СПОСОБ И УСТРОЙСТВО МУЛЬТИСПЕКТРАЛЬНОГО СКОРОСТНОГО ПОЛУЧЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ В ТЕРАГЕРЦЕВОЙ ОБЛАСТИ СПЕКТРА Российский патент 2022 года по МПК G01N21/3581 G02F1/355 

Изобретение относится к устройству и способу генерации импульсного широкополосного электромагнитного излучения терагерцевого (ТГц) диапазона частот и может использоваться при мультиспектральной высокоскоростной терагерцевой диагностике биологических, фармацевтических и композитных материалов.

Известны система и способ для измерения терагерцевых изображений (US2004065831A1, опуб. 08.04.2004), которые предназначены для быстрого и эффективного исследования интересующей области объекта для определения наличия определенных веществ. Устройство подразумевает наличие внешнего источника электромагнитного излучения желаемой терагерцевой частоты, подходящей для исследования и визуализации интересующей области образца с помощью интерференции этого излучения с опорным узкополосным терагерцевым излучением, полученным при смешении двух оптических лазерных излучений с разностью частот около 1 ТГц. Детектирование происходит во множестве точек в плоскости, отстоящей от области исследования на основе регистрации терагерцевого излучения, отраженного или прошедшего через область исследования.

Недостаток известного технического решения связан с высокой технической сложностью системы регистрации, связанной с низкой мощностью существующих компактных источников терагерцевого излучения, на которые ориентировано данное изобретение. Кроме того, данное техническое решение не позволяет провести быстрое измерение с высоким отношением сигнал/шум и высоким пространственным разрешением около 100 - 500 мкм.

Известно техническое решение на основе кристаллического полупроводника, используемое в генераторах импульсного широкополосного электромагнитного излучения терагерцевого диапазона частот, основанных на преобразовании фемтосекундного лазерного излучения.

Техническое решение описано в публикации: Vitalij L. Malevich a, Ramunas Adomavicius, Arunas Krotkus, «THz emission from semiconductor surfaces», Science Direct, C.R. Physique 9 (2008) 130-141. Генерация терагерцевого излучения происходит при поглощении фемтосекундного лазерного излучения в кристаллическом полупроводнике и связана с возникновением в нем импульсного фототока за счет механизмов диффузии фотовозбужденных носителей заряда (эффект Дембера) и их дрейфа в собственном электрическом поле кристаллического полупроводника.

Недостаток известного технического решения связан с низким коэффициентом преобразования лазерного излучения в терагерцевое излучение, а именно с выводом сгенерированного терагерцевого излучения из приповерхностного слоя кристаллического полупроводника наружу. Второй недостаток известного технического решения связан с малой эффективностью конверсии энергии лазерного излучения в ТГц излучение.

Известно техническое решение на основе оптического выпрямления фемтосекундного излучения хром-форстеритовой лазерной системы на длине волны 1.24 мкм в нелинейно оптических органических кристаллах DAST, OH и других, описанное в публикациях Vicario C et al 2014 Opt. Lett. 39 6632; Vicario C et al 2015 Opt. Express 23 4573. Получено высокое преобразование около 1% при энергии терагерцевого импульса до 900 мкДж.

К недостаткам этого технического решения следует отнести: 1) отсутствие широкого фазового синхронизма при оптическом выпрямлении в известных органических кристаллах и связанная с этим невозможность повышения эффективности преобразования; 2) особенности кристалла хром-форстерит, препятствующие получению фемтосекундного лазерного излучения с высокой средней мощностью и связанная с этим невозможность получить терагерцевое излучение с высокой средней мощностью и 3) низкий порог деградации органических кристаллов под действием излучения на длине волны 1.24 мкм и связанная с этим необходимость использовать нелинейные кристаллы большой площади с высокой стоимостью.

Известно техническое решение на основе фотопроводящих антенн с использованием решеток с плазмонным контактом и фемтосекундного лазерного излучения, опубликованное в N. T. Yardimci, S. Yang, C. W. Berry and M. Jarrahi, "High-Power Terahertz Generation Using Large-Area Plasmonic Photoconductive Emitters," in IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology, vol. 5, no. 2, pp. 223-229, March 2015, doi: 10.1109/TTHZ.2015.2395417. Генерация ТГц излучения происходит в процессе оптического выпрямления фемтосекундного лазерного излучения массивом фотопроводящих антенн, эффективность преобразования достигает 1.5% при средней мощности лазерного излучения 240 мВт и частоте следования лазерных импульсов в 20 – 100 МГц. К недостаткам данного технического решения следует отнести сложность создания компактных источников ТГц излучения со средней мощностью около 100 мВт, связанную с необходимостью создания массивов фотопроводящих антенн с большой площадью.

Наиболее близким в предложенному является техническое решение, система и способ получения и обнаружения излучения терагерцевого излучения (US2009303574A1, опубл. 10.12.2009), которое принято за прототип заявленного изобретения.

Техническое решение относится к широкополосной терагерцевой системе и способу генерации и обнаружения излучения. ТГц излучение генерируется путем оптического выпрямления ультракороткого импульса накачки первой длины волны, имеющего длительность в пикосекундном или субпикосекундном диапазоне в первом нелинейно-оптическом кристалле. ТГц излучение детектируется с помощью электрооптического стробирования или другого подходящего метода с использованием зондирующего оптического пучка, имеющего вторую длину волны за счет преобразования во втором нелинейно-оптическом кристалле. При этом выполняется по меньшей мере одно из следующих условий:

а) первая длина волны отличается от второй длины волны;

б) материал первого нелинейного оптического кристалла отличается от материала второго нелинейного оптического кристалла.

Это позволяет выбрать для генерации и для процесса обнаружения, независимо друг от друга, комбинацию длин волн и нелинейного материала и другие особенности импульсов накачки зондирующего излучения, такие как поляризация, для получения максимально возможной эффективности генерации и обнаружения терагерцевых импульсов.

Система, согласно этому техническому решению, включает в себя лазерный источник излучения для генерации оптических пучков накачки и зондирования (УФ, видимый или инфракрасный диапазон излучения), имеющих длительность импульсов в пикосекундном или субпикосекундном диапазоне. Система включает первый нелинейно оптический кристалл, расположенный на пути пучка накачки. Оптические свойства первого нелинейно-оптического кристалла выбираются таким образом, чтобы терагерцевые импульсы или терагерцевый пучок генерировались с максимальной эффективностью, например, при оптическом выпрямлении излучения накачки. Кроме того, система включает второй нелинейно оптический кристалл, расположенный на пути пробного пучка. Оптические свойства второго нелинейного оптического кристалла выбираются таким образом, чтобы обеспечить оптимальные условия для регистрации терагерцевого пучка, например, с методом электрооптического стробирования, при котором на второй нелинейно-оптический кристалл поступают как зондирующий, так и терагерцевый пучки. Система дополнительно включает в себя устройство, регистрирующее необходимые параметры зондирующего пучка, например, его поляризацию и/или интенсивность.

Недостаток известного технического решения связан с невысокой средней мощностью терагерцевого излучения (до 10 мВт), не способной обеспечить скоростную регистрацию терагерцевых изображений (в режиме реального времени) с помощью линейных либо матричных приемников; присутствием второго канала оптического излучения (зондирующего пучка) для регистрации терагерцевых изображений и, как следствие, присутствием системы сканирования образца или второго лазерного пучка для регистрации изображений, что приводит к усложнению системы регистрации, появлению дополнительных шумов в изображении и увеличению времени, необходимого для проведения регистрации полного изображения; присутствие дополнительных нелинейно-оптических кристаллов для регистрации терагерцевых изображений, что приводит к увеличению габаритных размеров устройства, а также к усложнению самой конструкции устройства и процесса подготовки устройства к работе, что приводит к уменьшению стабильности, а следовательно, и недостаточной эффективности известного технического решения.

Технической проблемой, решаемой заявленным изобретением является создание способа мультиспектрального высокоскоростного получения изображений объектов, в том числе поверхностных слоев, с целью терагерцевой диагностики биологических тканей, органических и неорганических, в том числе композитных, материалов путем генерации излучения ТГц диапазона (диапазон частот 0.1-10 ТГц) c высокой средней мощностью (до 100 мВт), широким спектром (относительная ширина спектра ~100%) и скоростной регистрации изображений в указанном диапазоне спектра, которые имеют повышенную эффективность преобразования на этапе генерации и, как следствие, повышенное отношение сигнал-шум на этапе обнаружения.

Также решается проблема создания компактного устройства для реализации этого способа, которое в целом обеспечит высокоскоростную мультиспектральную съемку терагерцевых изображений и их обработку в режиме реального времени и, таким образом, подходит для коммерческого использования, например, в качестве ТГц спектрометра и/или устройства формирования ТГц изображения, а также для передачи изображений в системах связи.

Техническая проблема решается способом мультиспектрального скоростного получения пространственных изображений, по которому генерируют квазинепрерывное фемтосекундное лазерное излучение на центральной длине волны в диапазоне 1.3-2.0 мкм с частотой следования импульсов 0.1-5 МГц, осуществляют его оптическое выпрямление в нелинейно-оптическом органическом кристалле в условиях фазового синхронизма с получением пучка широкополосного терагерцевого излучения в диапазоне частот электромагнитного излучения 0.1 – 10 ТГц и средней мощностью 100 мВт и более и пространственным разрешением порядка длины волны используемого терагерцевого излучения 90-900 мкм, осуществляют сканирование образца полученным терагерцевым пучком в режиме на отражение или пропускание, регистрируют сформированный терагерцевый пучок с помощью линейки или матрицы микродетекторов и обрабатывают полученное изображение в режиме реального времени.

Кроме того, регистрацию сформированного терагерцевого пучка можно осуществлять одновременно в узких спектральных линиях в диапазоне 0.3-3 ТГц.

Возможна прямая регистрация терагерцевого излучения с помощью линейки или матрицы микродетекторов, в качестве которых используют микроантенны, или микроболометры, или приемные элементы на основе полупроводниковых структур, или твердотельные детекторы.

Кроме того, возможен другой вариант регистрации терагерцевого изображения пробным оптическим пучком с использованием нелинейно-оптического метода, например, ап-конверсии изображения, или вращения плоскости поляризации, или генерации второй гармоники.

Предпочтительно использовать квазинепрерывное фемтосекундное лазерное излучение на центральной длине волны 1.55 мкм и для оптического выпрямления используют нелинейно-оптический органический кристалл DAST.

Техническая проблема решается также устройством для мультиспектрального скоростного получения пространственных изображений, содержащим фемтосекундный квазинепрерывный лазер со средней мощностью от 5 Вт, центральной длиной волны излучения в диапазоне 1.3-2.0 мкм, длительностью импульсов 250-500 фс, частотой следования импульсов 0.1-5 МГц, состоящий из генератора ультракоротких лазерных импульсов на частоте следования 80-100 МГц с синхронизацией мод, модулятора для выделения импульсов из исходного цуга и понижения частоты следования до 0.1-5 МГц, стретчера и компрессора, оптических изоляторов для уменьшения перекрёстных помех в последующих каскадах усиления и лазерного усилителя, содержащее также оптическую схему для согласования диаметра лазерного пучка с апертурой нелинейного органического кристалла, преобразователь оптического излучения в терагерцевый диапазон спектра на основе оптического выпрямления в нелинейно-оптическом органическом кристалле в условиях фазового синхронизма, системы фиксации и сканирования образца, оптическую схему для согласования диаметра прошедшего через образец или отраженного от образца терагерцевого пучка с апертурой используемого детектора, линейный детектор, установленный на однокоординатный транслятор в направлении, перпендикулярном линейке детекторов, или матричный детектор и блок обработки изображений на базе микропроцессора и/или программируемых логических матриц, обеспечивающий в режиме реального времени накопление данных, фильтрацию изображения от шумов, визуализацию изображения и его передачу на другие внешние устройства.

Устройство может дополнительно содержать систему узкополосных ТГц фильтров для обеспечения регистрации изображения в выбранном спектральном диапазоне.

Кроме того, в предпочтительном варианте указанный лазер имеет центральную длину волны излучения 1.55 мкм, указанный генератор представляет собой эрбиевый волоконный генератор ультракоротких лазерных импульсов с синхронизацией мод на основе нелинейного вращения плоскости поляризации, указанный модулятор представляет собой акустооптический модулятор, стретчер и компрессор выполнены на основе объёмных чирпированных решёток, а указанный преобразователь оптического излучения в терагерцевый диапазон спектра выполнен на основе нелинейно-оптического органического кристалла DAST.

Кроме того, устройство может включать гибкие волноведущие структуры для передачи и приема терагерцевого излучения.

Возможны варианты выполнения устройства с указанным детектором, выполненным на основе линейки или матрицы микроантенн, или микроболометров, или полупроводниковых или твердотельных устройств с возможностью прямой регистрации терагерцевого изображения.

Устройство также может быть выполнено с возможностью совмещения терагерцевой диагностики с оптической или ИК диагностикой одних и тех же областей исследуемых образцов с подключением к средствам отображения информации что позволяет обеспечить взаимодополняющую информацию об объекте исследования.

Технический результат данного изобретения заключается в увеличении мощности генератора терагерцевого излучения и обеспечении сверхскоростной визуализации в режиме реального времени, а также в уменьшении габаритных размеров и стоимости устройства, повышение простоты его использования и наладки, для широкого внедрения методов терагерцевой визуализации в научных, медицинских и материаловедческих задачах.

Важным аспектом изобретения является компактность, долговременная стабильность и малое энергопотребление устройства.

Преимуществом предлагаемых способа и устройства является малое время измерения одной точки изображения за счет высокой средней мощности порядка 100 мВт зондирующего терагерцевого излучения, что позволяет производить растровое линейное сканирование области образца и существенно уменьшает общее время измерения изображения, повышает отношение сигнал-шум этого изображения и достижимое пространственное разрешение предлагаемого способа, то есть позволяет производить сканирование в режиме реального времени.

Кроме того, преимуществом рассматриваемых способа и устройства является мультиспектральность, то есть возможность за счет широкого частотного спектра зондирующего терагерцевого излучения и его высокой средней мощности проводить одновременную регистрацию изображений как в узком спектральном интервале из рассматриваемого диапазона частот, так и в нескольких таких интервалах, либо в широком диапазоне частот, что позволяет получать одновременно спектрально разрешенные пространственные отпечатки одних и тех же областей образцов.

В этом случае возможно разделение терагерцевого пучка после прохождения через образец на два и более каналов с установленными в них полосовыми фильтрами на определенные спектральные диапазоны и одновременная регистрация двух или более терагерцевых изображений двумя или более системами датчиков с обработкой двумя или более микропроцессорными блоками, что существенно уменьшает общее время измерения изображения и/или повышает отношение сигнал-шум этого изображения и достижимое пространственное разрешение предлагаемого способа.

Изобретение обеспечивает возможность обработки данных в режиме реального времени, получаемых на чувствительных в терагерцевом диапазоне длин волн матричных сенсорах, с помощью программируемых логических интегральных схем, микропроцессоров или с использованием программных средств, установленных на вычислительных средствах.

Использование гибких волноведущих структур для передачи и приема терагерцевого излучения в эндоскопических инструментах обеспечивает проведение исследований не только внешней поверхности предметов и тканей, но и проведение эндоскопических, колоноскопических и гастроскопических исследований, а также исследований скрытых и труднодоступных областей.

Изобретение иллюстрируется чертежами.

На фиг. 1 показана схема осуществления предложенного способа.

На фиг. 2 – схема функционирования предложенного устройства.

На чертежах приняты следующие обозначения:

1 - фемтосекундный квазинепрерывный компактный лазер

2 - генератор ультракоротких лазерных импульсов

3 - модулятор

4 - стретчер

5 - компрессор

6 - оптические изоляторы

7 - лазерный усилитель

8 - оптическая схема

9 - преобразователь оптического излучения в терагерцевый диапазон

10 – образец исследуемого материала с системой фиксации и сканирования образца

11 - оптическая схема

12, 12’- линейный или матричный детектор

13 - узкополосные терагерцевые фильтры

14 - блок скоростной обработки изображений на базе микропроцессора.

15 - лазерный пучок накачки

16 - терагерцевый пучок

17, 17’ - пучок терагерцевого импульсного излучения

Предлагаемый способ мультиспектрального скоростного получения пространственных изображений осуществляется следующим образом (фиг. 1).

Лазером 1 генерируется лазерный пучок 15 накачки средней и импульсной мощностью 10 Вт и 20 кВт соответственно, содержащий световые импульсы в инфракрасном диапазоне, имеющие длительность импульса в пикосекундном или субпикосекундном диапазоне. Производится нелинейное преобразование упомянутого лазерного пучка 15 в преобразователе 9 оптического излучения в терагерцевый диапазон в пучок 16 терагерцевого импульсного излучения, причем длина волны лазерного пучка соответствует режиму фазового синхронизма при преобразовании инфракрасного излучения в терагерцевое излучение. Осуществляется экспонирование образца 10 исследований терагерцевым пучком 16 в режиме на отражение, либо на прохождение и формируется терагерцевый пучок 17 либо 17’. Осуществляется прямая регистрация поперечного распределения интенсивности терагерцевого пучка 17 либо 17’ с помощью матричного детектора 12, либо 12’. В качестве детектора может также выступать линейный терагерцевый датчик, в этом случае экспонирование образца 10 осуществляется при одномерном сканировании терагерцевого пучка 16 в плоскости образца 10.

Способ характеризуется:

- наличием фемтосекундного лазера с высокой частотой следования до 1 МГц и выше и средней энергией лазерного импульса до десятков микроджоулей, и как следствие повышенным отношением сигнал-шум получаемых изображений и пространственным разрешением порядка длины волны используемого терагерцевого излучения – 90-900 мкм.

- наличием только одного лазерного пучка;

- наличием только одного нелинейно-оптического кристалла;

- высокой скоростью сканирования и/или малым временем измерения в одной точке;

- длиной волны, настроенной в максимум преобразования используемых нелинейно-оптических кристаллов за счет наличия фазового синхронизма для процесса оптического выпрямления;

- широким диапазоном перестройки с возможностью работы как на широком спектре 0.1 – 10 ТГц, так и в узких спектральных линиях в диапазоне 0.3-3 ТГц;

- изображением, получаемым с использованием линейки или матрицы микроантенн либо других датчиков и формирующимся в режиме реального времени с помощью программируемых логических интегральных схем, обеспечивающих взаимодополняющую информацию об объекте исследования.

Технический результат предлагаемого способа генерации импульсного широкополосного электромагнитного излучения терагерцевого диапазона частот основан на получении повышенного отношения сигнала-шум, пространственного разрешения порядка длины волны используемого терагерцевого излучения – 90 - 900 мкм и мультиспектральности, т.е. возможности за счет широкого частотного спектра, зондирующего терагерцевого излучения и его высокой средней мощности проводить одновременную регистрацию изображений как в узком спектральном интервале из рассматриваемого диапазона частот, так и в нескольких таких интервалах, либо в широком диапазоне частот, что позволяет получать спектрально разрешенные пространственные отпечатки одних и тех же областей образцов одновременно. В этом случае возможно разделение терагерцевого пучка после прохождения через образец на два и более каналов с установленными в них полосовыми фильтрами на определенные спектральные диапазоны и одновременная регистрация двух или более терагерцевых изображений двумя или более системами датчиков с обработкой двумя или более микропроцессорными блоками, что существенно уменьшает общее время измерения изображения и/или повышает отношение сигнал-шум этого изображения и достижимое пространственное разрешение предлагаемого способа.

В другом из предпочтительных вариантов способа преобразование мощного оптического ИК излучения на длине волны в диапазоне 1.3 - 2.0 мкм осуществляется в процессе оптического выпрямления в нелинейно-оптическом кристалле, обеспечивающем эффективный фазовый синхронизм на выбранной длине волны ИК излучения.

В другом из предпочтительных вариантов способа возможна работа на нескольких длинах волн терагерцевого диапазона, формируемых с помощью набора узкополосных фильтров, а также работа «на отражение» и «на просвет» на узкой ТГц линии.

В одном из предпочтительных вариантов способа регистрация изображения осуществляется с помощью линейки или матрицы микроантен.

В другом из предпочтительных вариантов способа регистрация изображения осуществляется с помощью линейки или матрицы микроболометров, линеек или матриц приемных элементов на основе полупроводниковых структур, а также с применением твердотельных детекторов.

В другом из предпочтительных вариантов способа визуализация осуществляется с использованием нелинейно-оптических методов и пробного пучка лазерного излучения, таких как ап-конверсия изображения, вращение плоскости поляризации, генерация второй гармоники и т.п.;

В другом из предпочтительных вариантов способа возможно использование гибких волноведущих структур для передачи и приема терагерцевого излучения в эндоскопических инструментах, что обеспечивает проведение исследований не только внешней поверхности предметов и тканей, но и проведение эндоскопических, колоноскопических и гастроскопических исследований, а также исследований скрытых и труднодоступных областей.

Все описанные варианты предложенного способа терагерцевой визуализации лишь иллюстрируют заявленное изобретение, и не ограничивают объем притязаний, который включает все возможные варианты осуществления изобретения.

Таким образом, предложенный способ высокоскоростной терагерцевой диагностики биологических и композитных материалов на основе высокоэффективного генератора мощного (около 100 мВт средней мощности) перестраиваемого (от 0.1 до 10 ТГц) терагерцевого излучения, позволяющий повысить отношение сигнал-шум изображения, получить пространственное разрешение изображения порядка длины волны используемого терагерцевого излучения 90-900 мкм и мультиспектральность, и методов сверхскоростной визуализации в режиме реального времени с применением математических методов обработки данных, реализованных на программируемых логических интегральных схемах, обеспечивающими взаимодополняющую информацию об объекте исследования, позволяет увеличить надежность и точность диагностики биологических, фармацевтических и композитных материалов, также передачи изображений в системах связи, с одной стороны за счёт методов сверхскоростной визуализации в режиме реального времени, с другой стороны за счёт обеспечения

«скорости отклика» системы на уровне реального времени, что позволяет значительно снизить риски, например, при оперативном вмешательстве.

Устройство (фиг. 2), реализующее данный способ, содержит мощный фемтосекундный квазинепрерывный компактный лазер 1 (средняя мощность от 5 Вт, центральная длина волны излучения в диапазоне 1.3-2.0 мкм, длительность импульсов 250-500 фс, частота следования импульсов 0.1-5 МГц), который в свою очередь, состоит из генератора 2 ультракоротких лазерных импульсов на частоте следования 80-100 МГц с синхронизацией мод, модулятора 3 для выделения импульсов из исходного цуга и понижения частоты следования до 0.1-5 МГц, стретчера 4 и компрессора 5; оптические изоляторы 6 для уменьшения перекрёстных помех в последующих каскадах усиления; лазерный усилитель 7; оптическую схему 8 для согласования диаметра лазерного пучка с апертурой нелинейного органического кристалла; преобразователь 9 оптического излучения в терагерцевый диапазон спектра на основе оптического выпрямления в нелинейно-оптическом органическом кристалле в условиях эффективного фазового синхронизма; систему фиксации и сканирования образца 10; оптическую схему 11 для согласования диаметра прошедшего (или отраженного) через образец 10 терагерцевого пучка с апертурой используемого детектора; линейный (установленный на однокоординатный транслятор в направлении, перпендикулярном линейке детекторов) или матричный детектор 12, обеспечивающего многоканальную регистрацию терагерцевого изображения; системы узкополосных ТГц фильтров и блок 14 скоростной обработки изображений на базе микропроцессора и/или программируемых логических матриц, обеспечивающего накопление данных, фильтрацию изображения от шумов, визуализацию изображения и его передачу на другие внешние устройства.

Устройство также может содержать системы 13 узкополосных терагерцевых фильтров.

Устройство характеризуется:

- наличием только одного лазерного пучка;

- наличием только одного нелинейно-оптического кристалла;

- малым временем измерения в одной точке;

- наличием фемтосекундного лазера с высокой частотой следования до 1 МГц и выше и средней энергией лазерного импульса до десятков микроджоулей;

- длиной волны, настроенной в максимум преобразования используемых нелинейно-оптических кристаллов за счет наличия фазового синхронизма для процесса оптического выпрямления;

- широким диапазоном перестройки с возможностью работы как на широком спектре 0.1 – 10 ТГц, так и в узких спектральных линиях в диапазоне 0.3-3 ТГц;

- изображением, получаемым с использованием линейного или матричного детектора и формирующимся в режиме реального времени с помощью корреляционных методов обработки, реализованных на программируемых логических интегральных схемах, обеспечивающими взаимодополняющую информацию об объекте исследования;

- пространственным разрешением порядка длины волны используемого терагерцевого излучения – 90 – 900 мкм.

Одним из вариантов реализации предложенного устройства является мощный фемтосекундный квазинепрерывный компактный лазер с центральной длиной волны излучения 1.55 мкм, который в свою очередь, состоит из эрбиевого волоконного генератора ультракоротких лазерных импульсов с синхронизацией мод на основе нелинейного вращения плоскости поляризации, акустооптического модулятора, стретчера и компрессора на основе объёмных чирпированных решёток, оптических изоляторов, эрбиевого усилителя. Для преобразования оптического излучения в терагерцевый диапазон спектра используется в этом случае органический кристалл DAST.

Важным аспектом заявленного устройства является компактность, долговременная стабильность и малое энергопотребление устройства, что приводит к значительному снижению стоимости устройства, достигаемые сочетанием его ключевых компонент:

- компактного экономичного фемтосекундного твердотельного лазера на длине волны 1.55 мкм с высокой средней мощностью свыше 5 Вт, частотой следования импульсов 0.1 – 5 МГц и высокой долговременной стабильностью характеристик, что позволяет сократить использование дополнительных элементов со значительными массогабаритными характеристиками (например, отсутствием дополнительных нелинейно-оптических кристаллов для регистрации терагерцевых изображений и отсутствием системы сканирования образца или второго лазерного пучка для регистрации изображений и т.п.) для увеличения мощности излучения;

- высокоэффективного преобразователя оптического излучения в терагерцевый диапазон спектра на основе эффекта оптического выпрямления в нелинейно- оптическом органическом кристалле, например, таком как DAST, в условиях эффективного фазового синхронизма, что позволяет проводить более качественные и точные исследования;

- линейного, либо матричного массива датчиков и микропроцессорного блока, способствующего обработки изображений в режиме реального времени.

Устройство работает следующим образом:

Мощный фемтосекундный квазинепрерывный лазер 1 создает излучение, направленное на оптическую схему 8 для согласования диаметра лазерного пучка с апертурой нелинейного органического кристалла и далее на преобразователь 9 оптического излучения в терагерцевый диапазон спектра на основе эффекта оптического выпрямления в нелинейно-оптическом органическом кристалле в условиях эффективного фазового синхронизма. Системы фиксации и сканирования образца 10 обеспечивают освещение терагерцевым пучком выбранного участка поверхности образца. Оптическая схема 11 применяется для согласования диаметра прошедшего (или отраженного) через образец 10 терагерцевого пучка с апертурой используемого детектора 12, а линейный или матричный детектор 12 обеспечивает прямую многоканальную регистрацию терагерцевого изображения. В случае наличия систем 13 узкополосных ТГц фильтров они обеспечивают измерение изображения в выбранном спектральном диапазоне. Блок 14 скоростной обработки изображений на базе микропроцессора и/или программируемых логических матриц обеспечивает накопление данных, фильтрацию изображения от шумов, визуализацию изображения и его передачу на другие внешние устройства.

Существенным аспектом устройства является использование высокоэффективного источника мощного широкополосного терагерцевого излучения на основе фемтосекундного компактного ИК лазера и излучения с центральной длиной волны в диапазоне 1.3-2.0 мкм (от 5 Вт средней мощности), который осуществляется на основе процесса оптического выпрямления в нелинейно-оптическом органическом кристалле.

Важным вариантом устройства является возможность использования квазинепрерывного фемтосекундного лазерного излучения на длине волны 1.55 мкм в сочетании с нелинейно-оптическим органическим кристаллом DAST.

Ещё один аспект устройства касается возможности прямой регистрации терагерцевого излучения без регистрации изменения характеристик пробного пучка и обработки данных в режиме реального времени, получаемых на чувствительных в терагерцевом диапазоне длин волн матричных сенсорах, с помощью программируемых логических интегральных схем, микропроцессоров или с использованием программных средств, установленных на вычислительных средствах.

Другим аспектом устройства является возможность использования гибких волноведущих структур для передачи и приема терагерцевого излучения в эндоскопических инструментах, что обеспечивает проведение исследований не только внешней поверхности предметов и тканей, но и проведение эндоскопических, колоноскопических и гастроскопических исследований, а также исследований скрытых и труднодоступных областей.

Другим аспектом предлагаемого устройства, является возможность совмещения оптической, ИК и терагерцевой диагностик одних и тех же областей исследуемых образцов с подключением к различным средствам отображения информации, что позволяет обеспечить взаимодополняющую информацию об объекте исследования.

В другом из предпочтительных вариантов устройства получение изображения осуществляется при работе на нескольких длинах волн, формируемых с помощью системы 13 узкополосных фильтров.

В одном из предпочтительных вариантов устройства регистрация изображения осуществляется с помощью линейки или матрицы микроантенн, или с помощью линейки или матрицы микроболометров, или линеек или матриц приемных элементов на основе полупроводниковых структур, а также с применением твердотельных детекторов.

В другом из предпочтительных вариантов устройства визуализация осуществляется с использованием нелинейно-оптических методов, таких как ап- конверсия изображений, вращение плоскости поляризации или генерация второй гармоники пробного пучка, вращение плоскости поляризации пробного лазерного излучения, генерация второй гармоники пробного излучения и других.

Таким образом, устройство для реализации предложенного способа мультиспектральной высокоскоростной терагерцевой диагностики материалов, преимущественно биологических, фармацевтических и композитных материалов позволяет увеличить качественные характеристики получаемых изображений в терагерцевым диапазоне электромагнитных волн и уменьшить время их получения, уменьшить массогабаритные размеры за счет введения компактного экономичного фемтосекундного твердотельного лазера на длине волны 1.55 мкм с высокой средней мощностью свыше 5 Вт, частотой следования импульсов 0.1-5 МГц, что способствует созданию относительно компактной системы с высокой долговременной стабильностью характеристик и малому энергопотреблению устройства и, следовательно, к значительному снижению стоимости устройства, а также за счет введения высокоэффективного преобразователя оптического излучения в терагерцевый диапазон спектра на основе эффекта оптического выпрямления в нелинейно-оптическом органическом кристалле, например, таком как DAST, в условиях эффективного фазового синхронизма позволяет проводить более качественные и точные исследования и на основе линейного, либо матричного массива датчиков и микропроцессорного блока, позволяет обрабатывать информацию в режиме реального времени.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и касается способа мультиспектрального скоростного получения пространственных изображений. При осуществлении способа генерируют квазинепрерывное фемтосекундное лазерное излучение на центральной длине волны в диапазоне 1,3-2,0 мкм с частотой следования импульсов 0,1-5 МГц, осуществляют его оптическое выпрямление в нелинейно-оптическом органическом кристалле в условиях фазового синхронизма с получением пучка широкополосного терагерцевого излучения в диапазоне частот электромагнитного излучения 0,1-10 ТГц и средней мощностью 100 мВт и пространственным разрешением порядка длины волны используемого терагерцевого излучения 90-900 мкм. Полученным терагерцевым пучком осуществляют сканирование образца в режиме на отражение или пропускание, регистрируют сформированный терагерцевый пучок с помощью линейки или матрицы микродетекторов и обрабатывают полученное изображение в режиме реального времени. Технический результат заключается в увеличении мощности генератора терагерцевого излучения и обеспечении визуализации в режиме реального времени. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ мультиспектрального скоростного получения пространственных изображений, по которому генерируют квазинепрерывное фемтосекундное лазерное излучение на центральной длине волны в диапазоне 1,3-2,0 мкм с частотой следования импульсов 0,1-5 МГц, осуществляют его оптическое выпрямление в нелинейно-оптическом органическом кристалле в условиях фазового синхронизма с получением пучка широкополосного терагерцевого излучения в диапазоне частот электромагнитного излучения 0,1-10 ТГц и средней мощностью 100 мВт и более и пространственным разрешением порядка длины волны используемого терагерцевого излучения 90-900 мкм, осуществляют сканирование образца полученным терагерцевым пучком в режиме на отражение или пропускание, регистрируют сформированный терагерцевый пучок с помощью линейки или матрицы микродетекторов и обрабатывают полученное изображение в режиме реального времени.

2. Способ по п. 1, в котором регистрацию сформированного терагерцевого пучка осуществляют одновременно в узких спектральных линиях в диапазоне 0,3-3 ТГц.

3. Способ по п. 1, в котором осуществляют прямую регистрацию терагерцевого излучения с помощью линейки или матрицы микродетекторов, в качестве которых используют микроантенны, или микроболометры, или полупроводниковые или твердотельные устройства.

4. Способ по п. 1, в котором регистрацию терагерцевого изображения осуществляют пробным оптическим пучком с использованием нелинейно-оптического метода, например, ап-конверсии изображения, или вращения плоскости поляризации, или генерации второй гармоники.

5. Способ по п. 1, в котором используют квазинепрерывное фемтосекундное лазерное излучение на центральной длине волны 1,55 мкм и для оптического выпрямления используют нелинейно-оптический органический кристалл DAST.

6. Устройство для мультиспектрального скоростного получения пространственных изображений, содержащее фемтосекундный квазинепрерывный лазер со средней мощностью от 5 Вт, центральной длиной волны излучения в диапазоне 1,3-2,0 мкм, длительностью импульсов 250-500 фс, частотой следования импульсов 0,1-5 МГц, состоящий из генератора ультракоротких лазерных импульсов на частоте следования 80-100 МГц с синхронизацией мод, модулятора для выделения импульсов из исходного цуга и понижения частоты следования до 0,1-5 МГц, стретчера и компрессора, оптических изоляторов для уменьшения перекрёстных помех в последующих каскадах усиления и лазерного усилителя, содержащее также оптическую схему для согласования диаметра лазерного пучка с апертурой нелинейного органического кристалла в условиях фазового синхронизма, преобразователь оптического излучения в терагерцевый диапазон спектра на основе оптического выпрямления в нелинейно-оптическом органическом кристалле, системы фиксации и сканирования образца, оптическую схему для согласования диаметра прошедшего через образец или отраженного от образца терагерцевого пучка с апертурой используемого детектора, линейный детектор, установленный на однокоординатный транслятор в направлении, перпендикулярном линейке детекторов, или матричный детектор, и блок обработки изображений на базе микропроцессора и/или программируемых логических матриц, обеспечивающий в режиме реального времени накопление данных, фильтрацию изображения от шумов, визуализацию изображения и его передачу на другие внешние устройства.

7. Устройство по п. 6, которое содержит дополнительно систему узкополосных терагерцевых фильтров для обеспечения регистрации изображения в выбранном спектральном диапазоне.

8. Устройство по п. 6, в котором указанный лазер имеет центральную длину волны излучения 1,55 мкм, указанный генератор представляет собой эрбиевый волоконный генератор ультракоротких лазерных импульсов с синхронизацией мод на основе нелинейного вращения плоскости поляризации, указанный модулятор представляет собой акустооптический модулятор, стретчер и компрессор выполнены на основе объёмных чирпированных решёток, а указанный преобразователь оптического излучения в терагерцевый диапазон спектра выполнен на основе нелинейно-оптического органического кристалла DAST.

9. Устройство по п. 6, которое включает гибкие волноведущие структуры для передачи и приема терагерцевого излучения.

10. Устройство по п. 6, в котором указанный детектор выполнен на основе линейки или матрицы микроантенн, или микроболометров, или полупроводниковых или твердотельных устройств с возможностью прямой регистрации терагерцевого изображения.

11. Устройство по п. 6, которое выполнено с возможностью совмещения терагерцевой диагностики с оптической или ИК диагностикой одних и тех же областей исследуемых образцов с подключением к средствам отображения информации.