Широкий динамический диапазон и реальный

Том 13 научных отчетов, номер статьи: 12743 (2023) Цитировать эту статью

287 Доступов

Подробности о метриках

В этом исследовании мы предлагаем метод идентификации и визуализации реагентов посредством экранирования в широком динамическом диапазоне с использованием системы терагерцовой (ТГц) спектроскопии в реальном времени с многоволновой параметрической генерацией/обнаружением ТГц и машинным обучением. Чтобы быстро идентифицировать реагенты посредством экранирования, спектральная информация «детекторного луча Стокса» используется для распознавания реагентов с помощью машинного обучения. При общей идентификации реагентов на основе ТГц-волн непрерывные спектры собираются и количественно анализируются путем последующей обработки. Однако в реальных приложениях, таких как тестирование на запрещенные наркотики в почте, технология должна быть способна быстро идентифицировать реагенты, а не определять их количество. При параметрической генерации/обнаружении многоволнового ТГц спектральная информация может быть измерена мгновенно с помощью «многоволнового детектирующего стоксова луча» и камеры ближнего инфракрасного диапазона (NIR). Более того, машинное обучение позволяет идентифицировать реагенты в режиме реального времени и в широком динамическом диапазоне. Кроме того, отображая результаты идентификации в виде значений пикселей, можно визуализировать пространственное распределение реагентов с высокой скоростью без необходимости последующей обработки.

Поскольку терагерцовые (ТГц) волны имеют как спектр реагентов, так и прозрачность материала, ожидается, что они будут особенно полезны для идентификации скрытых объектов (например, проверки на наличие запрещенных наркотиков или взрывчатых веществ, спрятанных в почте)1,2,3. Однако, поскольку прозрачность ТГц волн не очень высока, необходим спектрометр реального времени4,5 с высоким динамическим диапазоном. Также важно, чтобы на спектроскопические характеристики не влияло рассеяние ТГц волн экранированием.

Методы, предложенные для измерений в реальном времени, включают использование одночастотного источника6,7,8, ТГц-спектроскопии во временной области (THz-TDS)9,10,11 и многоволнового быстропереключающегося источника с инжектированной затравкой. Параметрическая генерация ТГц12,13,14,15,16.

Наши исследования были сосредоточены на разработке ТГц спектрометров, в основном на основе параметрического ТГц генератора с инжекционной затравкой (is-TPG)16,17. Поскольку is-TPG является источником с перестраиваемой длиной волны, время измерения увеличивается с увеличением количества задействованных длин волн. Кроме того, спектроскопическая визуализация требует нескольких часов измерений, а также последующей обработки полученных изображений. Поэтому существует необходимость в однократной спектроскопии и идентификации в реальном времени, которые могут значительно сократить время измерения. Мы предложили многоволновую систему генерации/обнаружения is-TPG и успешно получили спектры за один прием15,16; однако автоматическая идентификация в режиме реального времени еще не реализована. Поэтому в этом исследовании мы применили машинное обучение18 для идентификации спектров, полученных за один снимок. Целью было разработать практическую систему для быстрой идентификации реагентов даже через толстые экраны со степенью затухания -60 дБ. Кроме того, используя эту систему для спектроскопической визуализации, информация в каждом пикселе может быть идентифицирована мгновенно, что позволяет определить пространственное распределение реагентов на площади 40 × 40 мм2 в течение нескольких десятков секунд.

Обзор системы ТГц спектроскопии, использующей is-TPG, показан на рис. 1. Когда многоволновые затравочные пучки вводятся в кристалл вместе с лучом накачки, генерируются многоволновые ТГц-волны15,16. Параметрическое детектирование ТГц19 также возможно с помощью обратной последовательности генерации, в которой многотерагерцовые волны используются в качестве затравочных лучей, а «стоксовы лучи обнаружения» в ближнем ИК-диапазоне генерируются и затем фиксируются камерой. Углы генерации детектирующих стоксовых пучков определяются регистрируемыми ТГц-волнами по условию неколлинеарности фазового синхронизма. Таким образом, однократная спектроскопия достигается за счет преобразования углов генерации стоксовых пучков регистрации в частоты ТГц волн. Поскольку можно выбрать частоту, позволяющую избежать линии поглощения водяного пара при многоволновой генерации, продувка сухим воздухом не выполняется.