用于成像和材料分析的激光器系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】THz量子級聯(lián)激光器用于通過向目標引導來自激光器的第一激光輻射射束以由此通過第一射束與目標的相互作用產(chǎn)生第二激光輻射射束來研究目標。第一和第二射束的自混合發(fā)生在激光器內(nèi)并且引起信號中諸如激光器的工作電壓的變化。改變影響第一射束與目標的相互作用的激光器的工作參數(shù)。監(jiān)測并且處理工作電壓以確定與目標的材料性質相關聯(lián)的相位和幅度變化。因此，在一個實施例中，本發(fā)明提供將信號中的變化處理以產(chǎn)生目標的各種圖像。
【專利說明】
用于成像和材料分析的激光器系統(tǒng)
技術領域
[0001 ]本發(fā)明設及用于材料分析和成像的基于激光的方法和系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002] 對于現(xiàn)有技術的方法、裝置或者文件的任何引用都不看作構成它們曾經(jīng)形成或者 現(xiàn)在形成公知常識的一部分的任何證據(jù)或者承認。
[0003] 在過去二十年里已經(jīng)在實現(xiàn)成像和材料分析系統(tǒng)中投入大量的科學努力。該努力 的一個結果是太赫茲時域光譜儀(TDS)已經(jīng)將其自身確立為用于W太赫茲頻率相干地探測 固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)系統(tǒng)的重要工具。由于THz TDS相干地并且W亞皮秒級分辨率分辨寬帶 ??ζ脈沖的電場幅度的本征能力W及其對熱背景福射的不靈敏性，因此THz TDS成功的關鍵 是其在大到ΙΟΟ??ζ的帶寬上測量樣品的復折射率的能力。然而，??ζ TDS系統(tǒng)通常具有實際 上僅在~3??ζΚ下有用的信噪比（SNR)。此外，它們的光譜分辨率典型地限于不比~5GHz好 (在高帶寬系統(tǒng)中更差），W及它們被限制于通常使用的光累光電導發(fā)射器的數(shù)量級為10- lOOyW的低THz功率。另外，光譜數(shù)據(jù)獲取很慢并且技術依賴笨重并且昂貴的超快激光源W 生成THz福射并且對THz福射進行相干檢測。
[0004] 近來，??ζ量子級聯(lián)激光器(Q化)已經(jīng)作為在頻率范圍~1-5??Ζ中建立的高功率福 射的實驗室源而出現(xiàn)。已經(jīng)顯示THz Q化呈現(xiàn)具有量子限制的線寬的顯著光譜純度，使它們 理想地適合于相干THz系統(tǒng)。但是，由于相干地檢測來自運種源的發(fā)射的挑戰(zhàn)，所W大多數(shù) 系統(tǒng)開發(fā)已經(jīng)集中在用W成像和材料分析的非相干方式上。然而，相干檢測方案已經(jīng)允許 分辨THz場的相位和/或頻率。通過利用從氣體激光器得到的本機振蕩器與自由運行QCL之 間的外差混頻，已經(jīng)報告了高分辨率的頻率分辨氣體光譜儀。使用外差方式的相敏檢測也 已經(jīng)能夠相干逆合成孔徑雷達成像。然而，外差系統(tǒng)通常因它們是復雜并且笨重的缺點而 受到困擾。
[0005] 本發(fā)明的一個目的是提供基于激光的成像或者遠程材料感測系統(tǒng)，其是前述現(xiàn)有 技術的系統(tǒng)的改進或者至少是有用替換。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了用于研究目標的方法，方法包括下列步驟：
[0007] 向目標引導來自激光器的第一福射射束W由此通過第一射束與所述目標的相互 作用產(chǎn)生第二激光福射射束，其中第一和第二射束的自混合在激光器內(nèi)發(fā)生；
[0008] 改變影響第一射束與目標的相互作用的參數(shù)；
[0009] 檢測由自混合產(chǎn)生的信號；W及
[0010] 處理信號W由此確定與目標的材料性質相關聯(lián)的相位和幅度變化。
[0011] 激光器優(yōu)選地包括量子級聯(lián)激光器(Q化）。
[0012] 替換地，激光器可W包括下列中的任何一個：
[oou]帶間量子級聯(lián)（ια)激光器;或者
[0014] 氮氛氣體激光器;或者
[0015] 二氧化碳激光器;或者
[0016] 光累光纖激光器。
[0017] 激光器優(yōu)選地被布置為在太赫茲(??ζ)頻帶中工作。替換地，激光器可W被布置為 在另一個頻帶(諸如紅外頻帶）中工作。
[0018] 檢測信號的步驟優(yōu)選地設及測量激光器的端子兩端的電信號。
[0019] 改變第一激光福射射束的參數(shù)的步驟優(yōu)選地包括對電流施加調制W驅動激光器。
[0020] 調制優(yōu)選地包括激光射束頻率的連續(xù)波頻率調制。例如，在本發(fā)明優(yōu)選實施例中， 調制包括將調制銀齒形電流信號疊加到半導體激光器的dc電流供應上。
[0021] 在本發(fā)明優(yōu)選實施例中，處理信號的步驟包括檢測與由第一射束與目標的相互作 用賦予的相移相關聯(lián)的信號波形的第一類型變化。例如，波形的第一類型變化可W包括波 形的相移。
[0022] 處理信號的步驟還優(yōu)選地包括檢測與由第一射束與目標的相互作用賦予的衰減 相關聯(lián)的信號波形的第二類型變化。例如，第二類型變化可W包括波形波峰的變窄或者加 寬或者波形幅度的變化。
[0023] 在本發(fā)明的替換實施例中，改變參數(shù)的步驟可W包括相對于第一激光福射射束的 源縱向地移動目標。
[0024] 方法可W包括處理信號W由此確定與目標的材料性質相關聯(lián)的相位和幅度變化 W得到目標的折射率(η)和消光系數(shù)化)。
[0025] 在方法包括處理信號W確定目標的折射率(η)和消光系數(shù)化)的情況下，方法還將 優(yōu)選地設及使得第一激光福射射束與目標的具有已知性質的一部分相互作用。
[0026] 方法優(yōu)選地包括使激光器自混合的數(shù)學模型與目標的多個位置中的每一個的數(shù) 據(jù)擬合W獲得針對位置中的每一個的一組參數(shù)值。
[0027] 方法可W包括應用來自目標所述部分的兩個材料的η和k的已知值W由此得到目 標的第Ξ材料的η和k，第Ξ材料是測試中的材料。
[00%]方法可W包括通過相對于激光器移動目標機械地掃描目標W由此根據(jù)目標位置 感測目標性質的變化。
[0029] 方法可W包括處理所感測的目標性質的變化W產(chǎn)生目標的圖像。
[0030] 在本發(fā)明優(yōu)選實施例中，方法包括在機械掃描期間測量多個位置中的每一個處的 信號中的變化。
[0031] 方法優(yōu)選地包括從所述測量中的每一個消除激光器的功率調制的影響。例如，消 除功率調制的影響的步驟可W包括從位置中的每一個處進行的測量減去基準斜坡。
[0032] 在本發(fā)明優(yōu)選實施例中，可W進行測量W避免激光器的調制周期的邊沿處的瞬態(tài) 影響。
[0033] 例如，方法可W包括僅處理每個掃描位置處的信號的每個周期的中央部分。
[0034] 在本發(fā)明優(yōu)選實施例中，方法包括確定每個位置處的目標的反射系數(shù)。
[0035] 確定反射系數(shù)的步驟可W基于信號的絕對值隨時間的積分。
[0036] 方法可W包括通過使信號的時域軌跡與激光器反饋自混合的數(shù)學模型擬合產(chǎn)生 來自目標的圖像W由此計算模型的反饋參數(shù)中的變化，其中通過繪制多個所述位置中的每 一個的反饋參數(shù)生成圖像。
[0037]根據(jù)本發(fā)明另外的實施例，提供了一種用于研究目標的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：
[003引激光器；
[0039] 目標組件，其被布置為使來自激光器的射束在與所述組件的目標相互作用之后返 回至激光器；
[0040] 數(shù)據(jù)獲取組件，其響應于激光器的電氣端子;W及
[0041 ]計算設備，其響應于數(shù)據(jù)獲取組件，其中計算設備被編程為確定與目標相關聯(lián)并 且通過與目標的相互作用賦予到射束上的相位和幅度變化。
[0042] 優(yōu)選地激光器在計算設備的控制下，該計算設備用于操作激光器和改變激光器工 作參數(shù)。
[0043] 系統(tǒng)還優(yōu)選地包括平移組件，其被布置為賦予激光器與目標之間的相對運動。
[0044] 在本發(fā)明優(yōu)選實施例中，平移組件包括在計算設備的控制下的一個或者多個致動 器，其中計算設備被編程為操作平移組件W用于在目標的多個位置中的每一個處獲取數(shù) 據(jù)。
[0045] 根據(jù)本發(fā)明另外的方面，提供了包括介質（例如光學、磁性或者固態(tài)數(shù)據(jù)存儲設 備)的計算機軟件產(chǎn)品，該介質承載有形機器可讀指令用于電子處理器W :
[0046] 操作激光器W向目標組件引導激光射束；
[0047] 獲取作為激光射束與其從目標組件的反射的自混合的函數(shù)的電氣數(shù)據(jù)；W及
[0048] 基于所獲取的電氣數(shù)據(jù)確定目標組件的目標部分的相位和幅度變化性質。
【附圖說明】
[0049] 可W從下列詳細說明領悟出本發(fā)明的優(yōu)選特征、實施例和變型，下列詳細說明為 本領域技術人員提供充分信息W執(zhí)行本發(fā)明。詳細說明將不被看作W任何方式對前述發(fā)明 內(nèi)容范圍進行限制。詳細說明將參考如下多個附圖：
[0050] 圖1A是示出根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的強度和頻率調制的自混合激光干設儀的示 意圖。
[0051] 圖1B是通過作為時間函數(shù)的激光器端子電壓的變化觀察的自混合信號的圖示，其 中虛線表示基準斜坡并且實線表示由于自混合的典型電壓信號。
[0052] 圖1C是示出目標的漸增折射率η的影響的自混合信號的單個周期T的圖示。波形隨 著η的漸增而變窄，并且波峰移至稍后時間。
[0053] 圖1D是示出主要將波形平移至稍后時間的目標的漸增消光系數(shù)k的影響的自混合 信號的單個周期T的圖示。
[0054] 圖2A是施加至圖2C的QCL的電流激勵信號的圖示。電流范圍被選擇為使激光器頻 率掃過激光對光學反饋最敏感的區(qū)域中的Ξ個外部空腔諧振。
[0055] 圖2B是與圖2A的圖示相對應的圖示，不過是在激光器端子兩端測量的電壓信號的 圖示。為了例示性目的，已經(jīng)將自混合信號的幅度增大了十倍。
[0056] 圖2C描繪了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例用于對反射目標成像的系統(tǒng)，其中QCL由銀齒 形電流信號驅動并且使用基于PC的數(shù)據(jù)獲取卡(ADC)獲取QCL端子電壓變化。一對拋物面鏡 將射束聚焦到包括遠程目標的遠程目標組件上，該遠程目標包含測試中的材料，該遠程目 標組件安裝在計算機控制的平移平臺上。
[0057] 圖2D描繪了適合于分析光透射樣品的圖2C的系統(tǒng)的版本。在圖2D中，使用平面鏡 4化代替圖2C中的拋物面反射器42。
[0058] 圖3A是在解釋系統(tǒng)的使用期間討論的圖2C的目標的前表面的照片。Ξ個圓形區(qū)域 是嵌入侶保持器中的測試中的材料，即PA6PVC和P0M。
[0059] 圖3B是沿著圖3A中的表示線70獲取的時域自混合信號的二維表示，各自示出了 Ξ 個條紋。垂直軸表示信號的時間演進，而水平軸示出了它們的空間依賴性。
[0060] 圖3C示出了類幅度圖像，其中偽彩色繪圖表示時域軌跡相對于基準斜坡之間的有 效集合差。
[0061] 圖3D示出了類相位圖像，其中偽彩色繪圖基于自混合信號的代表波峰相對于調制 波形的邊沿的時間位置。
[0062] 圖3E描繪了每個材料的目標上的一個空間像素的代表性時域波形(實線）與相應 的模型擬合(虛線）。已經(jīng)刪除了共同基準斜坡。
[0063] 具體實施例方式
[0064] 本發(fā)明的優(yōu)選實施例包括用于W反射模式使用THz Q化反饋干設儀2進行相干成 像和材料分析的方法。該方案的核屯、是W下實現(xiàn):從外部目標10返回的發(fā)射的THz福射的部 分14在重新注入激光器空腔5中時產(chǎn)生關于遠程目標的幅度和相位變化性質兩者的信息， 運些信息可W通過激光器工作參數(shù)的變化辨別。使用該方案，發(fā)明人利用最小信號處理同 時獲得二維類幅度圖像和類相位圖像，二維類幅度圖像和類相位圖像分別地指示吸收中的 折射率分布和變化。發(fā)明人證明該相干檢測方法使得能提取測試中的材料的折射率和吸收 系數(shù)。本發(fā)明優(yōu)選實施例的關鍵是實現(xiàn)允許對由QCL源發(fā)射的THz場進行相敏檢測的THz掃 頻延遲自零差Γ自混合"）方案。與相位穩(wěn)定性一樣，使用QCL作為THz源提供了高輸出功率 光譜密度的好處、優(yōu)于TDS幾個數(shù)量級的光譜分辨率W及高速測量的可能性。
[0065] 在圖la中示出了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的自混合干設儀的基本結構和工作原 理。重新注入的光14與空腔內(nèi)電場相干設Γ自混合"），引起基本激光器參數(shù)(包括闊值增 益、發(fā)射功率、激光光譜和激光器端子電壓）中的小變化。
[0066] 干設儀包括激光器3,該激光器3可W例如是并且不限于量子級聯(lián)激光器(Q化）、帶 間級聯(lián)激光器（I化）、氮氛激光器、二氧化碳激光器或者光累光纖激光器。如將從本發(fā)明的 優(yōu)選實施例的隨后討論理解的，還可W使用其它類型的激光器（只要它們具有足夠低的相 位噪聲）。
[0067] 無論使用哪種特定類型的激光器，激光器都包括增益介質，該增益介質夾在兩個 鏡4、6之間并且具有位于距目標10外部距離Lextl3的出射面8。在使用中，激光器發(fā)射第一激 光射束12,該第一激光射束12W第二返回射束14的形式從目標10返回至激光器。由于射束 與目標10(或者此處有時稱之為"樣品"）相互作用，所W目標賦予由于其材料性質而導致的 相位和幅度變化。因此，第二返回射束14具有與發(fā)射射束12不同的相位和幅度。返回射束14 與發(fā)射射束12在激光器3的增益介質中相互作用，從而引起"自混合"，運引起激光器工作參 數(shù)中的可測量變化。
[0068] 上面的解釋著重于發(fā)射激光射束與目標相互作用的射線模型，并且圖1A示出了彼 此位移距離d的發(fā)射射束12和返回射束14。本領域技術人員將意識到運是出于解釋性目的 的約定，而發(fā)射射束和返回射束實際上并沒有位移，而是共線并且它們在目標與激光器之 間產(chǎn)生駐波。
[0069] 雖然光學反饋影響幾乎所有的激光器參數(shù)，但是最方便監(jiān)測的兩個參數(shù)是發(fā)射的 光學功率和激光器端子兩端的電壓。在運些中，優(yōu)選地監(jiān)測激光器端子電壓，因為運消除了 對外部太赫茲檢測器的需要。小電壓變化(稱為"自混合信號"）取決于反射激光射束的電場 的幅度和相位兩者。因此，該配置創(chuàng)建可W探測關于外部目標的復反射率或者復折射率的 信息的緊湊的相干傳感器。
[0070] 自混合方案的零差(相干)本性固有地提供在量子噪聲極限處可能的非常高靈敏 度的檢測，并且因此可W在自混合信號中預期高信噪比。此外，對光學反饋的最大響應速度 由激光器本身中的弛豫振蕩的頻率確定。在THz Q化的情況下，激光躍遷的高能態(tài)壽命由彈 性和非彈性散射機制限制到幾皮秒，使得響應頻率能夠處于幾十G化的數(shù)量級。
[0071] 發(fā)明人使用Ξ鏡模型描述處于反饋下的激光器系統(tǒng)，該激光器系統(tǒng)相當于由Lang 和kobayashi提出的模型的穩(wěn)態(tài)解。在該模型中，僅考慮外部空腔中的一個往返行程。外部 空腔中的相移由因光學路徑長度引起的透射相移W及來自目標的反射的相位變化構成。目 標的反射率連同反射的相位變化一起形成相當于目標的復折射率的復數(shù)對。
[0072] 當外部目標縱向地位移時，激光器系統(tǒng)掃過一組復合空腔諧振。可W通過改變激 光器頻率獲得相同效果，運在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中通過對激光器驅動電流施加線性調制 來完成。該電流掃描的主要作用是對發(fā)射的激光功率和激光器端子兩端產(chǎn)生的電壓兩者進 行調制。在此具有最重要性的次要作用是激光頻率隨著電流的線性變化(頻率調嗽）。該方 式本質上構成連續(xù)波(CW)頻率調制系統(tǒng)W用于相干地探測遠程目標。在頻率掃描期間，自 混合信號被觀察為嵌入在調制電壓信號22中的一組周期擾動(參見圖lb)。自混合信號波形 24的波峰之間的時間間隔W及其形狀和相位取決于外部空腔的長度和目標的復反射率。運 在圖Ic和Id中進行了圖示，其考慮去掉線性斜坡26的自混合波形的一個周期27(在圖1B中 標識出）。圖Ic示出了漸增的復折射率的實部η的影響，主要導致波形由于更強反饋而變窄 28。另一方面，如圖Id所示，復折射率的虛部(消光系數(shù))k的增大主要產(chǎn)生波形的相移30,同 時使得波形的形狀不變。該影響主要歸因于k與反射的相移之間的強烈聯(lián)系。
[0073] 因此，通過分析自混合波形的形狀和相位，可W推導出目標的復反射率。通過Lang 和kobayashi模型公知的穩(wěn)態(tài)解適當?shù)孛枋鲫P于η和k的信息影響自混合信號的方式。具體 地，關于目標的復折射率的信息通過反饋參數(shù)C、有效外部空腔長度Lext和反射的相位變化R 輸入Lang和kobayashi模型。
[0074] 本發(fā)明的實施例同樣可適用于提取測試中的材料的η和k的值，W及跨越目標的運 些量的空間變化的高對比度成像。
[0075] 將參考定制設計的復合目標對本發(fā)明的優(yōu)選實施例的示例進行描述，該復合目標 由直徑1英寸的侶圓柱體構成，該圓柱體具有包括不同塑料的Ξ個圓柱孔，即聚甲醒(P0M， 也稱為乙縮醒）、聚氯乙締(PVC)和尼龍6(PA6,也稱為聚己內(nèi)酷胺）。還表征了包括塑料聚碳 酸醋(PC)的另外的目標W及高密度聚乙締化DPE和皿PE黑）的兩個樣品。
[0076] 在圖2c中示出了所使用的實驗裝置的示意圖。??ζ Q化36(在2.59THZ工作）由處 理成尺寸為1.78mmX 140]im的半絕緣表面等離子體脊形波導的11.6皿厚的GaAs/AlGaAs束 縛到連續(xù)有源區(qū)域構成(參見方法）dQCL安裝到連續(xù)流低溫恒溫器的冷指上，該連續(xù)流低溫 恒溫器裝有聚乙締窗口 38并且在15K的散熱器溫度Wcw模式工作。使用2英寸直徑、4英寸焦 距的離軸拋物面反射器40使得來自QCL的福射準直并且使用第二相同鏡42將該福射聚焦到 目標上。源與對象之間穿過環(huán)境(未凈化)大氣的總光學路徑是568.2mm。
[0077] 在圖2C和2D中，對信號發(fā)生器62的調制輸入標記為62b。發(fā)送至計算機64的自混合 信號標記為66b。發(fā)送至溫度控制器58的溫度設定標記為58b。承載用于計算機64W實現(xiàn)根 據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的方法的指令的光盤、磁盤或者固態(tài)盤標記為64b。
[0078] 激光器36由電流源在Idc = 0.43A(稍微高于對光學反饋的靈敏度最大的闊值（Ith = 0.4A))W激光器驅動器60的形式被驅動。圖2a中圖示的具有50mA峰峰幅度的調制銀齒形 電流信號32疊加在dc電流上。運引起600MHz的線性頻率掃描。由于來自測試中的材料的光 學反饋，包括關于目標的信息的自混合波形嵌入電壓信號34(圖化中圖示的）中，在激光器 端子61a和6化兩端測量該電壓信號34并且該電壓信號34由ADC 66數(shù)字化W用于傳送至計 算機64并且用于后續(xù)處理。為了圖像獲取，使用雙軸計算機可控制的平移平臺48在兩個維 度上對由目標組件45支持的目標樣品46進行光柵掃描(參見圖3曰，目標46前表面的圖像）。 平移平臺48包括響應于線路43上來自WPC 64形式的計算設備的控制信號的致動器。對準 反饋信號在線路45上從平移平臺48傳送回PC 64 W幫助PC精確地定位目標。在多個位置中 的每一個處（即，在疊加在具有100皿空間分辨率的目標上的181 X 181方形網(wǎng)格的每個節(jié)點 處)獲取時域軌跡。對于目標的每個空間像素，電壓信號記錄為128個時域軌跡的平均。
[0079] 因此，整組實驗數(shù)據(jù)包含181X181個時域波形，各自與目標上的一個空間像素相 對應。
[0080] 本發(fā)明的實施例包括至少兩個處理程序。第一，可W通過處理自混合信號創(chuàng)建高 對比度THz圖像的范圍。第二，可W提取目標上任何區(qū)域的η和k的絕對值，條件是在目標上 的兩個其它位置處已知η和k的精確值。
[00川成像
[0082] 為了獲得高對比度THz圖像，第一步為取得每個電壓信號并且減去基準斜坡，從而 消除激光器的功率調制的影響;反饋越強引起電壓信號從基準斜坡偏離越明顯。
[0083] 通過使用每個自混合軌跡僅中屯、的80%來消除激光器調制周期的邊沿周圍存在 的瞬變影響。圖3b示出了沿著圖3a中的表示水平線70獲取的時域自混合信號集合74的二維 表示，其中垂直軸示出了自混合信號的時間演進而水平軸示出了其空間依賴性。暗影量化 了自混合信號的瞬時幅度(基準斜坡已經(jīng)消除）。應當記住，由于檢測方案的相干本性，特定 時間點處的信號強度不可能僅僅與目標的反射系數(shù)相關;相反地，它是信號的絕對值隨時 間的積分，該積分與目標的反射率成比例。此外，該量指示自混合信號的強度，反饋越強產(chǎn) 生的值越大。在圖3c中，該較強反饋通過具有偽彩色范圍的銅色端部72的目標的結果圖像 73a在空間上呈現(xiàn)給觀察者，該較強反饋與目標的侶部分相對應。與侶目標中塑料嵌入物68 相對應的較弱反饋區(qū)域可見為黑色圓。由于來自侶的強反射W及Ξ個塑料在2.59THZ的類 似反射率，在圖3c中視覺上不可辨別Ξ個塑料嵌入物之間的對比度。然而，如可W從圖3e中 繪制的與Ξ個塑料區(qū)域中的每一個相對應的示例時域軌跡76看到的，其完美地保留在時域 信號中。
[0084] 自混合信號的類幅度編碼（圖3c)僅利用嵌入其中的信息的一部分。另一個可能表 示設及自混合信號的波峰相對于調制銀齒形信號的邊沿的相位或者等效地時間位置。不同 材料根據(jù)它們的復折射率（由其虛部支配)對入射THz波施加不同相移。在圖3d中呈現(xiàn)的目 標的圖像73b中示出了目標對自混合信號的影響的該類相位表示。雖然視覺上運并沒有示 出類幅度表示的明顯對比，但是令人感興趣地注意到運兩段信息可W分別地比作復反射率 的幅度和相位的變化。自混合信號中包括的信息的運兩個減少絕不是唯一可能的減少。例 如，通過使運些時域軌跡與Lang和kobayasM模型的穩(wěn)態(tài)解擬合，人們通過繪制反饋參數(shù)C 的空間變化獲得圖像。
[0085] 材料分析:盡管用于創(chuàng)建圖3(c、d)中的圖像的信號處理相當直接，但是用于提取 測試中材料的光學常量的程序需要包括擬合的多個步驟。如早先討論的，用于該研究的目 標包含嵌入侶保持器72中的Ξ個塑料材料68(圖3a)。對于該程序，為了確定第Ξ材料，假定 已知運些材料中的兩個的復折射率。為了確立方案的自洽性，依次對Ξ個材料中的每一個 采用該方式。為了排除材料與侶保持器之間的邊界的影響，使用來自疊加在圖3a中的照片 上的圓內(nèi)部的測量W確定測試中的每個材料的復折射率。參照圖la,外部空腔13中的總相 位延遲可W分解成由通過空腔的往返行程15引起的透射相位延遲和來自目標的反射的相 位變化，運是材料依賴的。線性電流掃描的二階效應是激光頻率(600MHz)的線性調嗽，導致 透射相位隨時間的線性依賴性。因此，作為時間函數(shù)的一個頻率調制周期T內(nèi)的外部相位延 遲(干設測量的相位）φ具有下列形式：
[0086]
[0087] 其中齡;是頻率掃描開始時外部空腔中的往返行程透射相位延遲，Φλ是由電流(頻 率低描引起的干設測量相位偏差，W及0R是從測試中材料反射的相位變化。清楚地，資是瞬 時激光頻率的函數(shù)，其取決于激光器系統(tǒng)中的反饋水平。
[0088] 根據(jù)在穩(wěn)態(tài)的光學反饋下的半導體激光器的Lang和kobayasM模型，激光頻率滿 足相位條件(有時稱為超相位方程式）
[0089]
[0090] 其中繳S表示在擾動激光器頻率的總外部往返行程相位，齡表示在孤立激光器頻 率的總外部往返行程相位，C是取決于反射回激光器空腔中的光量的反饋參數(shù)，W及α是線 寬增強因子。方程式(2)的解不可能為封閉形式并且因此需要數(shù)值解。如在目前描述的本發(fā) 明的優(yōu)選實施例中使用的，通過發(fā)射光功率的變化或者等同地通過激光器端子兩端的電壓 變化直接可觀察干設測量的相位變化。嵌入調制電壓信號中的自混合信號通過下列方程式 與相位變化相關
[0091]
[0092] 其中V是去除共同斜坡之后獲得的電壓波形，Vo是該信號的dc分量(與偏離基準斜 坡的材料依賴電壓相對應），W及β是調制指數(shù)。注意，對于此處使用的調制方案，通過其對 干設測量相位gVs的依賴性，V是時間的函數(shù)。
[0093] 因此直接基于Lang和kobayasM模型的穩(wěn)態(tài)解獲得參數(shù)模型，該參數(shù)模型很好地 描述了在實驗上獲取的時域軌跡的集合。方程式（1)-(3)形成具有六個關鍵參數(shù)的模型，即 〇，α，θκ，ΦΛ，ν〇和β。主要地WC、a和0R對關于要提取的復折射率的信息進行編碼。為了提取 運些參數(shù)，對于目標的每個空間像素，在最小二乘意義上使模型與數(shù)據(jù)擬合。運為圖3a中彩 色圓內(nèi)部的每個像素提供了 一組參數(shù)值。
[0094] 如果已知材料中的兩個的η和k，則可W利用它們與參數(shù)模型的關系并且從而得到 第Ξ材料(測試中的材料-參見方法）的η和k。將從兩個不同目標獲得的測試中的六個材料 的結果制成表格1并且與來自文獻的參考值進行比較。
[0095]
[0096] 表格1:從兩個不同目標獲得的測試中的六個材料的結果與來自文獻的參考值進 行比較。
[0097] 總之，本發(fā)明的優(yōu)選實施例提供了反饋干設測量方式W在THz頻率對材料進行光 學分析。使用該簡單、魯棒的方式，同時獲取材料的類強度和類相位圖像兩者。該技術使用 戶能夠詢問目標區(qū)域并且在運些限定區(qū)內(nèi)提取折射率和吸收系數(shù)的精確值。在THz頻率對 物質的光學性質的運種表征提高了材料科學中的識別和辨別。
[009引方法
[0099] 激光器制造和操作：??ζ Q化異質結構基于在2.59THZ工作的GaAs/AlGaAs束縛到 連續(xù)有源區(qū)域設計。通過分子束外延在半絕緣GaAs襯底上生長晶片，其中有源區(qū)域厚度為 11.6皿，由增益介質的90個重復構成。有源區(qū)域堆疊夾在滲雜的上80皿厚(n = 5xl〇i8cnf3) 與下700nm厚(n = 2xl〇i8cm-3)GaAs接觸層之間。使用光刻技術和濕法化學蝕刻將晶片處理 成表面等離子體脊形波導，其中波導模式的限制由下滲雜層保證。光刻技術用于限定歐姆 接觸，Au/Ge/化底部和頂部接觸的厚度分別為200nm和lOOnnuTi/Au覆蓋層的厚度是20nm/ 200nmW及襯底被減薄到200μπι的厚度。使用140μπι的脊寬度并且保持劈開的設備切面不被 涂敷。
[0100] 使用銅錐將設備安裝在銅棒上W提供熱接觸，并且隨后對設備進行導線接合。在 所有實驗中，在Idc = 〇.43A使用恒定電流源操作激光器。將調制銀齒形電流信號（50mA峰峰 幅度)疊加在dc電流上，引起600MHz的激光頻率的線性掃描。
[0101] 系統(tǒng)和測量校準：目標的折射率η和消光系數(shù)k通過反射的相移0R直接地影響我們 的模型中的自混合電壓。另外，目標R的反射系數(shù)通過文獻中已知的反饋參數(shù)C的定義與模 型參數(shù)C和α直接關聯(lián)為：
[0102]
[0103] 為了將除來自目標W外的外部反射(包括來自低溫恒溫器屏蔽和窗口的反射)考 慮在內(nèi)，·題寫為：
[0104]
[0105] 其中纔^是測試中材料的實際反射系數(shù)，aR和bR是要確定的未知參數(shù)，W及
表示材料測量但未校準的反射系數(shù)。
[0106] 沿著類似思路，為了將系統(tǒng)性相位變化考慮在內(nèi)，0R表示為
[0107]
C 6 )
[0108] 其中蝶是反射的實際相移，ae和be是要確定的未知參數(shù)，W及表示未校準的反 射的相移。
[0109] 方程式巧)和化)包括可W從對材料的兩個測量與已知?，|p，難）值確定的四個未知 參數(shù)aR、bR、ae和be,運可W看作具有四個未知數(shù)的一組四個線性方程組。將兩個標準的測量 的和實際的反射系數(shù)和相移的校準對分別地指示為抹呼、、蹲)韓惡.游;）和然f,鮮)轉誤、、殘1、）， 我們的線性方程組的集合是
[0114] 該方程組的解是直接的并且提供aR、bR、ae和be的值。一旦已經(jīng)使用（5)和(6)獲得 了運些值，則可W容易地計算測試中材料的機奇日RA的實際值。通過關系對給出(R、0r)和(η、 k)之間的關系
[0117]該程序適用于嵌入目標中的Ξ個材料(參見圖3a)。使用材料中的兩個的光學常量 的來自文獻的值，將它們看作該程序中的標準W獲得未知數(shù)aR、bR、ae和be的值。
[011引本發(fā)明的使用
[0119] 現(xiàn)在將參考圖2C提供使用本發(fā)明優(yōu)選實施例的示例。應當意識到，下面概述的步 驟也可完全類似方式應用至圖2D的透射樣品設置。
[0120] 1.設置樣品
[0121] a.將要成像/分析的制備好的樣品46(即，目標)放在巧時幾動的平臺48上的樣品保 持器中。
[0122] b .使用CCD攝像機50調節(jié)位置（傾角和XYZ) W使樣品表面與THz射束52的焦面對 準。
[0123] 2.為操作準備THz Q化
[0124] a.將真空累連接至低溫恒溫器54。
[0125] b.(使用真空累)將低溫恒溫器的真空室抽真空。
[0126] C.斷開真空累。
[0127] d.將致冷劑傳輸線插入杜瓦瓶56和低溫恒溫器中，允許致冷劑流入低溫恒溫器中 并且開始冷卻激光器。
[01%] e.打開溫度控制器58并且將設定點調節(jié)到15K(用于該特定THz Q化的最優(yōu)工作溫 度)。
[01巧]f. 一直等到低溫恒溫器在15K穩(wěn)定。
[0130] g.在DC電流偏置(典型地0.43A(再次用于該特定THz QCU)打開激光器驅動器60。
[0131] h.設置信號發(fā)生器62W生成調制銀齒波（在化化典型為IV)并且饋送到激光器驅 動器中（IV調制輸入=對激光器的50mA輸出。（因此激光器驅動電流是斜坡中的0.43至 0.48A))
[0132] i.實現(xiàn)信號發(fā)生器的輸出。
[0133] j .等待激光器溫度穩(wěn)定。
[0134] k.現(xiàn)在THz Q化準備好并且發(fā)射測量射束
[0135] 3.測量目標
[0136] a.設置目標區(qū)的XY光柵掃描（通過計算機64控制的X-Y平移（典型地，18mm X 18mm)、步長大小(典型地，100μπΟΚ掃描通過多個位置。初始位置是掃描的中屯、點。
[0137] b.開始掃描
[0138] i.機動平臺移動至像素位置
[0139] ii.(通過ADC 66)取得THz Q化的端子電壓的多個測量值(按照1M個樣品/s，樣品 中的化的典型的128個平均值）。
[0140] iii.將平均樣品保存到工作站。
[0141 ] iV.將樣品平移到下一個成像像素并且重復(i-i i i)。
[0142] c.當掃描完成時返回到開始位置(掃描區(qū)的中屯、）。
[0143] 4.停止測量
[0144] a.關閉激光器驅動器和信號發(fā)生器。
[0145] b.切斷致冷劑流并且從低溫恒溫器移除致冷劑傳輸線。
[0146] C.關閉溫度控制器。
[0147] 5.處理數(shù)據(jù)
[0148] a.使用工作站處理波形。
[0149] b.準備用于擬合的波形
[0150] i.去除功率斜坡(信號的平均斜坡）
[0151] ii.修整端部(~100數(shù)據(jù)點避免邊緣瞬態(tài)。
[0152] iii.可選地對樣品表面的已知傾角進行調節(jié)。
[0153] c.對于每個空間像素，使超相SM模型與數(shù)據(jù)擬合(典型地在最小二乘意義上)并且 提凝'^取(幅度反射率代表)和韻f (相位代表)作為擬合的SM模型參數(shù)的函數(shù)。
[0154] d.隨后可W產(chǎn)生示出（例如)跨越目標表面的反射率代表、相位代表或者SM模型參 數(shù)中的相對變化的圖像。
[01W] e.對于絕對參數(shù)提取
[0156] i.除未知樣品W外已經(jīng)（同時)掃描了至少兩個已知材料。
[0157] ii.所有材料樣品位于相同的已知表面(典型地平面)上。
[0158] iii.基于測量對和已知對對系統(tǒng)誤差系數(shù)進行校準。
[0159] iv.隨后可W使用測量的值和已知系統(tǒng)誤差系數(shù)估算未知樣品的材料參數(shù)。
[0160] 本發(fā)明的潛在應用
[0161] 檢測體內(nèi)皮膚惡性腫瘤
[0162] 利用對皮膚組織樣品進行基于時域光譜的成像的操作已經(jīng)顯示出從周圍健康組 織辨別基底細胞癌(BCC)的能力。在一系列15個切除情況中，??ζ對比度一直超過做出常規(guī) 成像診斷的可見對比度。清楚地，癌組織的分子組成將不同，在ΤΗζ范圍內(nèi)引起不同的振動 模式，并且從而引起復介電常數(shù)中的對比。在腫瘤組織中微結構的取向（即，纖維取向、細胞 排列)也在擾動，運可W通過測量ΤΗζ照射的相互作用來檢巧^。各種癌癥類型對ΤΗζ詢問的運 些響應的確切本性具有作為用于對人類皮膚進行非侵入性體內(nèi)ΤΗζ成像的辨別工具的基礎 的價值。
[0163] 使用基于ΤΗζ的圖像對比度和光譜數(shù)據(jù)辨別生物標本和組織活檢樣品中的疾病狀 態(tài)還可W使用此處描述的技術?；讷@得的復介電常數(shù)信息可W對制備好的流體或者固體 組織的標本詢問ΤΗζ特性中的差異。與后天疾病相關聯(lián)的化學構成的變化和結構變化將是 在正常樣本與病態(tài)樣本之間進行辨別的主要來源。當WTHz頻帶外部的頻率檢查時，所觀察 的差異可能并不一定存在。然而，該應用將需要體外樣本與上面針對體內(nèi)診斷的應用形成 對比。
[0164] 制藥
[0165] 可W使用此處描述的技術在生產(chǎn)過程中分析和監(jiān)測制藥材料。制藥成分(例如在 片劑制劑中）的所有可能的多形形式的特性和控制是制藥行業(yè)中的關鍵因素。實驗證明ΤΗζ 光譜技術可W借助于運些多形體中的結構差異(并且由此分子間振動中的差異）區(qū)分制藥 固體的不同多形形式(例如卡馬西平、馬來酸依那普利、橫胺嚷挫等等）。因此，基于獲得的 復介電常數(shù)信息可W對制備好的制藥樣品詢問ΤΗζ特性中的差異。該應用具有用于生產(chǎn)線 監(jiān)測的潛能，包括通過膠囊的監(jiān)測。用于監(jiān)測運種結構差異的替換技術(諸如X射線粉末衍 射)顯著地較慢。此外，近紅外和中紅外光譜通常對多形變化不太敏感。
[0166] 安全性
[0167] 本發(fā)明的實施例可W用于檢測爆炸物(例如畑X、陽TN、TNT、HMX)、武器等等W及因 此可W幫助郵件和包裝檢查。
[016引可W使用此處描述的技術檢測/感測晶體爆炸物(例如RDX、PETN、TNT、HMX)和非法 藥物(例如可卡因、脫氧麻黃堿、海洛因）。實驗已經(jīng)證明使用ΤΗζ光譜技術可W容易地識別 運種材料。因此，基于獲得的復介電常數(shù)信息可W對制備好的爆炸物/藥物樣品詢問ΤΗζ特 性中的差異。??ζ福射還穿透許多包裝材料，實現(xiàn)對隱藏非法化合物的識別（例如在郵件檢 查中）。
[0169] 遵照規(guī)定，已經(jīng)W或多或少特定于結構特征或者方法特征的語言對本發(fā)明進行了 描述。術語"包括"和其變型（諸如"包括"和"由...組成'化全文中用于包含性意義并且不 用于排除任何另外的特征。由于此處描述的方式包括將本發(fā)明付諸實施的優(yōu)選形式，因此 應當理解本發(fā)明不限于所示或者所描述的具體特征。因此，W在由本領域技術人員適當解 釋的所附權利要求的適當范圍內(nèi)的本發(fā)明的形式或者修改中的任何一個要求保護本發(fā)明。
[0170] 在整個說明書和權利要求書(如果存在）中，除非上下文另有要求，否則術語"基本 上"或者"大約"應當理解為不限于由術語限定的范圍的值。
[0171] 本發(fā)明的任何實施例僅旨在例示性的并且并不旨在對本發(fā)明進行限制。因此，應 當意識到，可W在不背離本發(fā)明精神和范圍的情況下對所描述的任何實施例做出各種其它 改變和修改。
[0172] 結合本發(fā)明特定方面、實施例或者示例描述的特征、整體、特性、化合物、化學部分 或者基團將理解為可適用于此處描述的任何其它方面、實施例或者示例，除非與其矛盾。
【主權項】
1. 一種用于研究目標的方法，包括下列步驟： 向所述目標引導來自激光器的第一輻射射束以由此通過第一射束與所述目標的相互 作用產(chǎn)生第二激光輻射射束，其中所述第一射束和第二射束的自混合在所述激光器內(nèi)發(fā) 生； 改變影響所述第一射束與所述目標的所述相互作用的參數(shù)； 檢測由所述自混合產(chǎn)生的信號；以及 處理所述信號以由此確定與所述目標的材料性質相關聯(lián)的相位和幅度變化。2. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述激光器被布置為在太赫茲THz頻帶中工作。3. 根據(jù)權利要求1或者權利要求2所述的方法，其中所述激光器包括量子級聯(lián)激光器 QCL〇4. 根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的方法，其中檢測所述信號的步驟涉及監(jiān)測所述 激光器的端子兩端的電信號。5. 根據(jù)權利要求1到4中的任一項所述的方法，其中改變參數(shù)的步驟包括對電流施加調 制以用于驅動所述激光器。6. 根據(jù)權利要求5所述的方法，其中所述調制包括所述激光射束頻率的連續(xù)波頻率調 制。7. 根據(jù)權利要求1至5中的任一項所述的方法，其中處理所述信號的步驟包括檢測與由 所述第一射束與所述目標的所述相互作用賦予的相移相關聯(lián)的所述信號的波形的相移。8. 根據(jù)權利要求7所述的方法，其中處理所述信號的步驟還包括檢測與由所述第一射 束與所述目標的所述相互作用賦予的衰減相關聯(lián)的所述信號的所述波形的變化。9. 根據(jù)權利要求1至4中的任一項所述的方法，其中改變所述參數(shù)的步驟可以包括朝向 或者遠離第一激光輻射射束的源移動所述目標。10. 根據(jù)權利要求1至9中的任一項所述的方法，包括處理所述信號以由此確定與所述 目標的材料性質相關聯(lián)的相位和幅度變化，以得到所述目標的折射率η和消光系數(shù)k。11. 根據(jù)權利要求10所述的方法，包括使得所述第一激光輻射射束與所述目標的具有 已知性質的一部分相互作用。12. 根據(jù)權利要求11所述的方法，包括應用來自具有已知值的所述目標的所述部分的 兩個材料的η和k的已知值，以由此得到所述目標的第三材料的η和k，所述第三材料是測試 中的材料。13. 根據(jù)權利要求12所述的方法，包括使所述激光器自混合的數(shù)學模型與所述目標的 多個位置中的每一個的數(shù)據(jù)擬合，以獲得針對所述位置中的每一個的一組參數(shù)值。14. 根據(jù)權利要求1至13中的任一項所述的方法，包括通過相對于所述激光器將所述目 標移動通過多個位置來機械地掃描所述目標，以由此根據(jù)所述目標的位置感測所述目標的 所述性質的變化。15. 根據(jù)權利要求14所述的方法，包括處理所感測的所述目標的所述性質的變化以產(chǎn) 生所述目標的圖像。16. 根據(jù)權利要求15所述的方法，包括在所述機械掃描期間測量多個位置中的每一個 處的所述信號的變化。17. 根據(jù)權利要求16所述的方法，包括從所述測量中的每一個消除由于所述激光器的 功率調制的影響。18. 根據(jù)權利要求16或者權利要求17所述的方法，包括僅處理每個掃描位置處的所述 信號的每個周期的中央部分，以避免所述激光器的調制周期的所述邊沿處的瞬態(tài)影響。19. 根據(jù)權利要求16至18中的任一項所述的方法，包括確定每個位置處所述目標的反 射系數(shù)。20. 根據(jù)權利要求19所述的方法，其中確定所述反射系數(shù)的步驟基于所述信號的絕對 值隨時間的積分。21. 根據(jù)權利要求20所述的方法，包括通過使所述信號的時域軌跡與所述激光器自混 合的數(shù)學模型擬合產(chǎn)生來自所述目標的圖像，以由此計算所述模型的反饋參數(shù)的變化，其 中通過繪制多個所述位置中的每一個的所述反饋參數(shù)生成所述圖像。22. 根據(jù)本發(fā)明另外的實施例，提供了一種用于研究目標的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括： 激光器； 目標組件，所述目標組件被布置為使來自所述激光器的射束在與所述組件的目標相互 作用之后返回至所述激光器； 數(shù)據(jù)獲取組件，所述數(shù)據(jù)獲取組件響應于所述激光器的電氣端子；以及 計算設備，所述計算設備響應于所述數(shù)據(jù)獲取組件，其中所述計算設備被編程為確定 與所述目標相關聯(lián)并且通過與所述目標的相互作用賦予到所述射束上的相位和幅度變化。23. 根據(jù)權利要求22所述的系統(tǒng)，其中所述激光器在所述計算設備的控制下，所述計算 機設備用于操作所述激光器和改變所述激光器的工作參數(shù)。24. 根據(jù)權利要求22或者權利要求23所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括平移組件，所述平移組 件被布置為賦予所述激光器與所述目標之間的相對運動。25. 根據(jù)權利要求24所述的系統(tǒng)，其中所述平移組件包括在所述計算設備的控制下的 一個或者多個致動器，其中所述計算設備被編程為操作所述平移組件以用于在所述目標的 多個位置中的每一個處獲取數(shù)據(jù)。26. -種計算機軟件產(chǎn)品，所述計算機軟件產(chǎn)品包括機器可讀介質，所述機器可讀介質 承載有形機器可讀指令用于電子處理器以： 操作激光器以向目標組件引導激光射束； 獲取作為所述激光射束與所述激光射束和所述目標組件相互作用之后的反射的自混 合的函數(shù)的電氣數(shù)據(jù)；以及 基于所獲取的電氣數(shù)據(jù)確定所述目標組件的目標部分的相位和幅度變化性質。
【文檔編號】G01N21/3581GK105829844SQ201480056750
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2014年8月22日
【發(fā)明人】A·D·拉克可, P·德安, K·博爾特林, Y·L·里姆, T·泰姆雷, S·J·維爾松, E·H·林菲爾德, D·因德金, A·G·戴維斯
【申請人】昆士蘭大學, 利茲大學