用于成像和材料分析的激光器系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】THz量子級(jí)聯(lián)激光器用于通過(guò)向目標(biāo)引導(dǎo)來(lái)自激光器的第一激光輻射射束以由此通過(guò)第一射束與目標(biāo)的相互作用產(chǎn)生第二激光輻射射束來(lái)研究目標(biāo)。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(hào)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(biāo)的相互作用的激光器的工作參數(shù)。監(jiān)測(cè)并且處理工作電壓以確定與目標(biāo)的材料性質(zhì)相關(guān)聯(lián)的相位和幅度變化。因此，在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供將信號(hào)中的變化處理以產(chǎn)生目標(biāo)的各種圖像。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
用于成像和材料分析的激光器系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明設(shè)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(shù)】
[0002] 對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的方法、裝置或者文件的任何引用都不看作構(gòu)成它們?cè)?jīng)形成或者 現(xiàn)在形成公知常識(shí)的一部分的任何證據(jù)或者承認(rèn)。
[0003] 在過(guò)去二十年里已經(jīng)在實(shí)現(xiàn)成像和材料分析系統(tǒng)中投入大量的科學(xué)努力。該努力 的一個(gè)結(jié)果是太赫茲時(shí)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(cè) 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(jí)分辨率分辨寬帶 ??ζ脈沖的電場(chǎng)幅度的本征能力W及其對(duì)熱背景福射的不靈敏性，因此THz TDS成功的關(guān)鍵 是其在大到ΙΟΟ??ζ的帶寬上測(cè)量樣品的復(fù)折射率的能力。然而，??ζ TDS系統(tǒng)通常具有實(shí)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(dǎo)發(fā)射器的數(shù)量級(jí)為10- lOOyW的低THz功率。另外，光譜數(shù)據(jù)獲取很慢并且技術(shù)依賴(lài)笨重并且昂貴的超快激光源W 生成THz福射并且對(duì)THz福射進(jìn)行相干檢測(cè)。
[0004] 近來(lái)，??ζ量子級(jí)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(shí)驗(yàn)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(xiàn)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(cè)來(lái)自運(yùn)種源的發(fā)射的挑戰(zhàn)，所W大多數(shù) 系統(tǒng)開(kāi)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(cè)方案已經(jīng)允許 分辨THz場(chǎng)的相位和/或頻率。通過(guò)利用從氣體激光器得到的本機(jī)振蕩器與自由運(yùn)行QCL之 間的外差混頻，已經(jīng)報(bào)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(cè)也 已經(jīng)能夠相干逆合成孔徑雷達(dá)成像。然而，外差系統(tǒng)通常因它們是復(fù)雜并且笨重的缺點(diǎn)而 受到困擾。
[0005] 本發(fā)明的一個(gè)目的是提供基于激光的成像或者遠(yuǎn)程材料感測(cè)系統(tǒng)，其是前述現(xiàn)有 技術(shù)的系統(tǒng)的改進(jìn)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(biāo)的方法，方法包括下列步驟：
[0007] 向目標(biāo)引導(dǎo)來(lái)自激光器的第一福射射束W由此通過(guò)第一射束與所述目標(biāo)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(biāo)的相互作用的參數(shù)；
[0009] 檢測(cè)由自混合產(chǎn)生的信號(hào)；W及
[0010] 處理信號(hào)W由此確定與目標(biāo)的材料性質(zhì)相關(guān)聯(lián)的相位和幅度變化。
[0011] 激光器優(yōu)選地包括量子級(jí)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(gè)：
[oou]帶間量子級(jí)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(gè)頻帶(諸如紅外頻帶）中工作。
[0018] 檢測(cè)信號(hào)的步驟優(yōu)選地設(shè)及測(cè)量激光器的端子兩端的電信號(hào)。
[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(duì)電流施加調(diào)制W驅(qū)動(dòng)激光器。
[0020] 調(diào)制優(yōu)選地包括激光射束頻率的連續(xù)波頻率調(diào)制。例如，在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中， 調(diào)制包括將調(diào)制銀齒形電流信號(hào)疊加到半導(dǎo)體激光器的dc電流供應(yīng)上。
[0021] 在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中，處理信號(hào)的步驟包括檢測(cè)與由第一射束與目標(biāo)的相互作 用賦予的相移相關(guān)聯(lián)的信號(hào)波形的第一類(lèi)型變化。例如，波形的第一類(lèi)型變化可W包括波 形的相移。
[0022] 處理信號(hào)的步驟還優(yōu)選地包括檢測(cè)與由第一射束與目標(biāo)的相互作用賦予的衰減 相關(guān)聯(lián)的信號(hào)波形的第二類(lèi)型變化。例如，第二類(lèi)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(shí)施例中，改變參數(shù)的步驟可W包括相對(duì)于第一激光福射射束的 源縱向地移動(dòng)目標(biāo)。
[0024] 方法可W包括處理信號(hào)W由此確定與目標(biāo)的材料性質(zhì)相關(guān)聯(lián)的相位和幅度變化 W得到目標(biāo)的折射率(η)和消光系數(shù)化)。
[0025] 在方法包括處理信號(hào)W確定目標(biāo)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(shè)及使得第一激光福射射束與目標(biāo)的具有已知性質(zhì)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(xué)模型與目標(biāo)的多個(gè)位置中的每一個(gè)的數(shù) 據(jù)擬合W獲得針對(duì)位置中的每一個(gè)的一組參數(shù)值。
[0027] 方法可W包括應(yīng)用來(lái)自目標(biāo)所述部分的兩個(gè)材料的η和k的已知值W由此得到目 標(biāo)的第Ξ材料的η和k，第Ξ材料是測(cè)試中的材料。
[00%]方法可W包括通過(guò)相對(duì)于激光器移動(dòng)目標(biāo)機(jī)械地掃描目標(biāo)W由此根據(jù)目標(biāo)位置 感測(cè)目標(biāo)性質(zhì)的變化。
[0029] 方法可W包括處理所感測(cè)的目標(biāo)性質(zhì)的變化W產(chǎn)生目標(biāo)的圖像。
[0030] 在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中，方法包括在機(jī)械掃描期間測(cè)量多個(gè)位置中的每一個(gè)處的 信號(hào)中的變化。
[0031] 方法優(yōu)選地包括從所述測(cè)量中的每一個(gè)消除激光器的功率調(diào)制的影響。例如，消 除功率調(diào)制的影響的步驟可W包括從位置中的每一個(gè)處進(jìn)行的測(cè)量減去基準(zhǔn)斜坡。
[0032] 在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中，可W進(jìn)行測(cè)量W避免激光器的調(diào)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(gè)掃描位置處的信號(hào)的每個(gè)周期的中央部分。
[0034] 在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中，方法包括確定每個(gè)位置處的目標(biāo)的反射系數(shù)。
[0035] 確定反射系數(shù)的步驟可W基于信號(hào)的絕對(duì)值隨時(shí)間的積分。
[0036] 方法可W包括通過(guò)使信號(hào)的時(shí)域軌跡與激光器反饋?zhàn)曰旌系臄?shù)學(xué)模型擬合產(chǎn)生 來(lái)自目標(biāo)的圖像W由此計(jì)算模型的反饋參數(shù)中的變化，其中通過(guò)繪制多個(gè)所述位置中的每 一個(gè)的反饋參數(shù)生成圖像。
[0037]根據(jù)本發(fā)明另外的實(shí)施例，提供了一種用于研究目標(biāo)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：
[003引激光器；
[0039] 目標(biāo)組件，其被布置為使來(lái)自激光器的射束在與所述組件的目標(biāo)相互作用之后返 回至激光器；
[0040] 數(shù)據(jù)獲取組件，其響應(yīng)于激光器的電氣端子;W及
[0041 ]計(jì)算設(shè)備，其響應(yīng)于數(shù)據(jù)獲取組件，其中計(jì)算設(shè)備被編程為確定與目標(biāo)相關(guān)聯(lián)并 且通過(guò)與目標(biāo)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(jì)算設(shè)備的控制下，該計(jì)算設(shè)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(biāo)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
[0044] 在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中，平移組件包括在計(jì)算設(shè)備的控制下的一個(gè)或者多個(gè)致動(dòng) 器，其中計(jì)算設(shè)備被編程為操作平移組件W用于在目標(biāo)的多個(gè)位置中的每一個(gè)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(zhì)（例如光學(xué)、磁性或者固態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè) 備)的計(jì)算機(jī)軟件產(chǎn)品，該介質(zhì)承載有形機(jī)器可讀指令用于電子處理器W :
[0046] 操作激光器W向目標(biāo)組件引導(dǎo)激光射束；
[0047] 獲取作為激光射束與其從目標(biāo)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(biāo)組件的目標(biāo)部分的相位和幅度變化性質(zhì)。
【附圖說(shuō)明】
[0049] 可W從下列詳細(xì)說(shuō)明領(lǐng)悟出本發(fā)明的優(yōu)選特征、實(shí)施例和變型，下列詳細(xì)說(shuō)明為 本領(lǐng)域技術(shù)人員提供充分信息W執(zhí)行本發(fā)明。詳細(xì)說(shuō)明將不被看作W任何方式對(duì)前述發(fā)明 內(nèi)容范圍進(jìn)行限制。詳細(xì)說(shuō)明將參考如下多個(gè)附圖：
[0050] 圖1A是示出根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的強(qiáng)度和頻率調(diào)制的自混合激光干設(shè)儀的示 意圖。
[0051] 圖1B是通過(guò)作為時(shí)間函數(shù)的激光器端子電壓的變化觀察的自混合信號(hào)的圖示，其 中虛線(xiàn)表示基準(zhǔn)斜坡并且實(shí)線(xiàn)表示由于自混合的典型電壓信號(hào)。
[0052] 圖1C是示出目標(biāo)的漸增折射率η的影響的自混合信號(hào)的單個(gè)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(shí)間。
[0053] 圖1D是示出主要將波形平移至稍后時(shí)間的目標(biāo)的漸增消光系數(shù)k的影響的自混合 信號(hào)的單個(gè)周期T的圖示。
[0054] 圖2A是施加至圖2C的QCL的電流激勵(lì)信號(hào)的圖示。電流范圍被選擇為使激光器頻 率掃過(guò)激光對(duì)光學(xué)反饋?zhàn)蠲舾械膮^(qū)域中的Ξ個(gè)外部空腔諧振。
[0055] 圖2B是與圖2A的圖示相對(duì)應(yīng)的圖示，不過(guò)是在激光器端子兩端測(cè)量的電壓信號(hào)的 圖示。為了例示性目的，已經(jīng)將自混合信號(hào)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(shí)施例用于對(duì)反射目標(biāo)成像的系統(tǒng)，其中QCL由銀齒 形電流信號(hào)驅(qū)動(dòng)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(duì)拋物面鏡 將射束聚焦到包括遠(yuǎn)程目標(biāo)的遠(yuǎn)程目標(biāo)組件上，該遠(yuǎn)程目標(biāo)包含測(cè)試中的材料，該遠(yuǎn)程目 標(biāo)組件安裝在計(jì)算機(jī)控制的平移平臺(tái)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(biāo)的前表面的照片。Ξ個(gè)圓形區(qū)域 是嵌入侶保持器中的測(cè)試中的材料，即PA6PVC和P0M。
[0059] 圖3B是沿著圖3A中的表示線(xiàn)70獲取的時(shí)域自混合信號(hào)的二維表示，各自示出了 Ξ 個(gè)條紋。垂直軸表示信號(hào)的時(shí)間演進(jìn)，而水平軸示出了它們的空間依賴(lài)性。
[0060] 圖3C示出了類(lèi)幅度圖像，其中偽彩色繪圖表示時(shí)域軌跡相對(duì)于基準(zhǔn)斜坡之間的有 效集合差。
[0061] 圖3D示出了類(lèi)相位圖像，其中偽彩色繪圖基于自混合信號(hào)的代表波峰相對(duì)于調(diào)制 波形的邊沿的時(shí)間位置。
[0062] 圖3E描繪了每個(gè)材料的目標(biāo)上的一個(gè)空間像素的代表性時(shí)域波形(實(shí)線(xiàn)）與相應(yīng) 的模型擬合(虛線(xiàn)）。已經(jīng)刪除了共同基準(zhǔn)斜坡。
[0063] 具體實(shí)施例方式
[0064] 本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例包括用于W反射模式使用THz Q化反饋干設(shè)儀2進(jìn)行相干成 像和材料分析的方法。該方案的核屯、是W下實(shí)現(xiàn):從外部目標(biāo)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(shí)產(chǎn)生關(guān)于遠(yuǎn)程目標(biāo)的幅度和相位變化性質(zhì)兩者的信息， 運(yùn)些信息可W通過(guò)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(hào)處理同 時(shí)獲得二維類(lèi)幅度圖像和類(lèi)相位圖像，二維類(lèi)幅度圖像和類(lèi)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(cè)方法使得能提取測(cè)試中的材料的折射率和吸收 系數(shù)。本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)允許對(duì)由QCL源發(fā)射的THz場(chǎng)進(jìn)行相敏檢測(cè)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T(mén)Hz源提供了高輸出功率 光譜密度的好處、優(yōu)于TDS幾個(gè)數(shù)量級(jí)的光譜分辨率W及高速測(cè)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(shí)施例的自混合干設(shè)儀的基本結(jié)構(gòu)和工作原 理。重新注入的光14與空腔內(nèi)電場(chǎng)相干設(shè)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(shè)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(jí)聯(lián)激光器(Q化）、帶 間級(jí)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(shí)施例的隨后討論理解的，還可W使用其它類(lèi)型的激光器（只要它們具有足夠低的相 位噪聲）。
[0067] 無(wú)論使用哪種特定類(lèi)型的激光器，激光器都包括增益介質(zhì)，該增益介質(zhì)夾在兩個(gè) 鏡4、6之間并且具有位于距目標(biāo)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(biāo)10返回至激光器。由于射束 與目標(biāo)10(或者此處有時(shí)稱(chēng)之為"樣品"）相互作用，所W目標(biāo)賦予由于其材料性質(zhì)而導(dǎo)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(zhì)中相互作用，從而引起"自混合"，運(yùn)引起激光器工作參 數(shù)中的可測(cè)量變化。
[0068] 上面的解釋著重于發(fā)射激光射束與目標(biāo)相互作用的射線(xiàn)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(lǐng)域技術(shù)人員將意識(shí)到運(yùn)是出于解釋性目的 的約定，而發(fā)射射束和返回射束實(shí)際上并沒(méi)有位移，而是共線(xiàn)并且它們?cè)谀繕?biāo)與激光器之 間產(chǎn)生駐波。
[0069] 雖然光學(xué)反饋影響幾乎所有的激光器參數(shù)，但是最方便監(jiān)測(cè)的兩個(gè)參數(shù)是發(fā)射的 光學(xué)功率和激光器端子兩端的電壓。在運(yùn)些中，優(yōu)選地監(jiān)測(cè)激光器端子電壓，因?yàn)檫\(yùn)消除了 對(duì)外部太赫茲?rùn)z測(cè)器的需要。小電壓變化(稱(chēng)為"自混合信號(hào)"）取決于反射激光射束的電場(chǎng) 的幅度和相位兩者。因此，該配置創(chuàng)建可W探測(cè)關(guān)于外部目標(biāo)的復(fù)反射率或者復(fù)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(cè)，并且因此可W在自混合信號(hào)中預(yù)期高信噪比。此外，對(duì)光學(xué)反饋的最大響應(yīng)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(jī)制限制到幾皮秒，使得響應(yīng)頻率能夠處于幾十G化的數(shù)量級(jí)。
[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(dāng)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(gè)往返行程。外部 空腔中的相移由因光學(xué)路徑長(zhǎng)度引起的透射相移W及來(lái)自目標(biāo)的反射的相位變化構(gòu)成。目 標(biāo)的反射率連同反射的相位變化一起形成相當(dāng)于目標(biāo)的復(fù)折射率的復(fù)數(shù)對(duì)。
[0072] 當(dāng)外部目標(biāo)縱向地位移時(shí)，激光器系統(tǒng)掃過(guò)一組復(fù)合空腔諧振?？蒞通過(guò)改變激 光器頻率獲得相同效果，運(yùn)在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中通過(guò)對(duì)激光器驅(qū)動(dòng)電流施加線(xiàn)性調(diào)制 來(lái)完成。該電流掃描的主要作用是對(duì)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(jìn) 行調(diào)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(xiàn)性變化(頻率調(diào)嗽）。該方 式本質(zhì)上構(gòu)成連續(xù)波(CW)頻率調(diào)制系統(tǒng)W用于相干地探測(cè)遠(yuǎn)程目標(biāo)。在頻率掃描期間，自 混合信號(hào)被觀察為嵌入在調(diào)制電壓信號(hào)22中的一組周期擾動(dòng)(參見(jiàn)圖lb)。自混合信號(hào)波形 24的波峰之間的時(shí)間間隔W及其形狀和相位取決于外部空腔的長(zhǎng)度和目標(biāo)的復(fù)反射率。運(yùn) 在圖Ic和Id中進(jìn)行了圖示，其考慮去掉線(xiàn)性斜坡26的自混合波形的一個(gè)周期27(在圖1B中 標(biāo)識(shí)出）。圖Ic示出了漸增的復(fù)折射率的實(shí)部η的影響，主要導(dǎo)致波形由于更強(qiáng)反饋而變窄 28。另一方面，如圖Id所示，復(fù)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(shí)使得波形的形狀不變。該影響主要?dú)w因于k與反射的相移之間的強(qiáng)烈聯(lián)系。
[0073] 因此，通過(guò)分析自混合波形的形狀和相位，可W推導(dǎo)出目標(biāo)的復(fù)反射率。通過(guò)Lang 和kobayashi模型公知的穩(wěn)態(tài)解適當(dāng)?shù)孛枋鲫P(guān)于η和k的信息影響自混合信號(hào)的方式。具體 地，關(guān)于目標(biāo)的復(fù)折射率的信息通過(guò)反饋參數(shù)C、有效外部空腔長(zhǎng)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(shí)施例同樣可適用于提取測(cè)試中的材料的η和k的值，W及跨越目標(biāo)的運(yùn) 些量的空間變化的高對(duì)比度成像。
[0075] 將參考定制設(shè)計(jì)的復(fù)合目標(biāo)對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的示例進(jìn)行描述，該復(fù)合目標(biāo) 由直徑1英寸的侶圓柱體構(gòu)成，該圓柱體具有包括不同塑料的Ξ個(gè)圓柱孔，即聚甲醒(P0M， 也稱(chēng)為乙縮醒）、聚氯乙締(PVC)和尼龍6(PA6,也稱(chēng)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(biāo)W及高密度聚乙締化DPE和皿PE黑）的兩個(gè)樣品。
[0076] 在圖2c中示出了所使用的實(shí)驗(yàn)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(dǎo)的11.6皿厚的GaAs/AlGaAs束 縛到連續(xù)有源區(qū)域構(gòu)成(參見(jiàn)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(lái)自QCL的福射準(zhǔn)直并且使用第二相同鏡42將該福射聚焦到 目標(biāo)上。源與對(duì)象之間穿過(guò)環(huán)境(未凈化)大氣的總光學(xué)路徑是568.2mm。
[0077] 在圖2C和2D中，對(duì)信號(hào)發(fā)生器62的調(diào)制輸入標(biāo)記為62b。發(fā)送至計(jì)算機(jī)64的自混合 信號(hào)標(biāo)記為66b。發(fā)送至溫度控制器58的溫度設(shè)定標(biāo)記為58b。承載用于計(jì)算機(jī)64W實(shí)現(xiàn)根 據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的方法的指令的光盤(pán)、磁盤(pán)或者固態(tài)盤(pán)標(biāo)記為64b。
[0078] 激光器36由電流源在Idc = 0.43A(稍微高于對(duì)光學(xué)反饋的靈敏度最大的闊值（Ith = 0.4A))W激光器驅(qū)動(dòng)器60的形式被驅(qū)動(dòng)。圖2a中圖示的具有50mA峰峰幅度的調(diào)制銀齒形 電流信號(hào)32疊加在dc電流上。運(yùn)引起600MHz的線(xiàn)性頻率掃描。由于來(lái)自測(cè)試中的材料的光 學(xué)反饋，包括關(guān)于目標(biāo)的信息的自混合波形嵌入電壓信號(hào)34(圖化中圖示的）中，在激光器 端子61a和6化兩端測(cè)量該電壓信號(hào)34并且該電壓信號(hào)34由ADC 66數(shù)字化W用于傳送至計(jì) 算機(jī)64并且用于后續(xù)處理。為了圖像獲取，使用雙軸計(jì)算機(jī)可控制的平移平臺(tái)48在兩個(gè)維 度上對(duì)由目標(biāo)組件45支持的目標(biāo)樣品46進(jìn)行光柵掃描(參見(jiàn)圖3曰，目標(biāo)46前表面的圖像）。 平移平臺(tái)48包括響應(yīng)于線(xiàn)路43上來(lái)自WPC 64形式的計(jì)算設(shè)備的控制信號(hào)的致動(dòng)器。對(duì)準(zhǔn) 反饋信號(hào)在線(xiàn)路45上從平移平臺(tái)48傳送回PC 64 W幫助PC精確地定位目標(biāo)。在多個(gè)位置中 的每一個(gè)處（即，在疊加在具有100皿空間分辨率的目標(biāo)上的181 X 181方形網(wǎng)格的每個(gè)節(jié)點(diǎn) 處)獲取時(shí)域軌跡。對(duì)于目標(biāo)的每個(gè)空間像素，電壓信號(hào)記錄為128個(gè)時(shí)域軌跡的平均。
[0079] 因此，整組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)包含181X181個(gè)時(shí)域波形，各自與目標(biāo)上的一個(gè)空間像素相 對(duì)應(yīng)。
[0080] 本發(fā)明的實(shí)施例包括至少兩個(gè)處理程序。第一，可W通過(guò)處理自混合信號(hào)創(chuàng)建高 對(duì)比度THz圖像的范圍。第二，可W提取目標(biāo)上任何區(qū)域的η和k的絕對(duì)值，條件是在目標(biāo)上 的兩個(gè)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(duì)比度THz圖像，第一步為取得每個(gè)電壓信號(hào)并且減去基準(zhǔn)斜坡，從而 消除激光器的功率調(diào)制的影響;反饋越強(qiáng)引起電壓信號(hào)從基準(zhǔn)斜坡偏離越明顯。
[0083] 通過(guò)使用每個(gè)自混合軌跡僅中屯、的80%來(lái)消除激光器調(diào)制周期的邊沿周?chē)嬖?的瞬變影響。圖3b示出了沿著圖3a中的表示水平線(xiàn)70獲取的時(shí)域自混合信號(hào)集合74的二維 表示，其中垂直軸示出了自混合信號(hào)的時(shí)間演進(jìn)而水平軸示出了其空間依賴(lài)性。暗影量化 了自混合信號(hào)的瞬時(shí)幅度(基準(zhǔn)斜坡已經(jīng)消除）。應(yīng)當(dāng)記住，由于檢測(cè)方案的相干本性，特定 時(shí)間點(diǎn)處的信號(hào)強(qiáng)度不可能僅僅與目標(biāo)的反射系數(shù)相關(guān);相反地，它是信號(hào)的絕對(duì)值隨時(shí) 間的積分，該積分與目標(biāo)的反射率成比例。此外，該量指示自混合信號(hào)的強(qiáng)度，反饋越強(qiáng)產(chǎn) 生的值越大。在圖3c中，該較強(qiáng)反饋通過(guò)具有偽彩色范圍的銅色端部72的目標(biāo)的結(jié)果圖像 73a在空間上呈現(xiàn)給觀察者，該較強(qiáng)反饋與目標(biāo)的侶部分相對(duì)應(yīng)。與侶目標(biāo)中塑料嵌入物68 相對(duì)應(yīng)的較弱反饋區(qū)域可見(jiàn)為黑色圓。由于來(lái)自侶的強(qiáng)反射W及Ξ個(gè)塑料在2.59THZ的類(lèi) 似反射率，在圖3c中視覺(jué)上不可辨別Ξ個(gè)塑料嵌入物之間的對(duì)比度。然而，如可W從圖3e中 繪制的與Ξ個(gè)塑料區(qū)域中的每一個(gè)相對(duì)應(yīng)的示例時(shí)域軌跡76看到的，其完美地保留在時(shí)域 信號(hào)中。
[0084] 自混合信號(hào)的類(lèi)幅度編碼（圖3c)僅利用嵌入其中的信息的一部分。另一個(gè)可能表 示設(shè)及自混合信號(hào)的波峰相對(duì)于調(diào)制銀齒形信號(hào)的邊沿的相位或者等效地時(shí)間位置。不同 材料根據(jù)它們的復(fù)折射率（由其虛部支配)對(duì)入射THz波施加不同相移。在圖3d中呈現(xiàn)的目 標(biāo)的圖像73b中示出了目標(biāo)對(duì)自混合信號(hào)的影響的該類(lèi)相位表示。雖然視覺(jué)上運(yùn)并沒(méi)有示 出類(lèi)幅度表示的明顯對(duì)比，但是令人感興趣地注意到運(yùn)兩段信息可W分別地比作復(fù)反射率 的幅度和相位的變化。自混合信號(hào)中包括的信息的運(yùn)兩個(gè)減少絕不是唯一可能的減少。例 如，通過(guò)使運(yùn)些時(shí)域軌跡與Lang和kobayasM模型的穩(wěn)態(tài)解擬合，人們通過(guò)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(hào)處理相當(dāng)直接，但是用于提取 測(cè)試中材料的光學(xué)常量的程序需要包括擬合的多個(gè)步驟。如早先討論的，用于該研究的目 標(biāo)包含嵌入侶保持器72中的Ξ個(gè)塑料材料68(圖3a)。對(duì)于該程序，為了確定第Ξ材料，假定 已知運(yùn)些材料中的兩個(gè)的復(fù)折射率。為了確立方案的自洽性，依次對(duì)Ξ個(gè)材料中的每一個(gè) 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(lái)自疊加在圖3a中的照片 上的圓內(nèi)部的測(cè)量W確定測(cè)試中的每個(gè)材料的復(fù)折射率。參照?qǐng)Dla,外部空腔13中的總相 位延遲可W分解成由通過(guò)空腔的往返行程15引起的透射相位延遲和來(lái)自目標(biāo)的反射的相 位變化，運(yùn)是材料依賴(lài)的。線(xiàn)性電流掃描的二階效應(yīng)是激光頻率(600MHz)的線(xiàn)性調(diào)嗽，導(dǎo)致 透射相位隨時(shí)間的線(xiàn)性依賴(lài)性。因此，作為時(shí)間函數(shù)的一個(gè)頻率調(diào)制周期T內(nèi)的外部相位延 遲(干設(shè)測(cè)量的相位）φ具有下列形式：
[0086]
[0087] 其中齡;是頻率掃描開(kāi)始時(shí)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(shè)測(cè)量相位偏差，W及0R是從測(cè)試中材料反射的相位變化。清楚地，資是瞬 時(shí)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(xué)反饋下的半導(dǎo)體激光器的Lang和kobayasM模型，激光頻率滿(mǎn) 足相位條件(有時(shí)稱(chēng)為超相位方程式）
[0089]
[0090] 其中繳S表示在擾動(dòng)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(xiàn) 寬增強(qiáng)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(shí)施例中使用的，通過(guò)發(fā)射光功率的變化或者等同地通過(guò)激光器端子兩端的電壓 變化直接可觀察干設(shè)測(cè)量的相位變化。嵌入調(diào)制電壓信號(hào)中的自混合信號(hào)通過(guò)下列方程式 與相位變化相關(guān)
[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(hào)的dc分量(與偏離基準(zhǔn)斜 坡的材料依賴(lài)電壓相對(duì)應(yīng)），W及β是調(diào)制指數(shù)。注意，對(duì)于此處使用的調(diào)制方案，通過(guò)其對(duì) 干設(shè)測(cè)量相位gVs的依賴(lài)性，V是時(shí)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(shí)驗(yàn)上獲取的時(shí)域軌跡的集合。方程式（1)-(3)形成具有六個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的模型，即 〇，α，θκ，ΦΛ，ν〇和β。主要地WC、a和0R對(duì)關(guān)于要提取的復(fù)折射率的信息進(jìn)行編碼。為了提取 運(yùn)些參數(shù)，對(duì)于目標(biāo)的每個(gè)空間像素，在最小二乘意義上使模型與數(shù)據(jù)擬合。運(yùn)為圖3a中彩 色圓內(nèi)部的每個(gè)像素提供了 一組參數(shù)值。
[0094] 如果已知材料中的兩個(gè)的η和k，則可W利用它們與參數(shù)模型的關(guān)系并且從而得到 第Ξ材料(測(cè)試中的材料-參見(jiàn)方法）的η和k。將從兩個(gè)不同目標(biāo)獲得的測(cè)試中的六個(gè)材料 的結(jié)果制成表格1并且與來(lái)自文獻(xiàn)的參考值進(jìn)行比較。
[0095]
[0096] 表格1:從兩個(gè)不同目標(biāo)獲得的測(cè)試中的六個(gè)材料的結(jié)果與來(lái)自文獻(xiàn)的參考值進(jìn) 行比較。
[0097] 總之，本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例提供了反饋干設(shè)測(cè)量方式W在THz頻率對(duì)材料進(jìn)行光 學(xué)分析。使用該簡(jiǎn)單、魯棒的方式，同時(shí)獲取材料的類(lèi)強(qiáng)度和類(lèi)相位圖像兩者。該技術(shù)使用 戶(hù)能夠詢(xún)問(wèn)目標(biāo)區(qū)域并且在運(yùn)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(duì) 物質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)的運(yùn)種表征提高了材料科學(xué)中的識(shí)別和辨別。
[009引方法
[0099] 激光器制造和操作：??ζ Q化異質(zhì)結(jié)構(gòu)基于在2.59THZ工作的GaAs/AlGaAs束縛到 連續(xù)有源區(qū)域設(shè)計(jì)。通過(guò)分子束外延在半絕緣GaAs襯底上生長(zhǎng)晶片，其中有源區(qū)域厚度為 11.6皿，由增益介質(zhì)的90個(gè)重復(fù)構(gòu)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(shù)和濕法化學(xué)蝕刻將晶片處理 成表面等離子體脊形波導(dǎo)，其中波導(dǎo)模式的限制由下滲雜層保證。光刻技術(shù)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(kāi)的設(shè)備切面不被 涂敷。
[0100] 使用銅錐將設(shè)備安裝在銅棒上W提供熱接觸，并且隨后對(duì)設(shè)備進(jìn)行導(dǎo)線(xiàn)接合。在 所有實(shí)驗(yàn)中，在Idc = 〇.43A使用恒定電流源操作激光器。將調(diào)制銀齒形電流信號(hào)（50mA峰峰 幅度)疊加在dc電流上，引起600MHz的激光頻率的線(xiàn)性?huà)呙琛?br>[0101] 系統(tǒng)和測(cè)量校準(zhǔn)：目標(biāo)的折射率η和消光系數(shù)k通過(guò)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(biāo)R的反射系數(shù)通過(guò)文獻(xiàn)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(guān)聯(lián)為：
[0102]
[0103] 為了將除來(lái)自目標(biāo)W外的外部反射(包括來(lái)自低溫恒溫器屏蔽和窗口的反射)考 慮在內(nèi)，·題寫(xiě)為：
[0104]
[0105] 其中纔^是測(cè)試中材料的實(shí)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(cè)量但未校準(zhǔn)的反射系數(shù)。
[0106] 沿著類(lèi)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(shí)際相移，ae和be是要確定的未知參數(shù)，W及表示未校準(zhǔn)的反 射的相移。
[0109] 方程式巧)和化)包括可W從對(duì)材料的兩個(gè)測(cè)量與已知?，|p，難）值確定的四個(gè)未知 參數(shù)aR、bR、ae和be,運(yùn)可W看作具有四個(gè)未知數(shù)的一組四個(gè)線(xiàn)性方程組。將兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量 的和實(shí)際的反射系數(shù)和相移的校準(zhǔn)對(duì)分別地指示為抹呼、、蹲)韓惡.游;）和然f,鮮)轉(zhuǎn)誤、、殘1、）， 我們的線(xiàn)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(yùn)些值，則可W容易地計(jì)算測(cè)試中材料的機(jī)奇日RA的實(shí)際值。通過(guò)關(guān)系對(duì)給出(R、0r)和(η、 k)之間的關(guān)系
[0117]該程序適用于嵌入目標(biāo)中的Ξ個(gè)材料(參見(jiàn)圖3a)。使用材料中的兩個(gè)的光學(xué)常量 的來(lái)自文獻(xiàn)的值，將它們看作該程序中的標(biāo)準(zhǔn)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(shí)施例的示例。應(yīng)當(dāng)意識(shí)到，下面概述的步 驟也可完全類(lèi)似方式應(yīng)用至圖2D的透射樣品設(shè)置。
[0120] 1.設(shè)置樣品
[0121] a.將要成像/分析的制備好的樣品46(即，目標(biāo))放在巧時(shí)幾動(dòng)的平臺(tái)48上的樣品保 持器中。
[0122] b .使用CCD攝像機(jī)50調(diào)節(jié)位置（傾角和XYZ) W使樣品表面與THz射束52的焦面對(duì) 準(zhǔn)。
[0123] 2.為操作準(zhǔn)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(kāi)真空累。
[0127] d.將致冷劑傳輸線(xiàn)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(kāi)始冷卻激光器。
[01%] e.打開(kāi)溫度控制器58并且將設(shè)定點(diǎn)調(diào)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(kāi)激光器驅(qū)動(dòng)器60。
[0131] h.設(shè)置信號(hào)發(fā)生器62W生成調(diào)制銀齒波（在化化典型為IV)并且饋送到激光器驅(qū) 動(dòng)器中（IV調(diào)制輸入=對(duì)激光器的50mA輸出。（因此激光器驅(qū)動(dòng)電流是斜坡中的0.43至 0.48A))
[0132] i.實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(zhǔn)備好并且發(fā)射測(cè)量射束
[0135] 3.測(cè)量目標(biāo)
[0136] a.設(shè)置目標(biāo)區(qū)的XY光柵掃描（通過(guò)計(jì)算機(jī)64控制的X-Y平移（典型地，18mm X 18mm)、步長(zhǎng)大小(典型地，100μπΟΚ掃描通過(guò)多個(gè)位置。初始位置是掃描的中屯、點(diǎn)。
[0137] b.開(kāi)始掃描
[0138] i.機(jī)動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)至像素位置
[0139] ii.(通過(guò)ADC 66)取得THz Q化的端子電壓的多個(gè)測(cè)量值(按照1M個(gè)樣品/s，樣品 中的化的典型的128個(gè)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(gè)成像像素并且重復(fù)(i-i i i)。
[0142] c.當(dāng)掃描完成時(shí)返回到開(kāi)始位置(掃描區(qū)的中屯、）。
[0143] 4.停止測(cè)量
[0144] a.關(guān)閉激光器驅(qū)動(dòng)器和信號(hào)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(xiàn)。
[0146] C.關(guān)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(zhǔn)備用于擬合的波形
[0150] i.去除功率斜坡(信號(hào)的平均斜坡）
[0151] ii.修整端部(~100數(shù)據(jù)點(diǎn)避免邊緣瞬態(tài)。
[0152] iii.可選地對(duì)樣品表面的已知傾角進(jìn)行調(diào)節(jié)。
[0153] c.對(duì)于每個(gè)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(biāo)表面的反射率代表、相位代表或者SM模型參 數(shù)中的相對(duì)變化的圖像。
[01W] e.對(duì)于絕對(duì)參數(shù)提取
[0156] i.除未知樣品W外已經(jīng)（同時(shí))掃描了至少兩個(gè)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(cè)量對(duì)和已知對(duì)對(duì)系統(tǒng)誤差系數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。
[0159] iv.隨后可W使用測(cè)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(yīng)用
[0161] 檢測(cè)體內(nèi)皮膚惡性腫瘤
[0162] 利用對(duì)皮膚組織樣品進(jìn)行基于時(shí)域光譜的成像的操作已經(jīng)顯示出從周?chē)】到M 織辨別基底細(xì)胞癌(BCC)的能力。在一系列15個(gè)切除情況中，??ζ對(duì)比度一直超過(guò)做出常規(guī) 成像診斷的可見(jiàn)對(duì)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(dòng) 模式，并且從而引起復(fù)介電常數(shù)中的對(duì)比。在腫瘤組織中微結(jié)構(gòu)的取向（即，纖維取向、細(xì)胞 排列)也在擾動(dòng)，運(yùn)可W通過(guò)測(cè)量ΤΗζ照射的相互作用來(lái)檢巧^。各種癌癥類(lèi)型對(duì)ΤΗζ詢(xún)問(wèn)的運(yùn) 些響應(yīng)的確切本性具有作為用于對(duì)人類(lèi)皮膚進(jìn)行非侵入性體內(nèi)ΤΗζ成像的辨別工具的基礎(chǔ) 的價(jià)值。
[0163] 使用基于ΤΗζ的圖像對(duì)比度和光譜數(shù)據(jù)辨別生物標(biāo)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(shù)?；讷@得的復(fù)介電常數(shù)信息可W對(duì)制備好的流體或者固體 組織的標(biāo)本詢(xún)問(wèn)ΤΗζ特性中的差異。與后天疾病相關(guān)聯(lián)的化學(xué)構(gòu)成的變化和結(jié)構(gòu)變化將是 在正常樣本與病態(tài)樣本之間進(jìn)行辨別的主要來(lái)源。當(dāng)WTHz頻帶外部的頻率檢查時(shí)，所觀察 的差異可能并不一定存在。然而，該應(yīng)用將需要體外樣本與上面針對(duì)體內(nèi)診斷的應(yīng)用形成 對(duì)比。
[0164] 制藥
[0165] 可W使用此處描述的技術(shù)在生產(chǎn)過(guò)程中分析和監(jiān)測(cè)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(guān)鍵因素。實(shí)驗(yàn)證明ΤΗζ 光譜技術(shù)可W借助于運(yùn)些多形體中的結(jié)構(gòu)差異(并且由此分子間振動(dòng)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(lái)酸依那普利、橫胺嚷挫等等）。因此，基于獲得的 復(fù)介電常數(shù)信息可W對(duì)制備好的制藥樣品詢(xún)問(wèn)ΤΗζ特性中的差異。該應(yīng)用具有用于生產(chǎn)線(xiàn) 監(jiān)測(cè)的潛能，包括通過(guò)膠囊的監(jiān)測(cè)。用于監(jiān)測(cè)運(yùn)種結(jié)構(gòu)差異的替換技術(shù)(諸如X射線(xiàn)粉末衍 射)顯著地較慢。此外，近紅外和中紅外光譜通常對(duì)多形變化不太敏感。
[0166] 安全性
[0167] 本發(fā)明的實(shí)施例可W用于檢測(cè)爆炸物(例如畑X、陽(yáng)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(shù)檢測(cè)/感測(cè)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(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明使用ΤΗζ光譜技術(shù)可W容易地識(shí)別 運(yùn)種材料。因此，基于獲得的復(fù)介電常數(shù)信息可W對(duì)制備好的爆炸物/藥物樣品詢(xún)問(wèn)ΤΗζ特 性中的差異。??ζ福射還穿透許多包裝材料，實(shí)現(xiàn)對(duì)隱藏非法化合物的識(shí)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(jié)構(gòu)特征或者方法特征的語(yǔ)言對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了 描述。術(shù)語(yǔ)"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(shí)施的優(yōu)選形式，因此 應(yīng)當(dāng)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(lǐng)域技術(shù)人員適當(dāng)解 釋的所附權(quán)利要求的適當(dāng)范圍內(nèi)的本發(fā)明的形式或者修改中的任何一個(gè)要求保護(hù)本發(fā)明。
[0170] 在整個(gè)說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求書(shū)(如果存在）中，除非上下文另有要求，否則術(shù)語(yǔ)"基本 上"或者"大約"應(yīng)當(dāng)理解為不限于由術(shù)語(yǔ)限定的范圍的值。
[0171] 本發(fā)明的任何實(shí)施例僅旨在例示性的并且并不旨在對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制。因此，應(yīng) 當(dāng)意識(shí)到，可W在不背離本發(fā)明精神和范圍的情況下對(duì)所描述的任何實(shí)施例做出各種其它 改變和修改。
[0172] 結(jié)合本發(fā)明特定方面、實(shí)施例或者示例描述的特征、整體、特性、化合物、化學(xué)部分 或者基團(tuán)將理解為可適用于此處描述的任何其它方面、實(shí)施例或者示例，除非與其矛盾。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于研究目標(biāo)的方法，包括下列步驟： 向所述目標(biāo)引導(dǎo)來(lái)自激光器的第一輻射射束以由此通過(guò)第一射束與所述目標(biāo)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(biāo)的所述相互作用的參數(shù)； 檢測(cè)由所述自混合產(chǎn)生的信號(hào)；以及 處理所述信號(hào)以由此確定與所述目標(biāo)的材料性質(zhì)相關(guān)聯(lián)的相位和幅度變化。2. 根據(jù)權(quán)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(quán)利要求1或者權(quán)利要求2所述的方法，其中所述激光器包括量子級(jí)聯(lián)激光器 QCL〇4. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其中檢測(cè)所述信號(hào)的步驟涉及監(jiān)測(cè)所述 激光器的端子兩端的電信號(hào)。5. 根據(jù)權(quán)利要求1到4中的任一項(xiàng)所述的方法，其中改變參數(shù)的步驟包括對(duì)電流施加調(diào) 制以用于驅(qū)動(dòng)所述激光器。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述調(diào)制包括所述激光射束頻率的連續(xù)波頻率調(diào) 制。7. 根據(jù)權(quán)利要求1至5中的任一項(xiàng)所述的方法，其中處理所述信號(hào)的步驟包括檢測(cè)與由 所述第一射束與所述目標(biāo)的所述相互作用賦予的相移相關(guān)聯(lián)的所述信號(hào)的波形的相移。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中處理所述信號(hào)的步驟還包括檢測(cè)與由所述第一射 束與所述目標(biāo)的所述相互作用賦予的衰減相關(guān)聯(lián)的所述信號(hào)的所述波形的變化。9. 根據(jù)權(quán)利要求1至4中的任一項(xiàng)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(yuǎn)離第一激光輻射射束的源移動(dòng)所述目標(biāo)。10. 根據(jù)權(quán)利要求1至9中的任一項(xiàng)所述的方法，包括處理所述信號(hào)以由此確定與所述 目標(biāo)的材料性質(zhì)相關(guān)聯(lián)的相位和幅度變化，以得到所述目標(biāo)的折射率η和消光系數(shù)k。11. 根據(jù)權(quán)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(biāo)的具有 已知性質(zhì)的一部分相互作用。12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，包括應(yīng)用來(lái)自具有已知值的所述目標(biāo)的所述部分的 兩個(gè)材料的η和k的已知值，以由此得到所述目標(biāo)的第三材料的η和k，所述第三材料是測(cè)試 中的材料。13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，包括使所述激光器自混合的數(shù)學(xué)模型與所述目標(biāo)的 多個(gè)位置中的每一個(gè)的數(shù)據(jù)擬合，以獲得針對(duì)所述位置中的每一個(gè)的一組參數(shù)值。14. 根據(jù)權(quán)利要求1至13中的任一項(xiàng)所述的方法，包括通過(guò)相對(duì)于所述激光器將所述目 標(biāo)移動(dòng)通過(guò)多個(gè)位置來(lái)機(jī)械地掃描所述目標(biāo)，以由此根據(jù)所述目標(biāo)的位置感測(cè)所述目標(biāo)的 所述性質(zhì)的變化。15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，包括處理所感測(cè)的所述目標(biāo)的所述性質(zhì)的變化以產(chǎn) 生所述目標(biāo)的圖像。16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，包括在所述機(jī)械掃描期間測(cè)量多個(gè)位置中的每一個(gè) 處的所述信號(hào)的變化。17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，包括從所述測(cè)量中的每一個(gè)消除由于所述激光器的 功率調(diào)制的影響。18. 根據(jù)權(quán)利要求16或者權(quán)利要求17所述的方法，包括僅處理每個(gè)掃描位置處的所述 信號(hào)的每個(gè)周期的中央部分，以避免所述激光器的調(diào)制周期的所述邊沿處的瞬態(tài)影響。19. 根據(jù)權(quán)利要求16至18中的任一項(xiàng)所述的方法，包括確定每個(gè)位置處所述目標(biāo)的反 射系數(shù)。20. 根據(jù)權(quán)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(hào)的絕對(duì) 值隨時(shí)間的積分。21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，包括通過(guò)使所述信號(hào)的時(shí)域軌跡與所述激光器自混 合的數(shù)學(xué)模型擬合產(chǎn)生來(lái)自所述目標(biāo)的圖像，以由此計(jì)算所述模型的反饋參數(shù)的變化，其 中通過(guò)繪制多個(gè)所述位置中的每一個(gè)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(shí)施例，提供了一種用于研究目標(biāo)的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括： 激光器； 目標(biāo)組件，所述目標(biāo)組件被布置為使來(lái)自所述激光器的射束在與所述組件的目標(biāo)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(yīng)于所述激光器的電氣端子；以及 計(jì)算設(shè)備，所述計(jì)算設(shè)備響應(yīng)于所述數(shù)據(jù)獲取組件，其中所述計(jì)算設(shè)備被編程為確定 與所述目標(biāo)相關(guān)聯(lián)并且通過(guò)與所述目標(biāo)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(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其中所述激光器在所述計(jì)算設(shè)備的控制下，所述計(jì)算 機(jī)設(shè)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(quán)利要求22或者權(quán)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(biāo)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。25. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的系統(tǒng)，其中所述平移組件包括在所述計(jì)算設(shè)備的控制下的 一個(gè)或者多個(gè)致動(dòng)器，其中所述計(jì)算設(shè)備被編程為操作所述平移組件以用于在所述目標(biāo)的 多個(gè)位置中的每一個(gè)處獲取數(shù)據(jù)。26. -種計(jì)算機(jī)軟件產(chǎn)品，所述計(jì)算機(jī)軟件產(chǎn)品包括機(jī)器可讀介質(zhì)，所述機(jī)器可讀介質(zhì) 承載有形機(jī)器可讀指令用于電子處理器以： 操作激光器以向目標(biāo)組件引導(dǎo)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(biāo)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(biāo)組件的目標(biāo)部分的相位和幅度變化性質(zhì)。
【文檔編號(hào)】G01N21/3581GK105829844SQ201480056750
【公開(kāi)日】2016年8月3日
【申請(qǐng)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(qǐng)人】昆士蘭大學(xué), 利茲大學(xué)