messeinrichtung der Anordnung das mit der ersten und zweiten Schwingungsfrequenz modulierte Photon zweiter Art detektieren und unter Bildung des Messsignals auswerten kann.According to the invention, an arrangement is provided with a coherent optical radiation source that is suitable for emitting at least one pump photon, an optically non-linear device arranged downstream of the radiation source that can convert the at least one pump photon into an entangled photon pair that comprises a photon of the first type and a photon of the second type, wherein the wavelength of the photon of the first type differs from the wavelength of the photon of the second type, a beam splitter arranged downstream of the non-linear device that outputs the photon of the first type, if it has been generated, on a first radiation path and the photon of the second type, if it has been generated, on a second radiation path or alternatively outputs the pump photon on the second radiation path, a sensor element assigned to the first radiation path and mechanically oscillating at a first oscillation frequency when the arrangement is in operation, which is irradiated by the photon of the first type, if it has been generated, and in the event of irradiation, a sensor environment-dependent modulation of the photon of the first type to form a photon with the first oscillation frequency influenced photon of the first kind, a feedback element assigned to the second radiation path and modulating with a second oscillation frequency during operation of the arrangement, which returns incident radiation to the optically nonlinear device, wherein the first and second oscillation frequencies are non-commensurate, and wherein the optically nonlinear device enables the photon modulated with the first oscillation frequency and the radiation returned by the modulating feedback element to undergo nonlinear interference to form a photon of the second kind modulated with the first and second oscillation frequencies, and wherein a measuring device of the arrangement can detect the photon of the second kind modulated with the first and second oscillation frequencies and evaluate it to form the measuring signal.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung ist darin zu sehen, dass aufgrund der Auswertung der mit der ersten und zweiten Schwingungsfrequenz modulierten Photonen zweiter Art Hintergrundeinflüsse im Bereich der Photonen erster Art, insbesondere ein Hintergrundrauschen, effizient unterdrückt werden kann, sodass die resultierenden Messsignale eine besonders hohe Qualität aufweisen.A significant advantage of the arrangement according to the invention is that, due to the evaluation of the photons of the second type modulated with the first and second oscillation frequencies, background influences in the range of the photons of the first type, in particular background noise, can be efficiently suppressed, so that the resulting measurement signals have a particularly high quality.

Vorteilhaft ist es, wenn ein Strom an Pumpphotonen erzeugt wird, weil in einem solchen Falle das Messsignal ein gewisses Wellenlängenband im Wellenlängenbereich der Photonen erster Art abdecken kann. Nur der guten Ordnung halber sei jedoch erwähnt, dass die Bildung des Messsignals auch mit einem einzigen Pumpphoton durchgeführt werden kann; dass Messignal bezieht sich dann lediglich auf diejenige Wellenlänge des Photons zweiter Art, die der jeweiligen Pumpwellenlänge entspricht, und beschreibt mittelbar Eigenschaften des Photons erster Art, die von dem Sensorelement und dessen Umgebung mit Blick auf die Wellenlänge des Photons erster Art beeinflusst sind.It is advantageous if a stream of pump photons is generated because in such a case the measurement signal can cover a certain wavelength band in the wavelength range of the photons of the first kind. However, just for the sake of clarity, it should be mentioned that the measurement signal can also be formed with a single pump photon; the measurement signal then only refers to the wavelength of the photon of the second kind that corresponds to the respective pump wavelength and indirectly describes properties of the photon of the first kind that are influenced by the sensor element and its environment with regard to the wavelength of the photon of the first kind.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die nichtlineare Interferenz eine Intensität I des mit der ersten und zweiten Schwingungsfrequenz modulierten Photons zweiter Art liefert, die sich ergibt gemäß: I = ( Es ( f1 ) + Eref ( f2 ) ) 2 = ( Enf ( f1 ) + Ebg + Eref ( f2 ) ) 2 = Enf ( f1 ) 2 + Ebg 2 + Eref ( f2 ) 2 + 2 Enf ( f1 ) Eref ( f2 ) + 2 Enf ( f1 ) Eref ( f2 ) + 2 Ebg Eref ( f2 )

Figure DE102023108849A1_0001
mit Es = Enf + Ebg
Figure DE102023108849A1_0002

  • - wobei Es das Feld des mit der ersten Schwingungsfrequenz f1 modulierten Photons erster Art beschreibt, wobei das Feld Es einen von der ersten Schwingungsfrequenz f1 beeinflussten Nahfeldsignalanteil Enf und einen von der ersten Schwingungsfrequenz weniger oder gar nicht beeinflussten Hintergrundsignalanteil Ebg enthält, und
  • - wobei Eref das Feld eines mit der zweiten Schwingungsfrequenz f2 modulierten Photons zweiter Art beschreibt, das die optisch nichtlineare Einrichtung aus der vom modulierenden Rückführelement kommenden und mit der zweiten Schwingungsfrequenz modulierten Strahlung bilden kann.
It is particularly advantageous if the nonlinear interference provides an intensity I of the photon of the second kind modulated with the first and second oscillation frequencies, which is given by: I = ( It ( f1 ) + Eref ( f2 ) ) 2 = ( Enf ( f1 ) + Ebg + Eref ( f2 ) ) 2 = Enf ( f1 ) 2 + Ebg 2 + Eref ( f2 ) 2 + 2 Enf ( f1 ) Eref ( f2 ) + 2 Enf ( f1 ) Eref ( f2 ) + 2 Ebg Eref ( f2 )
Figure DE102023108849A1_0001
with Es = Enf + Ebg
Figure DE102023108849A1_0002
  • - where Es describes the field of the photon of the first kind modulated with the first oscillation frequency f1, where the field Es has a near-field signal component Enf influenced by the first oscillation frequency f1 and a near-field signal component Enf influenced by the first oscillation frequency less or not at all contains unaffected background signal component Ebg, and
  • - where Eref describes the field of a photon of the second kind modulated with the second oscillation frequency f2, which the optically nonlinear device can form from the radiation coming from the modulating feedback element and modulated with the second oscillation frequency.

Die Messeinrichtung umfasst vorzugsweise einen Detektor, der das mit der ersten und zweiten Schwingungsfrequenz modulierte Photon zweiter Art unter Bildung eines Detektionssignals detektiert.The measuring device preferably comprises a detector which detects the photon of the second type modulated with the first and second oscillation frequencies to form a detection signal.

Die Messeinrichtung umfasst vorzugsweise eine dem Detektor nachgeordnete Auswerteinrichtung, die von dem Detektionssignal lediglich denjenigen Signalanteil auswertet, der sowohl die erste Schwingungsfrequenz als auch die zweite Schwingungsfrequenz enthält.The measuring device preferably comprises an evaluation device arranged downstream of the detector, which evaluates only that signal component of the detection signal which contains both the first oscillation frequency and the second oscillation frequency.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Auswerteinrichtung lediglich den Signalanteil des Detektionssignals auswertet, der vorgegebenen Summenfrequenzen oder Differenzfrequenzen entspricht gemäß fsum = n f1 + m f2

Figure DE102023108849A1_0003
wobei fsum die Summenfrequenz oder Differenzfrequenz, f1 die erste Schwingungsfrequenz und f2 die zweite Schwingungsfrequenz bezeichnet und n eine beliebige natürliche Zahl und m eine beliebige ganze Zahl ist.It is particularly advantageous if the evaluation device only evaluates the signal component of the detection signal that corresponds to the specified sum frequencies or difference frequencies according to fsum = n f1 + m f2
Figure DE102023108849A1_0003
where fsum is the sum frequency or difference frequency, f1 is the first oscillation frequency and f2 is the second oscillation frequency and n is any natural number and m is any integer.

Die Messeinrichtung ist oder enthält vorzugsweise ein dispersives Spektrometer.The measuring device is or preferably contains a dispersive spectrometer.

Das Messsignal zeigt vorzugsweise die jeweilige Wellenlänge des empfangenen Photons zweiter Art an.The measurement signal preferably indicates the respective wavelength of the received photon of the second kind.

Die Messeinrichtung bzw. das Spektrometer umfassen vorzugsweise ein wellenlängenabhängiges Gitter und einen dem Gitter zugeordneten Multipixeldetektor, dessen Pixel jeweils einer Wellenlänge der empfangenen Photonen zugeordnet sind.The measuring device or the spectrometer preferably comprises a wavelength-dependent grating and a multipixel detector associated with the grating, the pixels of which are each associated with a wavelength of the received photons.

Die kohärente optische Strahlungsquelle ist vorzugsweise dazu ausgestaltet, einen Strom an Pumpphotonen zu emittieren, die in der Wellenlänge variieren.The coherent optical radiation source is preferably designed to emit a stream of pump photons that vary in wavelength.

Die Messeinrichtung gibt das Messsignal vorzugsweise als Funktion der Wellenlänge der jeweils detektierten Photonen zweiter Art aus.The measuring device preferably outputs the measuring signal as a function of the wavelength of the respective detected photons of the second kind.

Bei einer als vorteilhaft angesehenen Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die optisch nichtlineare Einrichtung ein optisch nichtlineares Element aufweist, in das das mindestens eine Pumpphoton der Strahlungsquelle, die von dem modulierenden Rückführelement zurückgeführte Strahlung und das mit der ersten Modulationsfrequenz modulierte Photon erster Art, sofern es erzeugt worden ist, eingestrahlt werden, und das genannte optisch nichtlineare Element die optische Interferenz durchführt.In an embodiment variant considered to be advantageous, it is provided that the optically non-linear device has an optically non-linear element into which the at least one pump photon of the radiation source, the radiation returned by the modulating feedback element and the photon of the first type modulated with the first modulation frequency, if it has been generated, are radiated, and the said optically non-linear element carries out the optical interference.

Bei einer anderen als vorteilhaft angesehenen Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die optisch nichtlineare Einrichtung ein erstes optisch nichtlineares Element und ein zweites optisch nichtlineares Element aufweist, wobei in das erste optisch nichtlineare Element das Pumpphoton der Strahlungsquelle eingespeist wird und in das zweite optisch nichtlineare Element die von dem modulierenden Rückführelement zurückgeführte Strahlung und das mit der ersten Modulationsfrequenz modulierte Photon erster Art eingestrahlt werden und das zweite optisch nichtlineare Element die optische Interferenz durchführt.In another embodiment variant considered to be advantageous, it is provided that the optically nonlinear device has a first optically nonlinear element and a second optically nonlinear element, wherein the pump photon of the radiation source is fed into the first optically nonlinear element and the radiation returned by the modulating feedback element and the photon of the first type modulated with the first modulation frequency are radiated into the second optically nonlinear element and the second optically nonlinear element carries out the optical interference.

Vorteilhaft ist es, wenn eine erste Schwingungseinrichtung vorhanden ist, mit der die erste Schwingungsfrequenz erzeugt und das Sensorelement zum Schwingen angeregt wird.It is advantageous if a first vibration device is present with which the first vibration frequency is generated and the sensor element is excited to vibrate.

Vorzugsweise ist eine zweite Schwingungseinrichtung vorhanden, mit der die zweite Schwingungsfrequenz erzeugt und das Rückführelement zum Modulieren angeregt wird. Die zweite Schwingungsfrequenz kann durch mechanisches Schwingen erzeugt werden oder alternativ auch auf andere Weise: Beispielsweise kann die zweite Schwingungsfrequenz durch einen Phasenmodulator erzeugt werden, der elektrisch angesteuert wird und die Phasenmodulation durch eine elektrische Veränderung der Brechzahl (z. B. Ladungsträgerinjektion, elektrooptische Effekte) in einem die Strahlung führenden Material bewirkt.Preferably, a second oscillation device is provided, with which the second oscillation frequency is generated and the feedback element is excited to modulate. The second oscillation frequency can be generated by mechanical oscillation or alternatively in another way: For example, the second oscillation frequency can be generated by a phase modulator that is electrically controlled and causes the phase modulation by an electrical change in the refractive index (e.g. charge carrier injection, electro-optical effects) in a material that conducts the radiation.

Das Sensorelement läuft vorzugsweise nadelförmig entlang einer Längsrichtung spitz zu.The sensor element preferably tapers in a needle-shaped manner along a longitudinal direction.

Das Sensorelement wird vorzugsweise zum Schwingen entlang der Längsrichtung mit der ersten Schwingungsfrequenz angeregt. The sensor element is preferably excited to oscillate along the longitudinal direction at the first oscillation frequency.

Das modulierende Rückführelement ist vorzugsweise zumindest zweiteilig und umfasst vorzugsweise eine Modulatoreinheit und eine von der Modulatoreinheit separate Rückführeinheit.The modulating feedback element is preferably at least two-part and preferably comprises a modulator unit and a feedback unit separate from the modulator unit.

Das modulierende Rückführelement kann einteilig sein und die Modulatorfunktion kann in die Rückführeinheit integriert sein.The modulating feedback element can be one-piece and the modulator function can be integrated into the feedback unit.

Die Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Verfahren zum Erzeugen eines Messsignals, beispielsweise unter Einbezug einer Anordnung wie oben beschrieben. Erfindungsgemäß ist bei dem Verfahren vorgesehen, dass mit einer kohärenten optischen Strahlungsquelle mindestens ein Pumpphoton emittiert wird, das Pumpphoton in eine der Strahlungsquelle nachgeordnete optisch nichtlineare Einrichtung eingespeist wird, die das mindestens eine Pumpphoton in ein verschränktes Photonenpaar, das ein Photon erster Art und ein Photon zweiter Art umfasst, wandeln kann, wobei sich die Wellenlänge des Photons erster Art von der Wellenlänge des Photons zweiter Art unterscheidet, das Photon erster Art, sofern es erzeugt worden ist, auf einem ersten Strahlungspfad ausgegeben wird und das Photon zweiter Art, sofern es erzeugt worden ist, auf einem zweiten Strahlungspfad oder alternativ das Pumpphoton auf dem zweiten Strahlungspfad ausgegeben wird, ein mit einer ersten Schwingungsfrequenz mechanisch schwingendes Sensorelement mit dem Photon erster Art, sofern es erzeugt worden ist, bestrahlt wird und im Falle einer Bestrahlung eine sensorumgebungsabhängige Modulation des Photons erster Art unter Bildung eines mit der ersten Schwingungsfrequenz modulierten Photons erster Art bewirkt wird, die Strahlung des zweiten Strahlungspfads mit einem mit einer zweiten Schwingungsfrequenz modulierenden Rückführelement moduliert und zu der optisch nichtlinearen Einrichtung zurückgeführt wird, wobei die erste und zweite Schwingungsfrequenz nicht-kommensurabel sind, die optisch nichtlineare Einrichtung dem mit der ersten Schwingungsfrequenz modulierten Photon und der vom modulierenden Rückführelement zurückgeführten Strahlung eine nichtlineare Interferenz unter Bildung eines mit der ersten und zweiten Schwingungsfrequenz modulierten Photons zweiter Art ermöglicht und das mit der ersten und zweiten Schwingungsfrequenz modulierte Photon zweiter Art detektiert und unter Bildung des Messsignals ausgewertet wird.The invention also relates to a method for generating a measurement signal, in which for example, including an arrangement as described above. According to the invention, the method provides that at least one pump photon is emitted with a coherent optical radiation source, the pump photon is fed into an optically non-linear device arranged downstream of the radiation source, which can convert the at least one pump photon into an entangled photon pair comprising a photon of the first type and a photon of the second type, wherein the wavelength of the photon of the first type differs from the wavelength of the photon of the second type, the photon of the first type, if it has been generated, is output on a first radiation path and the photon of the second type, if it has been generated, is output on a second radiation path or alternatively the pump photon is output on the second radiation path, a sensor element mechanically oscillating at a first oscillation frequency is irradiated with the photon of the first type, if it has been generated, and in the event of irradiation, a sensor environment-dependent modulation of the photon of the first type is brought about to form a photon of the first type modulated with the first oscillation frequency, the radiation of the second radiation path is modulated with a modulated with a feedback element modulating a second oscillation frequency and fed back to the optically nonlinear device, wherein the first and second oscillation frequencies are non-commensurable, the optically nonlinear device enables the photon modulated with the first oscillation frequency and the radiation fed back by the modulating feedback element to undergo nonlinear interference to form a photon of the second type modulated with the first and second oscillation frequencies, and the photon of the second type modulated with the first and second oscillation frequencies is detected and evaluated to form the measurement signal.

Bezüglich der Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie vorteilhafter Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sei auf die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Anordnung und deren vorteilhafter Ausgestaltungen verwiesen.With regard to the advantages of the method according to the invention and advantageous embodiments of the method according to the invention, reference is made to the above statements in connection with the arrangement according to the invention and its advantageous embodiments.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert; dabei zeigen beispielhaft:

  • 1 ein erstes Ausführungsbeispiel für eine optische Anordnung zum Erzeugen eines Messsignals,
  • 2 ein zweites Ausführungsbeispiel für eine optische Anordnung zum Erzeugen eines Messsignals, und
  • 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine nichtlineare Einrichtung, die bei den Anordnungen gemäß den 1 und 2 eingesetzt werden kann.
The invention is explained in more detail below using exemplary embodiments, which show, for example:
  • 1 a first embodiment of an optical arrangement for generating a measuring signal,
  • 2 a second embodiment of an optical arrangement for generating a measuring signal, and
  • 3 another embodiment of a non-linear device which can be used in the arrangements according to the 1 and 2 can be used.

Die 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel für eine optische Anordnung zum Erzeugen eines Messsignals M.The 1 shows a first embodiment of an optical arrangement for generating a measuring signal M.

Die Anordnung umfasst eine kohärente optische Strahlungsquelle 10, die einen kontinuierlichen Strom an Pumpphotonen Pp mit einer Wellenlänge von beispielsweise 660 nm emittiert. Die Pumpphotonen Pp variieren in einem üblichen Rahmen geringfügig in ihrer Wellenlänge.The arrangement comprises a coherent optical radiation source 10 which emits a continuous stream of pump photons Pp with a wavelength of, for example, 660 nm. The pump photons Pp vary slightly in their wavelength within a conventional range.

Der Strahlungsquelle 10 nachgeordnet ist über ein wellenlängenselektives Strahlteilelement 20 eine optisch nichtlineare Einrichtung 30, die jedes der Pumpphoton Pp im Rahmen eines SPDC(spontaneous parametric down-conversion)-Prozesses in ein verschränktes Photonenpaar, das ein Photon P1 erster Art und ein Photon P2 zweiter Art umfasst, wandeln kann und auch mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit wandeln wird.An optically nonlinear device 30 is arranged downstream of the radiation source 10 via a wavelength-selective beam splitter element 20, which can convert each of the pump photons Pp into an entangled photon pair comprising a photon P1 of the first kind and a photon P2 of the second kind within the framework of an SPDC (spontaneous parametric down-conversion) process and will also convert them with a certain probability.

Die Wellenlänge des Photons P1 erster Art unterscheidet sich von der Wellenlänge des Photons P2 zweiter Art. Vorteilhaft ist es, wenn die Einrichtung 30 so gewählt ist, dass die Wellenlänge der Photonen P1 erster Art im mittleren Infrarotbereich und die Wellenlänge der Photonen P2 zweiter Art im nahen Infrarotbereich liegt.The wavelength of the photon P1 of the first kind differs from the wavelength of the photon P2 of the second kind. It is advantageous if the device 30 is selected such that the wavelength of the photons P1 of the first kind is in the mid-infrared range and the wavelength of the photons P2 of the second kind is in the near-infrared range.

Aufgrund der bereits erwähnten gewissen Schwankungen der Wellenlänge der Pumpphotonen Pp und aufgrund von stochastischen Toleranzen bei der Photonenumwandlung wird die Wellenlänge der Photonen P1 erster und zweiter Art schwanken: Die Wellenlänge der Photonen P1 erster Art kann beispielsweise bei einer Sollpumpwellenlänge von 660 nm in einem Bereich zwischen 3,4 µm und 4,3 µm liegen, und die Wellenlänge der Photonen P2 zweiter Art kann beispielsweise in einem Bereich zwischen 780 nm und 820 nm liegen.Due to the already mentioned certain fluctuations in the wavelength of the pump photons Pp and due to stochastic tolerances in the photon conversion, the wavelength of the photons P1 of the first and second kind will fluctuate: For example, the wavelength of the photons P1 of the first kind can be in a range between 3.4 µm and 4.3 µm for a nominal pump wavelength of 660 nm, and the wavelength of the photons P2 of the second kind can be in a range between 780 nm and 820 nm.

Als optisch nichtlineare Einrichtung 30 kann beispielsweise ein ppKTP(periodically poled potassium titanyl phosphate)-Kristall eingesetzt, wie er in der Druckschrift „Microscopy with undetected photons in the mid-infrared“ ( Kviatkovsky et al., Sci. Adv. 2020; 6: eabd0264 14 October 2020 ) beschrieben ist.For example, a ppKTP (periodically poled potassium titanyl phosphate) crystal can be used as the optically nonlinear device 30, as described in the publication “Microscopy with undetected photons in the mid-infrared” ( Kviatkovsky et al., Sci. Adv 2020; 6: eabd0264 October 14, 2020 ) is described.

Der nichtlinearen Einrichtung 30 nachgeordnet ist ein wellenlängenselektiver Strahlteiler 40, der jedes Photon P1 erster Art, sofern es erzeugt worden ist, auf einem ersten Strahlungspfad SP1 ausgibt und jedes Photon P2 zweiter Art, sofern es erzeugt worden ist, auf einem zweiten Strahlungspfad SP2 ausgibt. Bei dem wellenlängenselektiven Strahlteiler 40 kann es sich um ein Dichroic-Filter handeln, das Strahlung mit der Pumpwellenlänge und Strahlung im nahen Infrarotbereich reflektiert und Strahlung im mittleren Infrarotbereich passieren lässt.Downstream of the non-linear device 30 is a wavelength-selective beam splitter 40 which outputs each photon P1 of the first type, if it has been generated, on a first radiation path SP1 and outputs each photon P2 of the second type, if it has been generated, on a second radiation path SP2. The wavelength-selective beam splitter 40 can be a dichroic filter which Radiation with the pump wavelength and radiation in the near infrared range are reflected and radiation in the mid-infrared range is allowed to pass.

Falls die optisch nichtlineare Einrichtung 30 einzelne Pumpphotonen Pp nicht umgewandelt hat, so werden diese vom wellenlängenselektiven Strahlteiler 40 auf dem zweiten Strahlungspfad SP2 ausgegeben.If the optically nonlinear device 30 has not converted individual pump photons Pp, they are output by the wavelength-selective beam splitter 40 on the second radiation path SP2.

Dem ersten Strahlungspfad SP1 zugeordnet ist ein mechanisch schwingendes Sensorelement 50. Das Sensorelement 50 steht mit einer ersten Schwingungseinrichtung 60 in Verbindung, die das Sensorelement 50 zum Schwingen anregt, und zwar mit einer ersten Schwingungsfrequenz f1. Das Sensorelement 50 ist vorzugsweise nadelförmig und läuft entlang einer Längsrichtung L unter Bildung einer Nadelspitze 51 spitz zu.A mechanically oscillating sensor element 50 is assigned to the first radiation path SP1. The sensor element 50 is connected to a first oscillation device 60, which excites the sensor element 50 to oscillate, specifically with a first oscillation frequency f1. The sensor element 50 is preferably needle-shaped and tapers to a point along a longitudinal direction L, forming a needle tip 51.

Das nadelförmige Sensorelement 50 wird mit der ersten Schwingungseinrichtung 60 zum Schwingen entlang der Längsrichtung L angeregt, sodass der Abstand zwischen der Nadelspitze 51 und einer sich in der 1 in x- und y-Richtung erstreckenden Oberfläche 90 eines oberflächenmäßig zu analysierenden Probenkörpers 91 variiert.The needle-shaped sensor element 50 is excited by the first vibration device 60 to vibrate along the longitudinal direction L, so that the distance between the needle tip 51 and a 1 in the x- and y-direction extending surface 90 of a sample body 91 to be analyzed on the surface varies.

Der Bereich B der Nadelspitze 51 des Sensorelements 50 wird von den Photonen P1 erster Art, sofern diese erzeugt worden sind, bestrahlt, nachdem diese Umlenkelemente 70 und 80 passiert haben. Durch die Bestrahlung des Bereichs B der Nadelspitze 51 des Sensorelements 50 wird eine sensorumgebungsabhängige Modulation der Photonen P1 erster Art unter Bildung eines mit der ersten Schwingungsfrequenz f1 beeinflussten Stromes an Photonen P1' erster Art bewirkt, der über den ersten Strahlungspfad SP1 zurück zur Einrichtung 30 gelangt.The area B of the needle tip 51 of the sensor element 50 is irradiated by the photons P1 of the first type, provided that they have been generated, after they have passed through deflection elements 70 and 80. The irradiation of the area B of the needle tip 51 of the sensor element 50 causes a sensor-environment-dependent modulation of the photons P1 of the first type, forming a stream of photons P1' of the first type influenced by the first oscillation frequency f1, which returns to the device 30 via the first radiation path SP1.

Wird nun die Nadelspitze 51 des nadelförmigen Sensorelements 50 über die Oberfläche 90 des Probenkörpers 91 bewegt, so bewirkt die Interaktion der Nadelspitze 51 mit der Oberfläche 90 des Probenkörpers 91 eine von dem Ort (x, y) der Nadelspitze 51 und von der Beschaffenheit der Oberfläche an dem jeweiligen Ort (x, y) abhängige Veränderung der Photonen P1' hinsichtlich der Phase und der Amplitude; dies kann zur Analyse der Beschaffenheit der Oberfläche 90 ausgenutzt werden, wie weiter unten im Zusammenhang mit der Bildung des Messsignals M noch näher im Detail erläutert wird.If the needle tip 51 of the needle-shaped sensor element 50 is now moved over the surface 90 of the sample body 91, the interaction of the needle tip 51 with the surface 90 of the sample body 91 causes a change in the photons P1' with regard to the phase and the amplitude, which depends on the location (x, y) of the needle tip 51 and on the nature of the surface at the respective location (x, y); this can be used to analyze the nature of the surface 90, as will be explained in more detail below in connection with the formation of the measurement signal M.

Dem zweiten Strahlungspfad SP2 ist ein mit einer zweiten Schwingungsfrequenz f2 modulierendes Rückführelement 100 nachgeordnet, das eingestrahlte Strahlung zu der optisch nichtlinearen Einrichtung 30 moduliert zurückführt. Wurde in der vorgeordneten optisch nichtlinearen Einrichtung 30 das jeweilige Pumpphoton Pp umgewandelt, so gelangt von dem modulierenden Rückführelement 100 ein moduliertes Photon P2' zweiter Art auf dem zweiten Strahlungspfad SP2 zurück zu der optisch nichtlinearen Einrichtung 30. Wurde in der vorgeordneten optisch nichtlinearen Einrichtung 30 das jeweilige Pumpphoton Pp nicht umgewandelt, so gelangt von dem modulierenden Rückführelement 100 ein entsprechend moduliertes Pumpphoton Pp' auf dem zweiten Strahlungspfad SP2 zurück zu der optisch nichtlinearen Einrichtung 30.A feedback element 100 modulating with a second oscillation frequency f2 is arranged downstream of the second radiation path SP2, which returns the radiated radiation in a modulated manner to the optically nonlinear device 30. If the respective pump photon Pp was converted in the upstream optically nonlinear device 30, a modulated photon P2' of the second type passes from the modulating feedback element 100 back to the optically nonlinear device 30 on the second radiation path SP2. If the respective pump photon Pp was not converted in the upstream optically nonlinear device 30, a correspondingly modulated pump photon Pp' passes from the modulating feedback element 100 back to the optically nonlinear device 30 on the second radiation path SP2.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 umfasst das modulierende Rückführelement 100 eine Modulatoreinheit und eine von der Modulatoreinheit separate Rückführeinheit. Bei der Rückführeinheit handelt es sich um einen Spiegel 101, der von einer die Modulatoreinheit bildenden zweiten Schwingungseinrichtung 102 zum Schwingen mit der zweiten Schwingungsfrequenz f2 angeregt wird. Der Spiegel 101 schwingt vorzugsweise in einer Bewegungsrichtung, die senkrecht zur Spiegelfläche des Spiegels 101 ist.In the embodiment according to 1 the modulating feedback element 100 comprises a modulator unit and a feedback unit separate from the modulator unit. The feedback unit is a mirror 101 which is excited to oscillate at the second oscillation frequency f2 by a second oscillation device 102 forming the modulator unit. The mirror 101 preferably oscillates in a direction of movement which is perpendicular to the mirror surface of the mirror 101.

Die erste Schwingungsfrequenz f1 und die zweite Schwingungsfrequenz f2 sind „nicht-kommensurabel“.The first oscillation frequency f1 and the second oscillation frequency f2 are “non-commensurable”.

Die optisch nichtlineare Einrichtung 30 ermöglicht nun in einem nachfolgenden zweiten Schritt jedem mit der ersten Schwingungsfrequenz modulierten Photon P1' erster Art und der von dem modulierenden Rückführelement 100 zurückgeführten Strahlung eine nichtlineare Interferenz unter Bildung jeweils eines sowohl mit der ersten als auch mit der zweiten Schwingungsfrequenz f1 und f2 modulierten Photons P2" zweiter Art.In a subsequent second step, the optically nonlinear device 30 now enables each photon P1' of the first type modulated with the first oscillation frequency and the radiation returned by the modulating feedback element 100 to undergo nonlinear interference, forming a photon P2" of the second type modulated with both the first and the second oscillation frequencies f1 and f2.

Die letztgenannte nichtlineare Interferenz liefert eine Intensität I des mit der ersten und zweiten Schwingungsfrequenz modulierten Photons P2" zweiter Art, die sich ergibt gemäß: I = ( Es ( f1 ) + Eref ( f2 ) ) 2 = ( Enf ( f1 ) + Ebg + Eref ( f2 ) ) 2 = Enf ( f1 ) 2 + Ebg2 + Eref ( f2 ) 2 + 2 Enf ( f1 ) Eref ( f2 ) + 2 Enf ( f1 ) Eref ( f2 ) + 2 Ebg Eref ( f2 )

Figure DE102023108849A1_0004
mit Es = Enf + Ebg
Figure DE102023108849A1_0005
The latter nonlinear interference yields an intensity I of the photon P2" of the second kind modulated with the first and second oscillation frequencies, which is given by: I = ( It ( f1 ) + Eref ( f2 ) ) 2 = ( Enf ( f1 ) + Ebg + Eref ( f2 ) ) 2 = Enf ( f1 ) 2 + Ebg2 + Eref ( f2 ) 2 + 2 Enf ( f1 ) Eref ( f2 ) + 2 Enf ( f1 ) Eref ( f2 ) + 2 Ebg Eref ( f2 )
Figure DE102023108849A1_0004
with Es = Enf + Ebg
Figure DE102023108849A1_0005

„Es“ beschreibt in obiger Gleichung das Feld des mit der ersten Schwingungsfrequenz f1 modulierten Photons P1' erster Art, wobei das Feld Es einen von der ersten Schwingungsfrequenz f1 beeinflussten Nahfeldsignalanteil Enf und einen von der ersten Schwingungsfrequenz f1 weniger oder gar nicht beeinflussten Hintergrundsignalanteil Ebg enthält. Eref beschreibt in obiger Gleichung das Feld eines mit der zweiten Schwingungsfrequenz f2 modulierten Photons P2' zweiter Art, das die optisch nichtlineare Einrichtung 30 aus der vom modulierenden Rückführelement 100 kommenden und mit der zweiten Schwingungsfrequenz f2 modulierten Strahlung bilden kann.In the above equation, "Es" describes the field of the photon P1' of the first kind modulated with the first oscillation frequency f1, whereby the field Es contains a near-field signal component Enf influenced by the first oscillation frequency f1 and a background signal component Ebg less or not at all influenced by the first oscillation frequency f1. In the above equation, Eref describes the field of a photon P2' of the second kind modulated with the second oscillation frequency f2, which optically non-linear device 30 from the radiation coming from the modulating feedback element 100 and modulated with the second oscillation frequency f2.

Über das Strahlteilelement 20, bei dem es sich ebenfalls um ein Dichroic-Filter handeln kann, und weitere Umlenkelemente 110 und 120 gelangen die mit der ersten und zweiten Schwingungsfrequenz modulierten Photonen P2" zweiter Art zu einer nachgeordneten Messeinrichtung 200. Die Messeinrichtung 200 detektiert die mit der ersten und zweiten Schwingungsfrequenz modulierten Photonen P2" zweiter Art und wertet diese unter Bildung des Messsignals M aus.The photons P2" of the second type modulated with the first and second oscillation frequencies reach a downstream measuring device 200 via the beam splitter element 20, which can also be a dichroic filter, and further deflection elements 110 and 120. The measuring device 200 detects the photons P2" of the second type modulated with the first and second oscillation frequencies and evaluates them to form the measurement signal M.

Das Strahlteilelement 20 ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass es Strahlung mit der Pumpwellenlänge reflektiert und Strahlung im nahen Infrarotbereich passieren lässt.The beam splitting element 20 is preferably designed such that it reflects radiation with the pump wavelength and allows radiation in the near infrared range to pass through.

Bei der Messeinrichtung 200 kann es sich um ein dispersives Spektrometer handeln. Ein solches Spektrometer ermöglicht es, ein Messsignal M zu bilden, das die jeweilige Wellenlänge des empfangenen Photons P2" zweiter Art anzeigt. Das dispersive Spektrometer kann zu diesem Zwecke das zu untersuchende Licht so präparieren, dass dieses auf ein dispersives optisches Bauelement trifft (wie zum Beispiel ein Prisma oder Gitter), welches das zu untersuchende Licht um einen wellenlängenabhängigen Winkel ablenkt, und dass nach dem dispersiven optischen Element die Winkeländerung in eine Positionsänderung zwecks Detektion (zum Beispiel auf einer CCD-Kamera, CCD-Zeile oder CMOS Sensor) überführt wird.The measuring device 200 can be a dispersive spectrometer. Such a spectrometer makes it possible to form a measuring signal M that indicates the respective wavelength of the received photon P2" of the second kind. For this purpose, the dispersive spectrometer can prepare the light to be examined in such a way that it hits a dispersive optical component (such as a prism or grating), which deflects the light to be examined by a wavelength-dependent angle, and that after the dispersive optical element the change in angle is converted into a change in position for the purpose of detection (for example on a CCD camera, CCD line or CMOS sensor).

Die in der 1 gezeigte Messeinrichtung 200 bzw. das dort gezeigte Spektrometer umfasst ein wellenlängenabhängiges Gitter 210 und einen dem Gitter 210 zugeordneten Multipixeldetektor 220, dessen Pixel jeweils einer Wellenlänge λ der empfangenen Photonen zugeordnet sind.The 1 The measuring device 200 shown or the spectrometer shown there comprises a wavelength-dependent grating 210 and a multipixel detector 220 assigned to the grating 210, the pixels of which are each assigned to a wavelength λ of the received photons.

Der Multipixeldetektor 220 detektiert die mit der ersten und zweiten Schwingungsfrequenz modulierten Photonen P2" zweiter Art unter Bildung eines von der Wellenlänge λ des jeweiligen Photons abhängigen Detektionssignals DS(λ), und zwar als Funktion der Wellenlänge λ im nahen Infrarotbereich.The multipixel detector 220 detects the photons P2" of the second kind modulated with the first and second oscillation frequencies to form a detection signal DS(λ) dependent on the wavelength λ of the respective photon, namely as a function of the wavelength λ in the near infrared range.

Die in der 1 gezeigte Messeinrichtung 200 umfasst außerdem eine dem Multipixeldetektor 220 nachgeordnete Auswerteinrichtung 230, die Amplitude und Phase des Detektionssignals DS(A) auswertet, jedoch vorzugsweise lediglich hinsichtlich desjenigen Signalanteils, der einer vorgegebenen Summenfrequenz oder Differenzfrequenz entspricht gemäß fsum = n f1 + m f2

Figure DE102023108849A1_0006
wobei fsum die Summenfrequenz oder Differenzfrequenz, f1 die erste Schwingungsfrequenz und f2 die zweite Schwingungsfrequenz bezeichnet und n eine beliebige natürliche Zahl und m eine beliebige ganze Zahl ist.The 1 The measuring device 200 shown also comprises an evaluation device 230 arranged downstream of the multipixel detector 220, which evaluates the amplitude and phase of the detection signal DS(A), but preferably only with regard to that signal component which corresponds to a predetermined sum frequency or difference frequency according to fsum = n f1 + m f2
Figure DE102023108849A1_0006
where fsum is the sum frequency or difference frequency, f1 is the first oscillation frequency and f2 is the second oscillation frequency and n is any natural number and m is any integer.

Wird nun, wie bereits angesprochen, die Nadelspitze 51 des nadelförmigen Sensorelements 50 über der Oberfläche 90 des Probenkörpers 91 bewegt, so bewirkt die Interaktion der Nadelspitze 51 des Sensorelements 50 mit der Oberfläche 90 des Probenkörpers 91 eine von dem jeweiligen Ort (x, y) der Nadelspitze 51 abhängige Veränderung der Photonen P1' erster Art hinsichtlich der Phase und Amplitude; diese im mittleren Infrarotbereich auftretende Phase- und Amplitudenänderung wird sich später durch die Interferenz in der Einrichtung 30 auf die Phase und Amplitude der Photonen P2" zweiter Art übertragen, sodass durch eine Messung des Detektionssignals DS im nahen Infrarotbereich die im mittleren Infrarotbereich aufgetretene Phase- und Amplitudenänderung erfasst werden kann. Mit anderen Worten wird eine sich auf den mittleren Infrarotbereich beziehende Information durch eine Messung im nahen Infrarotbereich erfasst.If, as already mentioned, the needle tip 51 of the needle-shaped sensor element 50 is now moved over the surface 90 of the sample body 91, the interaction of the needle tip 51 of the sensor element 50 with the surface 90 of the sample body 91 causes a change in the phase and amplitude of the photons P1' of the first type, which depends on the respective location (x, y) of the needle tip 51; this phase and amplitude change occurring in the mid-infrared range is later transferred to the phase and amplitude of the photons P2" of the second type by the interference in the device 30, so that the phase and amplitude change occurring in the mid-infrared range can be detected by measuring the detection signal DS in the near-infrared range. In other words, information relating to the mid-infrared range is detected by a measurement in the near-infrared range.

Befindet sich beispielsweise an einer Stelle (x0, y0) ein die Strahlung für eine Wellenlänge λ0 im mittleren Infrarotbereich absorbierendes Material, so wird sich dies bei der Messung der Photonen P2" zweiter Art im nahen Infrarotbereich in der Amplitude und Phase des Detektionssignals für die zu der jeweiligen Wellenlänge λ0 korrespondierende Wellenlänge λ'0 im nahen Infrarotbereich niederschlagen.If, for example, a material absorbing radiation for a wavelength λ0 in the mid-infrared range is located at a location (x0, y0), this will be reflected in the amplitude and phase of the detection signal for the wavelength λ'0 in the near infrared range corresponding to the respective wavelength λ0 when measuring the photons P2" of the second kind in the near infrared range.

Es kann also eine Messung von im mittleren Infrarotbereich relevanten Oberflächeneigenschaften der Oberfläche 90 im nahen Infrarotbereich erfolgen, weil eine Informationsübertragung durch die Interferenz in der Einrichtung 30 erfolgt.Thus, a measurement of surface properties of the surface 90 relevant in the mid-infrared range can be carried out in the near-infrared range because information is transmitted by the interference in the device 30.

Die 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für eine optische Anordnung zum Erzeugen eines Messsignals M.The 2 shows a second embodiment of an optical arrangement for generating a measuring signal M.

Bei dem zweites Ausführungsbeispiel ist das modulierende Rückführelement 100 durch einen gebogenen Wellenleiter 102 mit einem integrierten Phasenmodulator 103 gebildet, der die Phase mit der zweiten Schwingungsfrequenz f2 moduliert. Der integrierte Phasenmodulator 103 kann auf Ladungsträgerinjektion beruhen oder auf einem elektrooptischen Effekt.In the second embodiment, the modulating feedback element 100 is formed by a curved waveguide 102 with an integrated phase modulator 103 which modulates the phase with the second oscillation frequency f2. The integrated phase modulator 103 can be based on charge carrier injection or on an electro-optical effect.

Im Übrigen gelten die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit der 1 für das zweite Ausführungsbeispiel gemäß 2 entsprechend.Furthermore, the above statements apply in connection with the 1 for the second embodiment according to 2 accordingly.

Die 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine nichtlineare Einrichtung 30, die bei den Anordnungen gemäß den 1 und 2 eingesetzt werden kann.The 3 shows a further embodiment of a non-linear device 30 which is used in the arrangements according to the 1 and 2 can be used.

Die optisch nichtlineare Einrichtung 30 gemäß 3 umfasst ein erstes optisch nichtlineares Element 31 und ein zweites optisch nichtlineares Element 32. Die beiden optisch nichtlinearen Elemente 31 und 32 können beispielsweise ppKTP(periodically poled potassium titanyl phosphate)-Kristalle sein, wie sie in der Druckschrift „ Microscopy with undetected photons in the mid-infrared“ (Kviatkovsky et al., Sci. Adv. 2020; 6: eabd0264, 14 October 2020 ) beschrieben sind.The optically nonlinear device 30 according to 3 comprises a first optically nonlinear element 31 and a second optically nonlinear element 32. The two optically nonlinear elements 31 and 32 can be, for example, ppKTP (periodically poled potassium titanyl phosphate) crystals, as described in the publication “ Microscopy with undetected photons in the mid-infrared” (Kviatkovsky et al., Sci. Adv. 2020; 6: eabd0264, 14 October 2020 ) are described.

In das erste optisch nichtlineare Element 31 werden die Pumpphotonen der Strahlungsquelle 10 eingespeist. Das erste optisch nichtlineare Element 31 kann jedes der Pumpphotonen jeweils in ein Photon P1 erster Art und ein Photon P2 zweiter Art umwandeln und diese in einen ersten Strahlungspfad SP1 und einen zweiten Strahlungspfad SP2 einspeisen, wie dies oben bereits erläutert wurde.The pump photons of the radiation source 10 are fed into the first optically nonlinear element 31. The first optically nonlinear element 31 can convert each of the pump photons into a photon P1 of the first type and a photon P2 of the second type and feed these into a first radiation path SP1 and a second radiation path SP2, as already explained above.

In das zweite optisch nichtlineare Element 32 wird die von dem modulierenden Rückführelement 100 zurückgeführte Strahlung und die mit der ersten Modulationsfrequenz modulierten Photonen erster Art eingestrahlt und das zweite optisch nichtlineare Element 32 führt die optische Interferenz durch. The radiation returned by the modulating feedback element 100 and the photons of the first kind modulated with the first modulation frequency are radiated into the second optically nonlinear element 32 and the second optically nonlinear element 32 carries out the optical interference.

Im Übrigen gelten die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit den 1 und 2 entsprechend.Furthermore, the above statements apply in connection with the 1 and 2 accordingly.

Abschließend sei erwähnt, dass die Merkmale aller oben beschriebenen Ausführungsbeispiele untereinander in beliebiger Weise kombiniert werden können, um weitere andere Ausführungsbeispiele der Erfindung zu bilden.Finally, it should be mentioned that the features of all embodiments described above can be combined with each other in any way to form further other embodiments of the invention.

Auch können alle Merkmale von Unteransprüchen jeweils für sich mit jedem der nebengeordneten Ansprüche kombiniert werden, und zwar jeweils für sich allein oder in beliebiger Kombination mit einem oder mehreren anderen Unteransprüchen, um weitere andere Ausführungsbeispiele zu erhalten.All features of subclaims can also be combined with each of the subordinate claims, either individually or in any combination with one or more other subclaims, in order to obtain further other embodiments.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • Microscopy with undetected photons in the mid-infrared“ (Kviatkovsky et al., Sci. Adv. 2020; 6: eabd0264, 14 October 2020 [0002, 0059]Microscopy with undetected photons in the mid-infrared” (Kviatkovsky et al., Sci. Adv. 2020; 6: eabd0264, 14 October 2020 [0002, 0059]
  • Kviatkovsky et al., Sci. Adv. 2020; 6: eabd0264 14 October 2020 [0033]Kviatkovsky et al., Sci. Adv 2020; 6: eabd0264 October 14, 2020 [0033]

Claims (14)

Optische Anordnung zum Erzeugen eines Messsignals (M) mit - einer kohärenten optischen Strahlungsquelle (10), die geeignet ist, mindestens ein Pumpphoton (Pp) zu emittieren, - einer der Strahlungsquelle (10) nachgeordneten optisch nichtlinearen Einrichtung (30), die das mindestens eine Pumpphoton (Pp) in ein verschränktes Photonenpaar, das ein Photon (P1) erster Art und ein Photon (P2) zweiter Art umfasst, wandeln kann, wobei sich die Wellenlänge des Photons (P1) erster Art von der Wellenlänge des Photons (P2) zweiter Art unterscheidet, - einem der nichtlinearen Einrichtung (30) nachgeordneten Strahlteiler (40), der das Photon (P1) erster Art, sofern es erzeugt worden ist, auf einem ersten Strahlungspfad (SP1) ausgibt und das Photon (P2) zweiter Art, sofern es erzeugt worden ist, auf einem zweiten Strahlungspfad (SP2) oder alternativ das Pumpphoton (Pp) auf dem zweiten Strahlungspfad (SP2) ausgibt, - einem dem ersten Strahlungspfad (SP1) zugeordneten und bei Betrieb der Anordnung mit einer ersten Schwingungsfrequenz (f1) mechanisch schwingenden Sensorelement (50), das von dem Photon (P1) erster Art, sofern es erzeugt worden ist, bestrahlt wird und im Falle einer Bestrahlung eine sensorumgebungsabhängige Modulation des Photons (P1) erster Art unter Bildung eines mit der ersten Schwingungsfrequenz (f1) beeinflussten Photons (P1') erster Art bewirkt, - einem dem zweiten Strahlungspfad (SP2) zugeordneten und bei Betrieb der Anordnung mit einer zweiten Schwingungsfrequenz (f2) modulierenden Rückführelement (100), das einfallende Strahlung zu der optisch nichtlinearen Einrichtung (30) zurückführt, wobei die erste und zweite Schwingungsfrequenz (f1, f2) nicht-kommensurabel sind, und - wobei die optisch nichtlineare Einrichtung (30) dem mit der ersten Schwingungsfrequenz (f1) modulierten Photon (P1') und der vom modulierenden Rückführelement (100) zurückgeführten Strahlung eine nichtlineare Interferenz unter Bildung eines mit der ersten und zweiten Schwingungsfrequenz (f1, f2) modulierten Photons (P2") zweiter Art ermöglicht und - wobei eine Messeinrichtung (200) der Anordnung das mit der ersten und zweiten Schwingungsfrequenz (f1, f2) modulierte Photon (P2") zweiter Art detektieren und unter Bildung des Messsignals (M) auswerten kann.Optical arrangement for generating a measurement signal (M) with - a coherent optical radiation source (10) which is suitable for emitting at least one pump photon (Pp), - an optically non-linear device (30) arranged downstream of the radiation source (10) which can convert the at least one pump photon (Pp) into an entangled photon pair comprising a photon (P1) of the first type and a photon (P2) of the second type, wherein the wavelength of the photon (P1) of the first type differs from the wavelength of the photon (P2) of the second type, - a beam splitter (40) arranged downstream of the non-linear device (30) which outputs the photon (P1) of the first type, if it has been generated, on a first radiation path (SP1) and the photon (P2) of the second type, if it has been generated, on a second radiation path (SP2) or alternatively the pump photon (Pp) on the second radiation path (SP2), - a sensor element (50) assigned to the first radiation path (SP1) and mechanically oscillating at a first oscillation frequency (f1) when the arrangement is in operation, which is irradiated by the photon (P1) of the first type, if it has been generated, and in the event of irradiation causes a modulation of the photon (P1) of the first type depending on the sensor environment, forming a photon (P1') of the first type influenced by the first oscillation frequency (f1), - a feedback element (100) assigned to the second radiation path (SP2) and modulating at a second oscillation frequency (f2) when the arrangement is in operation, which returns incident radiation to the optically nonlinear device (30), the first and second oscillation frequencies (f1, f2) being non-commensurate, and - the optically nonlinear device (30) is assigned to the photon (P1') modulated at the first oscillation frequency (f1) and the modulating feedback element (100) enables non-linear interference to form a photon (P2") of the second type modulated with the first and second oscillation frequencies (f1, f2) and - wherein a measuring device (200) of the arrangement can detect the photon (P2") of the second type modulated with the first and second oscillation frequencies (f1, f2) and evaluate it to form the measuring signal (M). Optische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die nichtlineare Interferenz eine Intensität I des mit der ersten und zweiten Schwingungsfrequenz (f1, f2) modulierten Photons (P2") zweiter Art liefert, die sich ergibt gemäß: I = ( Es ( f1 ) + Eref ( f2 ) ) 2 = ( Enf ( f1 ) + Ebg + Eref ( f2 ) ) 2 = Enf ( f1 ) 2 + Ebg 2 + Eref ( f2 ) 2 + 2 Enf ( f1 ) Eref ( f2 ) + 2 Enf ( f1 ) Eref ( f2 ) + 2 Ebg Eref ( f2 )
Figure DE102023108849A1_0007
mit Es = Enf + Ebg
Figure DE102023108849A1_0008
- wobei Es das Feld des mit der ersten Schwingungsfrequenz (f1) modulierten Photons (P1') erster Art beschreibt, wobei das Feld Es einen von der ersten Schwingungsfrequenz (f1) beeinflussten Nahfeldsignalanteil Enf und einen von der ersten Schwingungsfrequenz (f1) weniger oder gar nicht beeinflussten Hintergrundsignalanteil Ebg enthält, und - wobei Eref das Feld eines mit der zweiten Schwingungsfrequenz (f2) modulierten Photons (P2") zweiter Art beschreibt, das die optisch nichtlineare Einrichtung (30) aus der vom modulierenden Rückführelement (100) kommenden und mit der zweiten Schwingungsfrequenz (f2) modulierten Strahlung bilden kann.
Optical arrangement according to claim 1 , characterized in that the non-linear interference provides an intensity I of the photon (P2") of the second kind modulated with the first and second oscillation frequencies (f1, f2), which is obtained according to: I = ( It ( f1 ) + Eref ( f2 ) ) 2 = ( Enf ( f1 ) + Ebg + Eref ( f2 ) ) 2 = Enf ( f1 ) 2 + Ebg 2 + Eref ( f2 ) 2 + 2 Enf ( f1 ) Eref ( f2 ) + 2 Enf ( f1 ) Eref ( f2 ) + 2 Ebg Eref ( f2 )
Figure DE102023108849A1_0007
with Es = Enf + Ebg
Figure DE102023108849A1_0008
- where Es describes the field of the photon (P1') of the first type modulated with the first oscillation frequency (f1), the field Es containing a near-field signal component Enf influenced by the first oscillation frequency (f1) and a background signal component Ebg less or not at all influenced by the first oscillation frequency (f1), and - where Eref describes the field of a photon (P2") of the second type modulated with the second oscillation frequency (f2), which the optically nonlinear device (30) can form from the radiation coming from the modulating feedback element (100) and modulated with the second oscillation frequency (f2).
Optische Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (200) einen Detektor (220) umfasst, der das mit der ersten und zweiten Schwingungsfrequenz (f1, f2) modulierte Photon (P2") zweiter Art unter Bildung eines Detektionssignals (DS) detektiert.Optical arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the measuring device (200) comprises a detector (220) which detects the photon (P2") of the second type modulated with the first and second oscillation frequencies (f1, f2) to form a detection signal (DS). Optische Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (200) eine dem Detektor (220) nachgeordnete Auswerteinrichtung (230) umfasst, die von dem Detektionssignal (DS) lediglich denjenigen Signalanteil auswertet, der sowohl die erste Schwingungsfrequenz (f1) als auch die zweite Schwingungsfrequenz (f2) enthält.Optical arrangement according to claim 3 , characterized in that the measuring device (200) comprises an evaluation device (230) arranged downstream of the detector (220), which evaluates only that signal component of the detection signal (DS) which contains both the first oscillation frequency (f1) and the second oscillation frequency (f2). Optische Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteinrichtung (230) lediglich den Signalanteil des Detektionssignals (DS) auswertet, der vorgegebenen Summenfrequenzen oder Differenzfrequenzen entspricht gemäß fsum = n f1 + m f2
Figure DE102023108849A1_0009
wobei fsum die Summenfrequenz oder Differenzfrequenz, f1 die erste Schwingungsfrequenz (f1) und f2 die zweite Schwingungsfrequenz (f2) bezeichnet und n eine beliebige natürliche Zahl und m eine beliebige ganze Zahl ist.
Optical arrangement according to claim 4 , characterized in that the evaluation device (230) evaluates only the signal portion of the detection signal (DS) which corresponds to the predetermined sum frequencies or difference frequencies according to fsum = n f1 + m f2
Figure DE102023108849A1_0009
where fsum is the sum frequency or difference frequency, f1 is the first oscillation frequency (f1) and f2 is the second oscillation frequency (f2) and n is any natural number and m is any integer.
Optische Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (200) ein dispersives Spektrometer ist und das Messsignal (M) die jeweilige Wellenlänge des empfangenen Photons (P2") zweiter Art anzeigt.Optical arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the measuring device (200) is a dispersive spectrometer and the measuring signal (M) is the respective wavelength of the received photon (P2") of the second kind. Optische Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (200) bzw. das Spektrometer ein wellenlängenabhängiges Gitter (210) und einen dem Gitter (210) zugeordneten Multipixeldetektor (220) umfasst, dessen Pixel jeweils einer Wellenlänge der empfangenen Photonen (P2") zugeordnet sind.Optical arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the measuring device (200) or the spectrometer comprises a wavelength-dependent grating (210) and a multipixel detector (220) assigned to the grating (210), the pixels of which are each assigned to a wavelength of the received photons (P2"). Optische Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die kohärente optische Strahlungsquelle (10) dazu ausgestaltet ist, einen Strom an Pumpphotonen (Pp) zu emittieren, die in der Wellenlänge variieren, und - die Messeinrichtung (200) das Messsignal (M) als Funktion der Wellenlänge der jeweils detektierten Photonen (P2") zweiter Art ausgibt.Optical arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that - the coherent optical radiation source (10) is designed to emit a stream of pump photons (Pp) which vary in wavelength, and - the measuring device (200) outputs the measuring signal (M) as a function of the wavelength of the respectively detected photons (P2") of the second type. Optische Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die optisch nichtlineare Einrichtung (30) ein optisch nichtlineares Element aufweist, in das das mindestens eine Pumpphoton (Pp) der Strahlungsquelle (10), die von dem modulierenden Rückführelement (100) zurückgeführte Strahlung und das mit der ersten Frequenz modulierte Photon (P1') erster Art, sofern es erzeugt worden ist, eingestrahlt werden, und - das genannte optisch nichtlineare Element die optische Interferenz durchführt.Optical arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that - the optically non-linear device (30) has an optically non-linear element into which the at least one pump photon (Pp) of the radiation source (10), the radiation returned by the modulating feedback element (100) and the photon (P1') of the first type modulated with the first frequency, if it has been generated, are radiated, and - said optically non-linear element carries out the optical interference. Optische Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass - die optisch nichtlineare Einrichtung (30) ein erstes optisch nichtlineares Element (31) und ein zweites optisch nichtlineares Element (32) aufweist, - wobei in das erste optisch nichtlineare Element (31) das Pumpphoton (Pp) der Strahlungsquelle (10) eingespeist wird und - in das zweite optisch nichtlineare Element (32) die von dem modulierenden Rückführelement (100) zurückgeführte Strahlung und das mit der ersten Schwingungsfrequenz (f1) modulierte Photon (P1') erster Art eingestrahlt werden und das zweite optisch nichtlineare Element die optische Interferenz durchführt.Optical arrangement according to one of the preceding Claims 1 until 8 , characterized in that - the optically nonlinear device (30) has a first optically nonlinear element (31) and a second optically nonlinear element (32), - the pump photon (Pp) of the radiation source (10) is fed into the first optically nonlinear element (31) and - the radiation fed back by the modulating feedback element (100) and the photon (P1') of the first type modulated with the first oscillation frequency (f1) are radiated into the second optically nonlinear element (32) and the second optically nonlinear element carries out the optical interference. Optische Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - eine erste Schwingungseinrichtung (60) vorhanden ist, mit der die erste Schwingungsfrequenz (f1) erzeugt und das Sensorelement (50) zum Schwingen angeregt wird, und - eine zweite Schwingungseinrichtung (102) vorhanden ist, mit der die zweite Schwingungsfrequenz (f2) erzeugt und das Rückführelement (100) zum Modulieren angeregt wird. Optical arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that - a first oscillation device (60) is provided, with which the first oscillation frequency (f1) is generated and the sensor element (50) is excited to oscillate, and - a second oscillation device (102) is provided, with which the second oscillation frequency (f2) is generated and the feedback element (100) is excited to modulate. Optische Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (50) nadelförmig entlang einer Längsrichtung (L) spitz zuläuft und das Sensorelement (50) zum Schwingen entlang der Längsrichtung (L) mit der ersten Schwingungsfrequenz (f1) angeregt wird.Optical arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor element (50) tapers in a needle-like manner along a longitudinal direction (L) and the sensor element (50) is excited to oscillate along the longitudinal direction (L) at the first oscillation frequency (f1). Optische Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - das modulierende Rückführelement (100) zumindest zweiteilig ist und eine Modulatoreinheit (102) und eine von der Modulatoreinheit separate Rückführeinheit (101) umfasst oder - das modulierende Rückführelement (100) einteilig ist und die Modulatorfunktion in die Rückführeinheit integriert ist.Optical arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that - the modulating feedback element (100) is at least two-part and comprises a modulator unit (102) and a feedback unit (101) separate from the modulator unit or - the modulating feedback element (100) is one-part and the modulator function is integrated into the feedback unit. Verfahren zum Erzeugen eines Messsignals (M), beispielsweise unter Einbezug einer Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei bei dem Verfahren - mit einer kohärenten optischen Strahlungsquelle (10) mindestens ein Pumpphoton (Pp) emittiert wird, - das Pumpphoton (Pp) in eine der Strahlungsquelle (10) nachgeordnete optisch nichtlineare Einrichtung (30) eingespeist wird, die das mindestens eine Pumpphoton (Pp) in ein verschränktes Photonenpaar, das ein Photon (P1) erster Art und ein Photon (P2) zweiter Art umfasst, wandeln kann, wobei sich die Wellenlänge des Photons (P1) erster Art von der Wellenlänge des Photons (P2) zweiter Art unterscheidet, - das Photon (P1) erster Art, sofern es erzeugt worden ist, auf einem ersten Strahlungspfad (SP1) ausgegeben wird und das Photon (P2) zweiter Art, sofern es erzeugt worden ist, auf einem zweiten Strahlungspfad (SP2) oder alternativ das Pumpphoton (Pp) auf dem zweiten Strahlungspfad (SP2) ausgegeben wird, - ein mit einer ersten Schwingungsfrequenz (f1) mechanisch schwingendes Sensorelement (50) mit dem Photon (P1) erster Art, sofern es erzeugt worden ist, bestrahlt wird und im Falle einer Bestrahlung eine sensorumgebungsabhängige Modulation des Photons (P1) erster Art unter Bildung eines mit der ersten Schwingungsfrequenz (f1) modulierten Photons (P1') erster Art bewirkt wird, - die Strahlung des zweiten Strahlungspfads (SP2) mit einem mit einer zweiten Schwingungsfrequenz (f2) modulierenden Rückführelement (100) moduliert und zu der optisch nichtlinearen Einrichtung (30) zurückgeführt wird, wobei die erste und zweite Schwingungsfrequenz (f1, f2) nicht-kommensurabel sind, - die optisch nichtlineare Einrichtung (30) dem mit der ersten Schwingungsfrequenz (f1) modulierten Photon (P1') und der vom modulierenden Rückführelement (100) zurückgeführten Strahlung eine nichtlineare Interferenz unter Bildung eines mit der ersten und zweiten Schwingungsfrequenz (f1, f2) modulierten Photons (P2") zweiter Art ermöglicht und - das mit der ersten und zweiten Schwingungsfrequenz (f1, f2) modulierte Photon (P2") zweiter Art detektiert und unter Bildung des Messsignals (M) ausgewertet wird.Method for generating a measurement signal (M), for example using an arrangement according to one of the preceding claims, wherein in the method - at least one pump photon (Pp) is emitted with a coherent optical radiation source (10), - the pump photon (Pp) is fed into an optically non-linear device (30) arranged downstream of the radiation source (10), which can convert the at least one pump photon (Pp) into an entangled photon pair comprising a photon (P1) of the first type and a photon (P2) of the second type, wherein the wavelength of the photon (P1) of the first type differs from the wavelength of the photon (P2) of the second type, - the photon (P1) of the first type, if it has been generated, is output on a first radiation path (SP1) and the photon (P2) of the second type, if it has been generated, on a second radiation path (SP2) or alternatively the pump photon (Pp) on the second radiation path (SP2) is output, - a sensor element (50) mechanically oscillating at a first oscillation frequency (f1) is irradiated with the photon (P1) of the first type, if it has been generated, and in the case of irradiation, a sensor-environment-dependent modulation of the photon (P1) of the first type is brought about to form a photon (P1') of the first type modulated with the first oscillation frequency (f1), - the radiation of the second radiation path (SP2) is modulated with a feedback element (100) modulating with a second oscillation frequency (f2) and is fed back to the optically nonlinear device (30), wherein the first and second oscillation frequencies (f1, f2) are non-commensurate - the optically non-linear device (30) enables the photon (P1') modulated with the first oscillation frequency (f1) and the radiation returned from the modulating feedback element (100) to undergo non-linear interference to form a photon (P2") of the second type modulated with the first and second oscillation frequencies (f1, f2), and - the photon (P2") of the second type modulated with the first and second oscillation frequencies (f1, f2) is detected and evaluated to form the measurement signal (M).
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