KR20150088879A - 코히렌트성 반 스토크스 라만 분광법을 사용하는 검출 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
원격 및/또는 휴대용 검출을 위한 시스템들 및 방법들이 제공된다. 시스템은 코히렌트성 레이저 펄스의 공급원(305), 코히렌트성 레이저 펄스를 제 1 파장 값에서의 제 1 빔 펄스(391)와 제 2 파장 값에서의 제 2 빔 펄스(392) 및 제 3 파장 값에서의 제 3 빔 펄스(393)로 전환하는 부품들(315, 320)을 포함할 수 있다. 시스템들은 지연된 빔 펄스를 생성하도록 상기 제 1 빔 펄스, 상기 제 2 빔 펄스, 및 상기 제 3 빔 펄스 중 적어도 하나를 지연시키도록 구성된 광학 부품들(330)과, 상기 지연된 빔 펄스; 및 상기 제 1 빔 펄스, 상기 제 2 빔 펄스, 및 상기 제 3 빔 펄스 세트 중 2개의 펄스의 실질적으로 동일 선상의 결합을 샘플(355) 상으로 전송하도록 구성된 포커싱 부품(340)을 추가로 포함할 수 있다.
Description
본 출원은 전체가 여기에 참조로써 포함되는, 2012년 11월 28일에 출원된 미국 가출원 제61/730,792호로부터의 우선권 이점을 주장한다.
본 발명의 양태들은 미국 국토안보부에 의해 수여된 총리 상 #HSHQDC-10-C-00100 및 #HSHQDC-09-C-00135 하에서 미국 정부의 원조에 의해 행해졌다. 미국 정부는 본 발명에 있어서 특정한 권리를 갖는다.
본 발명은 코히렌트성 반 스토크스(anti-stokes) 라만(Raman) 분광법을 사용하는 검출 시스템들 및 방법들에 관한 것이다.
진동 분광법은 화학 성분을 분석하는데 매우 효과적인 수단일 수 있다. 광선과 물질의 상호 작용은 서로 분자 구조가 독특한 진동 상태들의 호출 신호(interrogation) 및 식별을 허용할 수 있다. 이 관점에서, 라만 진동 분광법은 예외의 분자 식별을 제공할 수 있다. 광자 오프(off) 분자 진동의 비탄성 산란에 기초하여, 라만 효과가 화학적 인식을 하는데 매우 적합할 수 있다.
도 1 및 도 2는 종래의 라만 분산 프로세스를 나타내는 에너지 다이어그램들을 도시한다. 에너지(155)를 가진 프로브 빔이 기저 상태(100)(도면 부호 │c>로 표시됨), 유효 여기 진동 모드(110)(도면 부호 │b>로 표시됨), 및 유효 에너지 레벨(150)(도면 부호 │a>로 표시됨)을 갖는 샘플 상에 입사한다면, 샘플은 자연 라만 스펙트럼을 생성하고 - 에너지(135)를 갖는 하나의 관련된 이동이 도시되고, 이는 프로브 빔의 에너지(155)에서 "스토크스 이동(Stokes shift)"에 대응한다. 가상 상태(130)(여기 진동 모드(110)와 에너지 레벨(150) 사이)가 에너지(155)의 프로브 빔과 에너지(135)에서 스토크스 이동과 관련된 방사된 방사선 사이의 이동을 가교(bridge)함에 따라 식별된다는 것을 유념하라. 스토크스 이동과 연관된 여기 진동 모드는 임의로 여기되는(레벨들 │b>, 및 │c> 사이의 차이) 진동 모드이다. 또한, 단일 라벨 │b>을 갖는 여기 진동 모드(110)가 도 1 및 도 2에서 식별될지라도, 이용 가능하고 또한 에너지에서 차이가 나는(도 1 및 도 2에서 이중선으로 나타냄) 많은 진동 모드들이 있을 수 있다.
코히렌트성 산란에 의존하는, 종래의 라만 분광법의 단점은 프로세스의 낮은 확률이다. 예를 들어, 펌프 광자들에서 스토크스 이동 광자들로의 낮은 전환 효율은 때때로 길거나 또는 분자 진동의 신속한 식별을 위해 바람직하지 않은 자연 라만 측정을 야기할 수 있다. 방해자의 존재 시에 장거리로부터 폭약 트레이스(trace)의 비파괴적 검출에 적용되는 경우에, 신속하고 신뢰할 수 있는 방식으로 종래의 라만 분광법을 사용하는 것은 어려울 수 있다.
하나의 양태에서, 본 개시물은 원격 검출을 위한 시스템에 관한 것이다. 상기 시스템은 코히렌트성 레이저 펄스의 공급원, 상기 코히렌트성 레이저 펄스를 제 1 파장 값에서의 제 1 빔 펄스와 상기 제 1 파장 값과는 다른 제 2 파장 값에서의 제 2 빔 펄스로 전환시키도록 구성된 파라미터 증폭기, 및 상기 제 2 파장 값과 상기 제 1 파장 값과는 다른 제 3 파장 값에서의 상기 코히렌트성 레이저 펄스로부터 제 3 빔 펄스를 선택하도록 구성된 제 1 광학 부품을 포함할 수 있다. 시스템은 지연된 빔 펄스를 생성하도록 상기 제 1 빔 펄스, 상기 제 2 빔 펄스, 및 상기 제 3 빔 펄스 중 적어도 하나를 지연시키도록 구성된 제 2 광학 부품, 및 상기 지연된 빔 펄스; 및 상기 제 1 빔 펄스, 상기 제 2 빔 펄스, 및 상기 제 3 빔 펄스 세트 중 2개의 펄스의 실질적으로 동일 선상의 결합을 라인 상으로 전송하도록 구성된 포커싱 부품으로서, 상기 라인은 상기 동일 선상의 결합의 전파 방향과 실질적으로 수직인, 상기 포커싱 부품을 추가로 포함할 수 있다.
다른 하나의 양태에서, 본 개시물은 원격 검출을 위한 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 코히렌트성 레이저 펄스의 공급원을 제공하는 단계와, 상기 코히렌트성 레이저 펄스를 제 1 파장 값에서의 제 1 빔 펄스와 상기 제 1 파장 값과는 다른 제 2 파장 값에서의 제 2 빔 펄스로 전환하는 단계, 및 상기 제 2 파장 값과 상기 제 1 파장 값과는 다른 제 3 파장 값에서의 상기 코히렌트성 레이저 펄스로부터 제 3 빔 펄스를 선택하는 단계를 포함할 수 있다. 방법은 지연된 빔 펄스를 생성하도록 상기 제 1 빔 펄스, 상기 제 2 빔 펄스, 및 상기 제 3 빔 펄스 중 적어도 하나를 지연시키는 단계, 및 상기 지연된 빔 펄스; 및 상기 제 1 빔 펄스, 상기 제 2 빔 펄스, 및 상기 제 3 빔 펄스 세트 중 2개의 펄스의 실질적으로 동일 선상의 결합을 라인 상으로 전송하는 단계로서, 상기 라인은 상기 동일 선상의 결합의 전파 방향과 실질적으로 수직인, 상기 전송하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
추가의 양태에서, 본 개시물은 휴대용 검출 시스템에 관한 것이다. 상기 휴대용 검출 시스템은 코히렌트성 레이저 펄스의 공급원으로서, 상기 공급원은 복수의 전력값들에서 상기 레이저 펄스를 제공하도록 구성되고, 상기 코히렌트성 레이저 펄스는 상기 복수의 전력값들의 함수로서 제 1 스펙트럼 분포를 나타내도록 구성되는, 상기 코히렌트성 레이저 펄스의 공급원을 포함할 수 있다. 상기 시스템은 또한 상기 코히렌트성 레이저 펄스로부터 코히렌트성 전환 펄스를 생성하도록 구성된 소정 길이의 광결정 섬유로서, 상기 코히렌트성 전환 펄스는 상기 복수의 전력값들의 함수로서 제 2 스펙트럼 분포를 나타내고, 상기 제 2 스펙트럼 분포는 상기 복수의 전력값들 중 적어도 하나의 전력값에서 상기 제 1 스펙트럼 분포와는 다른, 상기 소정 길이의 광결정 섬유를 포함할 수 있다. 상기 시스템은 상기 코히렌트성 전환 펄스로부터, 제 1 파장 값에서의 제 1 빔 펄스와 상기 제 1 파장 값과는 다른 제 2 파장 값에서의 제 2 빔 펄스를 선택하도록 구성된 제 1 광학 시스템을 추가로 포함할 수 있고, 상기 제 2 파장 값과 상기 제 1 파장 값과는 다른 제 3 파장 값에서의 상기 코히렌트성 전환 펄스로부터 제 3 빔 펄스를 선택하도록 구성된 제 2 광학 시스템을 포함할 수 있다. 상기 시스템은 또한 지연된 빔 펄스를 생성하도록 상기 제 1 빔 펄스, 상기 제 2 빔 펄스, 및 상기 제 3 빔 펄스 중 적어도 하나를 지연시키도록 구성된 제 3 광학 부품을 포함할 수 있다.
또한 추가의 양태에서, 본 개시물은 휴대용 검출을 위한 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 코히렌트성 레이저 펄스의 공급원을 제공하는 단계로서, 상기 공급원은 복수의 전력 값들에서 상기 레이저 펄스를 제공하도록 구성되고, 상기 코히렌트성 레이저 펄스는 상기 복수의 전력 값들의 함수로서 제 1 스펙트럼 분포를 나타내도록 구성되는, 상기 레이저 펄스의 공급원을 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 또한 상기 코히렌트성 레이저 펄스로부터 코히렌트성 전환 펄스를 생성하도록 구성된 소정 길이의 광결정 섬유를 제공하는 단계로서, 상기 코히렌트성 전환 펄스는 상기 복수의 전력값들의 함수로서 제 2 스펙트럼 분포를 나타내고, 상기 제 2 스펙트럼 분포는 상기 복수의 전력값들 중 적어도 하나의 전력값에서 상기 제 1 스펙트럼 분포와는 다른, 상기 소정 길이의 광결정 섬유를 제공하는 단계, 상기 코히렌트성 전환 펄스로부터, 제 1 파장 값에서의 제 1 빔 펄스와 상기 제 1 파장 값과는 다른 제 2 파장 값에서의 제 2 빔 펄스를 선택하는 단계; 상기 제 2 파장 값과 상기 제 1 파장 값과는 다른 제 3 파장 값에서의 상기 코히렌트성 전환 펄스로부터 제 3 빔 펄스를 선택하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 상기 방법은 지연된 빔 펄스를 생성하도록 상기 제 1 빔 펄스, 상기 제 2 빔 펄스, 및 상기 제 3 빔 펄스 중 적어도 하나를 지연시키는 단계; 및 상기 지연된 빔 펄스; 및 상기 제 1 빔 펄스, 상기 제 2 빔 펄스, 및 상기 제 3 빔 펄스 세트 중 2개의 펄스의 실질적으로 동일 선상의 결합을 샘플 상으로 전송하는 단계를 포함할 수 있다.
추가의 특징들 및 이점들은 개시된 실시예들의 관행에 의해 배우거나 또는 실시예들의 설명으로부터 명백해지는, 설명서에서 일부로 제기될 것이다. 특징들 및 이점들은 첨부된 청구항들에서 특히 언급된 요소들 및 조합들에 의해 실현 및 획득될 것이다.
상기 일반적인 설명 및 다음의 상세한 설명은 예시적이고 단지 설명을 위한 것이며, 청구되는 바와 같이, 실시예들의 범위를 제한하지는 않음이 이해되어야 한다.
명세서에 포함되고 명세서의 일부로 구성되는 첨부된 도면들은 실시예들을 예시하고, 설명과 함께, 개시된 실시예들의 특징들, 이점들, 및 원리들을 설명하는 역할을 한다.
도 1은 종래의 라만 프로세스와 대응하는 코히렌트성 라만(Raman) 프로세스를 보여주는 에너지 레벨 다이어그램들을 도시한 도면.
도 2는 도 1의 종래의 라만 프로세스와 대응하는 코히렌트성 반 스토크스(anti-stokes) 라만 프로세스를 보여주는 에너지 레벨 다이어그램들을 도시한 도면.
도 3은 3개의 동일 선상의 빔들을 지점 구성된 타겟으로 전송하고 또한 후방 산란된 방사 신호를 획득하기 위한 시스템을 도시한 도면.
도 4는 3개의 동일 선상의 빔들을 라인 구성된 타겟으로 전송하고 또한 후방 산란된 방사 신호를 획득하기 현 개시물과 일치하는 시스템을 도시한 도면.
도 5는 실리카 상에 코팅된 고체 질산염으로부터 100ms에서 획득되고, 도 4의 시스템으로부터 후방 산란된 CARS 스펙트럼들을 도시한 도면.
도 6은 종이 상에서 뿌려진 질산염의 라인 구성된 타겟을 스캐닝하여 얻은, 도 4의 시스템으로부터의 2-D 하이퍼(hyper) 스펙트럼 이미지를 도시한 도면.
도 7은 광결정 섬유에서 4개의 파동 혼합을 도시한 도면.
도 8은 3개의 컬러 빔을 위한 광섬유 공급원, 및 광섬유 센서를 갖는 현 개시물과 일치하는 시스템을 도시한 도면.
도 9는 3개의 컬러 빔을 위한 광섬유 공급원을 갖고, 대안적인 이미징 시스템을 이용하는 현 개시물과 일치하는 다른 하나의 시스템을 도시한 도면.
도 10은 현 개시물과 일치하는 방법의 흐름도.
도 11은 도 3의 시스템의 결과 비교되는 도 8의 시스템을 이용한 예시적인 결과를 도시한 도면.
도 1은 종래의 라만 프로세스와 대응하는 코히렌트성 라만(Raman) 프로세스를 보여주는 에너지 레벨 다이어그램들을 도시한 도면.
도 2는 도 1의 종래의 라만 프로세스와 대응하는 코히렌트성 반 스토크스(anti-stokes) 라만 프로세스를 보여주는 에너지 레벨 다이어그램들을 도시한 도면.
도 3은 3개의 동일 선상의 빔들을 지점 구성된 타겟으로 전송하고 또한 후방 산란된 방사 신호를 획득하기 위한 시스템을 도시한 도면.
도 4는 3개의 동일 선상의 빔들을 라인 구성된 타겟으로 전송하고 또한 후방 산란된 방사 신호를 획득하기 현 개시물과 일치하는 시스템을 도시한 도면.
도 5는 실리카 상에 코팅된 고체 질산염으로부터 100ms에서 획득되고, 도 4의 시스템으로부터 후방 산란된 CARS 스펙트럼들을 도시한 도면.
도 6은 종이 상에서 뿌려진 질산염의 라인 구성된 타겟을 스캐닝하여 얻은, 도 4의 시스템으로부터의 2-D 하이퍼(hyper) 스펙트럼 이미지를 도시한 도면.
도 7은 광결정 섬유에서 4개의 파동 혼합을 도시한 도면.
도 8은 3개의 컬러 빔을 위한 광섬유 공급원, 및 광섬유 센서를 갖는 현 개시물과 일치하는 시스템을 도시한 도면.
도 9는 3개의 컬러 빔을 위한 광섬유 공급원을 갖고, 대안적인 이미징 시스템을 이용하는 현 개시물과 일치하는 다른 하나의 시스템을 도시한 도면.
도 10은 현 개시물과 일치하는 방법의 흐름도.
도 11은 도 3의 시스템의 결과 비교되는 도 8의 시스템을 이용한 예시적인 결과를 도시한 도면.
이제 하나 이상의 실시예들에 대한 참조가 행해질 것이고, 그 특성들은 첨부된 도면들에 도시된다. 가능하면, 동일한 참조 도면 부호들은 동일하거나 또는 유사한 부분들을 지칭하도록 도면에 걸쳐 사용될 것이다.
현 개시물과 일치하는, 코히렌트성 라만 프로세스는 종래의 라만 프로세스보다 더 높은 전환 효율을 나타낼 수 있고, 이는 측정이 요구되는 속도를 개선시킬 수 있다. 그러므로, 코히렌트성 반 스토크스 라만 산란(CARS)은 가스, 액체, 및 고체에서 라만 활성 공진을 탐색(probe)하기 위한 매우 효과적인 분광법 기술일 수 있다. CARS에서, 기술은 2개의 빔들, 펌프 빔 및 스토크스 이동 빔을 사용하여 진동 레벨들을 가간섭적으로 여기시키고, 이는 프로브 빔에 대해 라만 산란의 가능성을 크게 개선한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 도 1은 또한 코히렌트성 라만 산란 프로세스를 예시하는 에너지 다이어그램을 도시한다. 앞서와 같이, 에너지(155)를 가진 프로브 빔이 도 1에 도시된 바와 같이, 기저 상태(100)(도면 부호 │c>로 표시됨), 유효 진동 모드(110)(도면 부호 │b>로 표시됨), 및 유효 에너지 레벨(150)(도면 부호 │a>로 표시됨)을 갖는 샘플 상에 입사할 수 있다. 그러나, 프로브 빔 외에, 에너지(105)를 가진 펌프 빔 및 에너지(125)를 가진 스토크스 이동 펌프 빔이 진동 모드(110)를 가간섭적으로 여기하도록 사용될 수 있다. 도 1에서, 가상 레벨(120)은 에너지(105)의 펌프 빔과 에너지(125)의 스토크스 이동 펌프 빔 사이에서의 이동을 가교함에 따라 도시된다. 스토크스 이동 이용 가능한 진동 모드(110)(도면 부호 │b>로 표시됨)가 펌프 빔 및 스토크스 이동 펌프 빔의 작용의 결과로 여기되기 때문에, 종래의 라만 산란 프로세스는 - 라벨(135-cs)로 도 1에 표시된 - 프로브 빔의 스토크스 스펙트럼에 대한 코히렌트성 기여를 포함한다. 결과적으로, 에너지(155)에서 프로브 빔을 전송하기 전에 에너지(105)를 가진 펌프 빔 및 에너지(125)를 가진 스토크스 이동 펌프 빔을 전송한다면, 레벨(│c>)을 탐색할 때 레벨(│b>)에 대해 코히렌트성 스토크스 라만 산란(CSRS)을 검출할 수 있다.
유사하게, 도 2는 코히렌트성 반 스토크스 라만 산란 프로세스를 예시하는 예너지 다이어그램을 도시한다. 다시, 에너지(155)를 가진 프로브 빔이 도 2에 도시된 바와 같이, 기저 상태(100)(도면 부호 │c>로 표시됨), 유효 진동 모드(110)(도면 부호 │b>로 표시됨), 및 유효 에너지 레벨(150)(도면 부호 │a>로 표시됨)을 갖는 샘플 상에 입사할 수 있다. 도 1에서와 같이, 에너지(105)를 가진 펌프 빔 및 에너지(125)를 가진 스토크스 이동 펌프 빔이 진동 모드(110)를 가간섭적으로 여기하도록 사용될 수 있다. 또한, 도 2에서 - 도 1에서와 같이 - 가상 에너지 레벨(120)은 에너지(105)의 펌프 빔과 에너지(125)의 스토크스 이동 펌프 빔 사이에서의 이동을 가교함에 따라 도시된다. 그러나, 이 시나리오에서, 스토크스 이동 진동 모드(110)(도면 부호 │b>로 표시됨)가 펌프 빔 및 스토크스 이동 펌프 빔의 작용의 결과로 여기되기 때문에, 종래의 라만 산란 프로세스는 - 라벨(145)로 도 2에 표시되고 또한 도면 부호 │b>로 표시된 진동 모드로부터 추가의 가상 레벨(140)(프로브 에너지(155)에 의해 여기 진동 모드(110)와 에너지 차이를 나타내는)로의 이동에 대응하는 - 프로브 빔의 스펙트럼에 대한 추가의 코히렌트성 기여를 포함한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 가상 레벨(140)은 기저 상태(100)로 - 도면 부호 │c>로 표시됨 - 다시 이동한다. 그러므로, 도 2에 도시된 프로세스와 일치하게, 에너지(105)를 가진 펌프 빔 및 에너지(125)를 가진 스토크스 이동 펌프 빔을 에너지(155)에서 프로브 빔을 전송하기 전에 전송한다면, 여기 진동 모드(│b>)를 탐색할 때 기저 상태(│c>)에 대한 코히렌트성 반 스토크스 라만 산란(CARS)을 검출할 수 있다.
종래의 스토크스 이동 스펙트럼이 프로브 빔에 대한 에너지에서 적색 이동될 때, 도 2에 도시된 CARS 이동과 관련된 스펙트럼은 프로브 빔에 대한 에너지에서 청색 이동될 것이다.
CARS 스펙트럼을 분석하는 것과 연관된 문제들은 용매, 기질, 또는 분자로부터 비공진 4 파동 혼합의 결과인 배경 소음 기여를 차단하는 것을 포함할 수 있다. 그러나, 기술 분야의 숙련자는 CARS 측정에서 이러한 배경 소음 효과를 차단하는 몇몇의 방법들이 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 숙련자는 편광에 민감한, 간섭 측정식의, 헤테로다인(heterodyne)식, 또는 시간 분해 기술들을 사용할 수 있다. 모든 이 기술들은 공진 CARS 신호와 비공진 배경 소음 사이의 비를 증가시키도록 사용될 수 있다.
또한, 현 개시물과 일치하게, 시간 분해 CARS는 분자 진동을 조사하는 매우 민감한 기술임을 입증할 뿐만 아니라, 또한 다른 하나의 파라미터: 디코히렌스(decoherence) 시간 또는 코히렌트성 분자 진동의 수명을 측정하는 이점을 가지기 때문에 유용할 수 있다.
도 3은 시간 분해 광대역 CARS 측정을 실행하는 시스템(300)을 도시한다. 시스템(300)은 샘플의 진동 레벨들을 여기하도록 2개의 광대역 빔(펌프 빔(392) 및 스토크스 빔(393)), 및 피코초(picosecond) 프로브 빔(391)을 포함한다. 프로브 빔(391)은 비공진 신호를 감소시키도록 펌프 빔(392) 및 스토크스 빔(393)으로부터 시간 지연되지만, 펌프 빔(392)에 의해 여기된 기저 상태 레벨들과 스토크스 빔(393) 사이의 코히렌트성을 상실하도록 너무 많이 시간 지연되지 않도록 구성된다. 여기에 도시된 모든 빔들(도 3 및 도 4의 빔(391, 392, 및 393)을 포함함)은 동일 선상에 있고 이에 의해 실질적으로 중첩되지만, 편의를 위해 도 3 및 도 4에서 개별 라인들로 도시되었다.
시스템(300)은 프로브 빔(391), 펌프 빔(392), 및 스토크스 빔(393)을 생성하도록 레이저 시스템(305) 및 파라메트릭 증폭기(320)를 포함한다. 하나의 실시예에서, 레이저 시스템(305)은 펨토초(femtosecond) 레이저 시스템일 수 있다. 하나의 실시예에서, 시스템(300)은 광학 파라메트릭 증폭기(320)("OPA 320")를 포함할 수 있고, 광학 파라메트릭 증폭기는 1.4 마이크로미터 및 1.9 마이크로미터의 파장에서 100fs 펄스로 펌프 빔(392) 및 스토크스 빔(393)을 생성하도록 구성될 수 있다. 또한, 하나의 실시예에서, 펌프 빔(392) 및 스토크스 빔(393)에서 생성된 펄스의 최대 총 에너지는 10μJ일 수 있다. 하나의 실시예에서, 펌프 빔(392) 및 스토크스 빔(393)에서 생성된 펄스의 최대 총 에너지는 또한 약 1μJ 내지 2μJ 미만일 수 있다. 바람직하게, 펌프 빔(392), 스토크스 빔(393), 및 프로브 빔(391)의 파장은 거의 중적외선에 있다.
바람직한 실시예에서, 프로브 빔(392)은 1nm 대역 통과 간섭 필터일 수 있는 필터(315)를 통해 레이저 시스템(305)에 의해 생성된 레이저 빔의 일부를 통과하여 획득된다. 기술 분야의 숙련자는 진동 코히렌트성(특정 폭약 트레이스 양과 연관될 수 있는 바와 같이)의 비교적 긴 수명이 있는 경우에, 피코초 지연이 비공진 배경 없이 CARS 스펙트럼들을 기록하기 위해 서용될 수 있음을 이해해야 한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 모든 3개의 빔들은 렌즈(340)를 통해 전송될 수 있고, 렌즈는 바람직한 실시예에서 20cm 내지 5m의 범위 내의 초점 거리를 가질 수 있고, 최대 10m만큼 연장할 수 있다. 렌즈(340)는 지점 구성 타겟(390)을 가진 타겟 샘플(355) 상에 3개의 빔을 집중시킬 수 있고, 수집 렌즈(350)는 분광계(365) 및 연관 CCD 카메라(370)로 구성될 수 있는, 검출 시스템에 CARS 신호를 제공할 수 있다. 펌프 빔(392) 및 스토크스 빔(391)은 시스템(300)이 다양한 폭약들의 진동 스펙트럼들을 기록하기 위해 성공적으로 사용될 수 있도록, 약 500 내지 2000cm-1 사이의 지문 영역을 덮도록 충분한 대역폭을 나타내기 위해 구성될 수 있다.
이 개시물과 일치하게, 시스템(300)과 같은 시간 지연 CARS 시스템은 진동 모드 수명을 측정할 수 있고, 따라서 다른 디코히렌스 시간을 갖는 분자들 사이를 구별할 수 있다. 또한, 펌프 빔(392) 및 스토크스 빔(393)에서 생성된 펄스를 조정하여, 흥미있는 특정 모드를 여기시킬 수 있고, 이는 다른 분자의 스펙트럼들 사이를 구별하는 것을 도울 수 있다. 이 이점들은 시스템(300)이 높은 선택성에 의해 실시간 모니터링에 적합하게 만든다. 예를 들어, 종래의 라만 분광법을 사용하여 얻는데 수분이 걸리는 진동 스펙트럼은 시스템(300)을 사용하여 밀리초에 획득될 수 있다.
추가로 또한, 강한 코히렌트성 신호를 위해 요구되는 위상 매칭과 연관된 문제들은 시스템(300)에서 문제가 많음이 밟혀졌고, 시스템에서 타겟 샘플(355)은 고체 표면에 대응하고, 프로브 빔(391), 펌프 빔(392), 및 스토크스 빔(393)은 동일 선상에 있고, CARS 신호(빔(394)과 연관된)는 후방 산란된 배열로 기록된다.
실시간 검출은 신속하고 신뢰할 수 있는 원래 신호 처리의 사용 및 자동화 방식으로 작동되는 패턴 인지를 필요로 할 수 있다. 예를 들어, 그리고 제한 없이, 다음의 처리 단계들이 수십 내지 수백 밀리초 범위일 수 있는 각각의 스펙트럼 획득을 위한 시간 윈도우를 고려하여, 거의 실시간으로 작동 중에 구현될 수 있고, 단계들은 다음과 같다: (1) 잡음제거를 위해 데시메이트(decimated)되지 않은 개별 파형 요소 변형을 사용하는 단계; (2) 다항식 끼워맞춤에 의해 실행된 잡음제거된 스펙트럼의 기준선 정정; 및 (3) 각각의 잡음제거된, 기준선 정정된 정상화된 스펙트럼에서 영역 최대치(피크)를 검출하는 단계.
잡음제거를 위해 데시메이트되지 않은 개별 파형 요소 변형을 사용하는 것과 관련하여, 파형 요소 계수들의 하드 임계처리(hard thresholding)는 원래 신호의 평균 절대 편차에 기초할 수 있다. 이러한 하드 임계처리는 잡음 제거를 위한 계산 유효 방식일 수 있고, 피크 및 기준선으로 구성된 변형된 신호를 제공할 수 있다.
또한, 각각의 소음제거된, 기준선과 관련되고 정상화된 스펙트럼에서 영역 최대치(피크)를 검출하는 것과 관련하여, 사전규정된 파라미터들(예를 들어, 제한 없이, 피크폭)이 조사된 폭약들의 스펙트럼 시그너쳐(signure)들의 분석으로부터 획득될 수 있다.
이 개시물과 일치하게, 시스템(300)의 스펙트럼 캘리브레이션은 표준 수은-아르고 램프를 사용하여 시스템 초기화 동안 실행될 수 있다. 신호 처리 단계의 출력은 피크 위치들과 같은 추출 특징들과 함께, 소음제거된, 기준선이 정정되고 정상화된 스펙트럼들로 구성될 수 있다.
템플릿 매칭 알고리즘은 또한 전류 획득되고 처리된 스펙트럼(S)과 스펙트럼 라이브러리의 스펙트럼 시그너쳐(T) 각각 사이의 유사성을 측정하는 것에 기초하여, 스펙트럼 시그너쳐 식별을 위해 사용될 수 있다. 전체(형태) 및 국소적(피크) 특징들 둘 다를 고려하는 유사성 지수가 도입될 수 있다. 이 맥락에서, 유사성은 공통 전체 스펙트럼 형태뿐만 아니라 공통 피크들의 존재에 의해 판단될 수 있다.
전체 및 국소적 정보의 통합은 또한 각각의 특징 유형에 대한 유사성 측정들을 먼저 컴퓨팅하여 획득될 수 있다. 이 점에서, 파형 매칭은 다음에 주어진 정상화 상호 상관 관계를 사용하여 정량화될 수 있다:
특징 매칭을 위한 유사성 측정은 공통 및 특수한 특징들의 결합으로서 표현되고 다음의 방정식으로 주어진 트베르스키(Tversky)의 집합 이론적 유사성 모델을 사용하여 결정될 수 있다:
여기서 P S 및 P T 는 각각 샘플 및 템플릿의 국소적 특징 세트들을 나타낸다. 최종 스코어(복합 유사성 지수)는 곱셈 법칙을 사용하여 2개의 유사성 매트릭스들을 결합하여 결정될 수 있다. 폭약 식별은 적합한 임계치의 선택을 요구하는 이항 분류로서 공식화될 수 있다.
현 개시물과 일치하게, 도 4는 라인(490)으로부터 스펙트럼들을 원격 측정하도록 구성되는 시스템(400)을 도시한다. 시스템(400)은 시스템(300)의 많은 요소들을 포함하고 - 라인 구성 타겟(490)을 생성하도록 구형 렌즈(340)를 원통형 렌지(440)로 교체한다. 바람직한 실시예에서, 제한 없이, 시스템(400)과 함께 이용될 수 있는 원격 거리는 바람직하게 최대 1m일 수 있고, 펄스가 더 활동적인 경우에 더 길 수 있다(예를 들어, 최대 5m).
동시에 라인 구성 타겟(490)을 따라 모든 지점들로부터 CARS 스펙트럼들(빔(494)과 연관됨)을 기록하기 위해서, 스펙트럼과 라인(490)을 따른 CARS 배출의 위치 둘 다가 기록되는 방식으로, 시스템(400)이 분광계(365)에 부착된 CCD 카메라(370) 상에 라인 구성 타겟(490)을 이미징하도록 구성된다.
도 5는 시스템(400)을 사용하여 얻은 CCD 이미지(520)를 도시한다. CCD 이미지(520)는 5mm × 30μm의 치수를 가진 라인 구성 타겟(490)과 연관되고, 3개의 동일 선상 빔들(빔들(391, 392, 및 393)인)은 종이 상에 분무된 질산칼륨의 트레이스 양을 포함하는 샘플 상에 집중된다.
CCD 이미지(520)는 파장(CARS 이동)이 X 축(505)과 연관되도록 구성되는 반면, Y 축(510) 상에서, 1-D 샘플(라인)이 직접 CCD 카메라(370) 상에 이미징된다. 바람직한 실시예에서, 상부 스펙트럼(506)은 간단한 사람 상호 상관 계수를 통해 테스트된 폭약(질산염)을 식별하기 위해 사용될 수 있다. 광 측면 그래프(511)는 위치에 따라 상관 계수를 도시하고, 수직 라인을 따라 각각의 지점에서 소정량의 폭약을 또한 나타낸다. 라인 이미지들은 100ms로 기록될 수 있고, 공간으로서 1차원 치수 및 스펙트럼들로서의 다른 1차원 치수를 갖는 샘플의 실시간 2D 하이퍼 스펙트럼 이미지를 제공한다. 바람직한 실시예에서, 2차원 이미지를 획득하기 위해서, 시스템(400)은 1차원으로 라인(490)을 스캐닝하도록 구성될 수 있다. 이러한 구성은 전체 이미지를 위해 요구되는 시간량을 감소시킬 수 있고, 전체 이미지는 보통 지점 집중된 레이저 빔을 2D 래스터 스캐닝함으로써 획득된다.
도 6에 도시된 이미지(620)는 수평으로 샘플을 따라 라인 구성 타겟(도 5의 이미지와 연관된 5mm 라인과 같이)을 스캐닝하여 시스템(400)으로부터 획득될 수 있어, 이에 따라 테스트된 샘플의 2-D 이미지를 획득할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 분광계(365) 상에 이미징된 각각의 라인 구성 타겟에 대한 상관 관계를 계산할 수 있다. 이 방식으로, 이미지 내의 각각의 픽셀은 폭약(제한 없이, 종이 상에 분무된 질산염과 같이)과의 상관 관계를 나타낼 수 있다.
도 7은 광결정 섬유(710)("PCF 710")에서 4개의 파동 혼합을 사용하는 기본 빔의 양측 상의 스토크스 및 반 스토크스 코히렌트성, 동일 선상 레이저 빔의 생성을 도시한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 오직 예로써만 그리고 이 개시물과 일치하게, 레이저 시스템(705)은 전력 값들의 범위를 걸쳐 820nm 레이저 빔을 생성할 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, (그리고 스펙트럼 밀도 플롯(750)에 도시된) 레이저 시스템(705)의 전력 값들은 약 0.2mW 내지 약 4.0mW 범위 내에 있을 수 있다. 그러나, 이 개시물과 일치하는 하나의 실시예에서, 레이저 시스템(705)의 전력 값들은 사용되는 PCF(710)의 성질에 따라 결정될 것이다. 820nm의 빔이 PCF(710)를 통과할 때, 대략 초기 파장값에서의 입사 빔은 초기 파장값 초과 및 미만인 값들에서 대략 중심에 놓인 파장값들을 갖는 동일 선상 빔들로 전환될 수 있다.
스펙트럼 밀도 플롯(750)에 도시된 바와 같이, 레이저 시스템(705)으로부터의 초기 펌프 빔(펌프 빔은 약 820nm에 집중된 초기 파장값을 가짐)의 펌프 빔의 초기 파장값(약 860nm 및 780nm에 집중된 파장값들과 같은) 초과 및 미만인 파장값들을 가진 동일 선상 빔으로의 전환이 입력 전력에 따라 발생한다. 예를 들어, 커브(751)는 약 1mW의 입력 전력을 가진 820nm 입력 빔 상의 PCF(710)의 전환의 효과를 도시하고, 커브(752)는 약 1.8mW의 입력 전력을 가진 832nm 입력 빔 상의 PCF(710)의 전환의 효과를 도시하고, 커브(753)는 약 2.0mW의 입력 전력을 가진 820nm 입력 빔 상의 PCF(710)의 전환의 효과를 도시하고, 커브(754)는 약 4.0mW의 입력 전력을 가진 820nm 입력 빔 상의 PCF(710)의 전환의 효과를 도시한다.
또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 이미지(765)는 PCF(710)로부터 출력된 빔의 가우시안 프로파일을 도시한다.
또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 그래프(770)는 동일 선상 빔의 스펙트럼을 도시한다. 바람직한 실시예에서, 레이저 시스템(705)은 Ti:사파이어 발진기에 대응하고, 오직 수십의 피코줄/펄스에 대응한다.
공급원으로서 레이저 시스템(705)을 갖는 PCF(710)를 사용함으로써, 사용자가 레이저 시스템(305) 및 OPA(320)를 단일 발진기(바람직한 실시예에서 섬유 기반일 수 있는)를 포함하는 작고 단순한 시스템 및 작은 피스의 광결정 섬유로 대체하는 것을 허용할 수 있다. 예를 들어, 15cm 길이의 광결정 섬유에서, 사용자는 광선이 섬유를 통해 전파됨에 따라 단순히 컬러 변화를 인지함으로써 입사된 프로브 빔(가시 스펙트럼에서)의 전환을 관찰할 수 있다.
도 8은 4개의 파동 혼합을 사용하는 복수의 컬러들을 생성하기 위한 PCF(710)를 포함하는 현 개시물과 일치하는 시스템(800)을 도시한다. 시스템(800)은 공급원(850) 및 근위 센서(880)를 포함할 수 있다.
도 7과 관련하여 설명된 바와 같이, 레이저 시스템(705)은 프로브 빔(891) 파장값에 집중된 가변성 전력 값들에서 펄스를 제공하도록 구성될 수 있다. PCF(710)로부터의 출력은 복수의 컬러들을 포함할 수 있고, 프로브 빔(891), 펌프 빔(892), 및 스토크스 빔(893)을 포함한다. 순환 장치(815) 및 섬유 브래그 격자(825)("FBG 825")는 PCF(710)의 출력으로부터 프로브 빔(891)을 격리하도록 구성될 수 있다. 또한, FBG(825)는 펌프 빔(892) 및 스토크스 빔(893)을 PCF(710)의 출력으로부터 격리시키도록 구성될 수 있다. 필터(820)를 통과한 후, 프로브 빔(891)은 펌프 빔(892) 및 스토크스 빔(893)에 대한 지연(장치(830)를 사용함)을 나타내도록 구성될 수 있다. 장치(830)는 프로브 빔(891)에 대해 피코초 시간 스케일로 시간 지연을 제공하고, 기술 분야에 공지된 임의의 종래의 장치일 수 있다. 또한, 펌프 빔(892) 및 스토크스 빔(893)은 분산 보상기(835)를 통과하도록 구성될 수 있다. 분리기/결합기(840)는 프로브 빔(891), 펌프 빔(892), 및 스토크스 빔(893)을 결합하도록 구성될 수 있다. 공급원(850)의 출력은 근위 센서(880)를 지나가도록 구성될 수 있고, 근위 센서는 순환 장치(860) 및 분광계(365)를 포함할 수 있다.
근위 센서(880)는 섬유를 포함할 수 있고, 섬유는 가요성 단자부(899)를 추가로 포함할 수 있다. 가요성 단자부(899)는 샘플(875)과 근접하여 처리될 수 있고, 또한 렌즈를 포함할 수 있다. 가요성 단자부(899)의 처리는 손으로 발생할 수 있거나 또는 기계적으로 실시될 수 있다. 예를 들어, 추가의 실시예에서, 장치(881)는 샘플과 근접하여 가요성 단자부(899)를 이동시키고 (아암(883) 또는 임의의 적합한 지지 구조체를 통해) 또는 분광계(365)로부터의 판독에 의해 이 움직임(채널(884)을 통해)을 관련시키도록 구성될 수 있다. 이 상관 관계는 스캐닝된 샘플(875)의 하이퍼스펙트럼 이미지를 생성하도록 사용될 수 있다.
도 11은 시스템(300)과 비교되는 시스템(800)을 사용한 예시적인 결과를 도시한다. 특히 그래프(1110)는 시스템(305) 및 OPA(320)로서 사용되는 바와 같이, 1kHz 증폭된 시스템을 사용하여 니트로메탄의 검출을 나타내는 예시적인 신호를 도시한다. 그래프(1120)는 시스템(800)을 사용하여 니트로메탄의 검출을 나타내는 대응하는 신호를 도시한다.
도 9는 4개의 파동 혼합을 사용하는 복수의 컬러들을 생성하기 위한 PCF(710)를 포함하는 현 개시물과 일치하는 시스템(900)을 도시한다. 시스템(900)은 공급원(850)을 포함할 수 있고, 시스템(980)을 사용하는 자유 공간 이미징을 위해 구성될 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 시스템(980)은 스캐닝 시스템(901)을 포함할 수 있다. 스캐닝 시스템(901)은 샘플(875) 위에서 레스터 스캐닝하기 위해서 렌즈, 거울 및 모터가 달린 부품들의 임의의 적합한 조합을 포함할 수 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, 공급원(850)의 출력은 샘플(875) 위에서 스캐닝될 수 있고, 후방 산란된 신호는 이미징 분광계(365) 및 CCD(370)에 의해 획득된다.
도 10은 현 개시물과 일치하는 CARS 스펙트럼들을 획득하는 예시적인 방법을 도시한다. 단계(1005)는 코히렌트성 방사의 공급원을 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 이것은 약 1kHz의 주파수에서 약 100fs 펄스를 제공할 수 있는, 시스템(305)과 같은 상업 증폭 레이저 시스템을 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 대안적으로, 또는 추가로, 단계(1005)는 광결정 섬유에 입력하기 위해 빔을 생성하도록 구성될 수 있는 레이저 시스템(705)을 제공하는 단계를 포함할 수 있고, 레이저 시스템(705)은 생성된 레이저 펄스에 가변성 전력을 제공하도록 구성된다. 이 개시물과 일치하게, 단계(1010)는 코히렌트성 방사의 공급원에 의해 생성된 프로브 빔을 지연시키는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 단계(1015)는 펌프 빔과 스토크스 빔을 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 도 3 및 도 4의 시스템과 관련하여, 생성된 펌프 빔은 OPA(320)로부터의 신호 빔에 대응할 수 있고, 생성된 스토크스 빔은 OPA(320)로부터의 아이들러 빔에 대응할 수 있다. 대안적으로, 또는 추가로, 단계(1015)는 펌프 빔(892) 및 스토크스 빔(893)(도 8 및 도 9의 시스템과 관련됨)을 격리시키도록 PCF(710), 순환 장치, 및 FBG(825)를 구성하는 단계를 포함할 수 있다.
단계(1020)는 단계들(1010 및 1015)에서 생성된(및/또는 격리된) 3개 컬러의 빔들과 동일 선상 빔을 결합하는 단계를 포함할 수 있다. 도 3의 시스템과 관련하여, 이것은 렌즈(340) 및/또는 렌즈(440)의 사용 전에 도시된 바와 같이 시스템을 구성하는 단계를 포함할 수 있다. 도 8 및 도 9의 시스템과 관련하여, 이것은 분리기/결합기(840)의 사용을 포함할 수 있다.
단계(1025, 1030, 1035)는 빔을 포커싱 광학 부품에 빔을 제공하는 단계, 타겟에 빔을 제공하는 단계, 및 후방 산란된 방사선을 수집하는 단계를 각각 포함할 수 있다. 단계(1025, 1030 및 1035)는 원격 작동을 허용한다. 단계(1025)의 포커싱 광학 부품은 렌즈 또는 망원경을 포함할 수 있다. 바람직한 실시예에서 그리고 라인 구성 타겟을 생성하기 위해서, 포커싱 광학 부품은 원통형 렌즈, 또는 3개 컬러의 동일 선상 빔을 포함하는 포커싱된 라인의 생성을 허용하는 필적할만한 광학 장치를 포함할 수 있다. 다음에 단계(1030)는 타겟에 빔을 제공하는 단계를 포함한다.
빔을 포커싱 광학 부품에 제공하는 단계에 대한 대안으로, 빔은 단계(1055)에 나타낸 바와 같이 섬유 기반 근위 센서에 제공될 수 있다. 단계(1025) 또는 단계(1055) 중 어느 하나의 단계 하에서, 빔은 타겟에 제공될 수 있다(단계 1030). 또한, 후방 산란된 방사선은 도 3, 도 4 또는 도 9에 도시된 바와 같이 수집될 수 있다(단계 1035). 섬유 기반 근위 센서가 사용되고 섬유를 통해 타겟에 빔을 제공하는 경우에, 후방 산란된 방사선은 섬유를 통해 분광계에 제공된 동일한 섬유에 의해 수집될 수 있다.
단계(1045)는 (제한 없이): (a) 기준선 정정; (b) 스펙트럼 스무딩; (c) SNR 제거; (d) 정상화; 및 (e) 검출 임계치 결정을 추가로 포함할 수 있는 신호 처리를 포함할 수 있다.
추가의 단계(1050)는 타겟에서 물질의 검출 및 식별을 포함할 수 있다. 단계(1050)는 제한 없이: (a) 포텐셜 타겟들의 임계치 기반 검출; (b) 획득된 타겟 시그너쳐에 대한 저장된 샘플 시그너쳐의 템플릿 매칭; 및 (c) 유사한 특징들을 갖는 타겟들 사이의 식별을 추가로 포함할 수 있다.
본 개시물과 일치하게, 여기에 설명된 시스템 및 방법은 선택 파장들에서 시간 지연된, 동일 선상의 레이저 펄스들의 조합을 사용하여 원격 범위에서 고체 및 액체의 작은 트레이스들을 검출하도록 사용될 수 있다. 여기에 개시된 시스템들 및 방법들은 하이퍼 스펙트럼 이미징을 사용하여 이미징 검출을 제공한다. 특정 실시예들에서, 개시된 시스템들 및 방법들은 라인 구성 타겟의 생성을 포함할 수 있다. 대안적으로, 또는 추가로, 여기에 개시된 시스템들 및 방법들은 휴대용 섬유 기반 시스템을 생성 및 사용하도록 광결정 섬유들을 이용할 수 있다. 이 개시물과 일치하는 휴대용, 섬유 기반 시스템은 근위 검출 및 분류, 지문 스캐닝, 표면들의 섬유 프로빙 등을 위해 사용될 수 있다.
여기에 개시된 실시예들에서, 시스템들 및 방법들은: (1) 액체 및 고체 트레이스들의 원거리 검출; (2) 거리로부터의 화학적 및/또는 생물학적 제재 식별; (3) 혈액, 피부 등과 같은 생물학적 타겟들의 식별; 및 (4) 환경의 실시간 모니터링(트레이스 종들과 같은)을 위해 사용될 수 있다.
여기에 개시된 바와 같이, 섬유 기반 근위 센서(880)는 섬유 팁을 포함할 수 있고, 펜 형태의 프로브와 같이 구성될 수 있고(제한 없이), 섬유의 팁, 또는 섬유와 렌즈 또는 현미경 물체의 조합으로 구성될 수 있다. 이러한 섬유 팁은 실시간 화학적 검출, 분자 식별, 및 화학적 이미징을 실행하도록 사용될 수 있다. 또한 여전히, 개시된 섬유 기반 근위 센서를 이용하는 시스템은 휴대용으로 만들어질 수 있고, 흥미있는 표면 위에서 스캐닝될 수 있는 센서를 포함할 수 있고, 시스템은 흥미있는 타겟들의 트레이스들을 식별할 수 있다. 이러한 타겟들은 폭약 잔여물, 약물, 또는 흥미있는 다른 물질을 포함할 수 있다. 병원 설치에서, 여기에 개시된 시스템 및 방법은 대상의 피부를 실시간으로 유체(혈액)를 모니터링하고 또는 대상의 피부를 분광학적으로 검사하도록 구성될 수 있다. 이러한 시스템 및 방법은 진단 및 모니터링 목적을 위해 내시경적으로 이용될 수 있다.
추가의 실시예들은 표면의 신속한 스캐닝을 위해 여기에 개시된 시스템 및 방법을 사용하는 단계, 및 흥미있는 물체들(폭약, 약물 등)의 트레이스들을 위해 지문 스캐닝을 제공하는 단계를 포함할 수 있다.
다른 실시예들은 여기에 개시된 본 발명의 설명 및 실행의 고려로부터 기술 분야의 숙련자들에 의해 명백해질 것이다. 설명 및 예들이 다음의 청구항들에 의해 나타낸 본 발명의 참된 정신 및 범위를 갖고서 예시적으로 고려되는 것으로 의도된다.
Claims (28)
- 원격 검출을 위한 시스템으로서,
상기 시스템은:
코히렌트성 레이저 펄스의 공급원과;
상기 코히렌트성 레이저 펄스를 제 1 파장 값에서의 제 1 빔 펄스와 상기 제 1 파장 값과는 다른 제 2 파장 값에서의 제 2 빔 펄스로 전환시키도록 구성된 파라미터 증폭기와;
상기 제 2 파장 값과 상기 제 1 파장 값과는 다른 제 3 파장 값에서의 상기 코히렌트성 레이저 펄스로부터 제 3 빔 펄스를 선택하도록 구성된 제 1 광학 부품과;
지연된 빔 펄스를 생성하도록 상기 제 1 빔 펄스, 상기 제 2 빔 펄스, 및 상기 제 3 빔 펄스 중 적어도 하나를 지연시키도록 구성된 제 2 광학 부품; 및
상기 지연된 빔 펄스; 및 상기 제 1 빔 펄스, 상기 제 2 빔 펄스, 및 상기 제 3 빔 펄스 세트 중 2개의 펄스의 실질적으로 동일 선상의 결합을 라인 상으로 전송하도록 구성된 포커싱 부품으로서, 상기 라인은 상기 동일 선상의 결합의 전파 방향과 실질적으로 수직인, 상기 포커싱 부품을 포함하는 시스템. - 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 빔 펄스, 상기 제 2 빔 펄스, 및 상기 제 3 빔 펄스 중 적어도 하나는 상기 제 3 빔 펄스이고, 상기 제 1 빔 펄스는 펌프 빔 펄스이고, 상기 제 2 빔 펄스는 스토크스 빔 펄스이고, 상기 제 3 빔 펄스는 프로브 빔 펄스인 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 광학 부품은 필터인 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 광학 부품은 자유 공간에 가변성 경로를 추가하도록 구성된 시스템을 포함하는 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 상기 라인으로부터 제 2 라인으로서 이미징 분광계 상으로 후방 산란된 신호를 투사하도록 구성된 이미징 시스템을 추가로 포함하고, 상기 이미징 분광계는 이미지를 생성하기 위해서 상기 제 2 라인을 분산시키도록 구성되고, 상기 생성된 이미지는 CCD 카메라에 의해 획득되는 시스템.
- 원격 검출을 위한 방법으로서,
상기 방법은:
코히렌트성 레이저 펄스의 공급원을 제공하는 단계와;
상기 코히렌트성 레이저 펄스를 제 1 파장 값에서의 제 1 빔 펄스와 상기 제 1 파장 값과는 다른 제 2 파장 값에서의 제 2 빔 펄스로 전환하는 단계와;
상기 제 2 파장 값과 상기 제 1 파장 값과는 다른 제 3 파장 값에서의 상기 코히렌트성 레이저 펄스로부터 제 3 빔 펄스를 선택하는 단계와;
지연된 빔 펄스를 생성하도록 상기 제 1 빔 펄스, 상기 제 2 빔 펄스, 및 상기 제 3 빔 펄스 중 적어도 하나를 지연시키는 단계; 및
상기 지연된 빔 펄스; 및 상기 제 1 빔 펄스, 상기 제 2 빔 펄스, 및 상기 제 3 빔 펄스 세트 중 2개의 펄스의 실질적으로 동일 선상의 결합을 라인 상으로 전송하는 단계로서, 상기 라인은 상기 동일 선상의 결합의 전파 방향과 실질적으로 수직인, 상기 전송하는 단계를 포함하는 방법. - 제 6 항에 있어서, 상기 제 1 빔 펄스, 상기 제 2 빔 펄스, 및 상기 제 3 빔 펄스 중 적어도 하나는 상기 제 3 빔 펄스이고, 상기 제 1 빔 펄스는 펌프 빔 펄스이고, 상기 제 2 빔 펄스는 스토크스 빔 펄스이고, 상기 제 3 빔 펄스는 프로브 빔 펄스인 방법.
- 제 6 항에 있어서, 제 3 빔 펄스를 선택하는 단계는 좁은 대역통과(bandpass) 필터를 사용하는 방법.
- 제 6 항에 있어서, 지연 단계는 자유 공간에 가변성 경로의 추가를 포함하는 방법.
- 제 6 항에 있어서, 상기 라인으로부터 제 2 라인으로서 이미징 분광계 상으로 후방 산란된 신호를 투사하는 단계를 추가로 포함하고, 상기 이미징 분광계는 이미지를 생성하기 위해서 상기 제 2 라인을 분산시키도록 구성되고, 상기 생성된 이미지는 CCD 카메라에 의해 획득되는 방법.
- 휴대용 검출 시스템으로서,
상기 시스템은:
코히렌트성 레이저 펄스의 공급원으로서, 상기 공급원은 복수의 전력값들에서 상기 레이저 펄스를 제공하도록 구성되고, 상기 코히렌트성 레이저 펄스는 상기 복수의 전력값들의 함수로서 제 1 스펙트럼 분포를 나타내도록 구성되는, 상기 코히렌트성 레이저 펄스의 공급원과;
상기 코히렌트성 레이저 펄스로부터 코히렌트성 전환 펄스를 생성하도록 구성된 소정 길이의 광결정 섬유로서, 상기 코히렌트성 전환 펄스는 상기 복수의 전력값들의 함수로서 제 2 스펙트럼 분포를 나타내고, 상기 제 2 스펙트럼 분포는 상기 복수의 전력값들 중 적어도 하나의 전력값에서 상기 제 1 스펙트럼 분포와는 다른, 상기 소정 길이의 광결정 섬유와;
상기 코히렌트성 전환 펄스로부터, 제 1 파장 값에서의 제 1 빔 펄스와 상기 제 1 파장 값과는 다른 제 2 파장 값에서의 제 2 빔 펄스를 선택하도록 구성된 제 1 광학 시스템과;
상기 제 2 파장 값과 상기 제 1 파장 값과는 다른 제 3 파장 값에서의 상기 코히렌트성 전환 펄스로부터 제 3 빔 펄스를 선택하도록 구성된 제 2 광학 시스템; 및
지연된 빔 펄스를 생성하도록 상기 제 1 빔 펄스, 상기 제 2 빔 펄스, 및 상기 제 3 빔 펄스 중 적어도 하나를 지연시키도록 구성된 제 3 광학 부품을 포함하는 시스템. - 제 11 항에 있어서, 상기 지연된 빔 펄스와; 상기 제 1 빔 펄스, 상기 제 2 빔 펄스, 및 상기 제 3 빔 펄스 세트 중 2개의 펄스의 실질적으로 동일 선상의 결합을 샘플 상으로 전송하도록 구성된 근위 센서 부품을 추가로 포함하는 시스템.
- 제 12 항에 있어서, 분광계를 추가로 포함하고, 상기 근위 센서는 섬유를 포함하고, 상기 분광계는 상기 샘플로부터 상기 섬유를 통해 후방 산란된 신호를 획득하도록 구성되는 시스템.
- 제 12 항에 있어서, 상기 근위 센서는 가요성 섬유를 포함하고, 상기 가요성 섬유는 상기 샘플과 근접하여 처리되도록 구성되는 시스템.
- 제 11 항에 있어서, 상기 제 1 광학 시스템은 섬유 브래그 격자(Bragg grating) 및 순환 장치를 포함하는 시스템.
- 제 15 항에 있어서, 상기 제 2 광학 부품은 상기 순환 장치를 포함하는 시스템.
- 제 11 항에 있어서,
포커싱 부품; 및
이미징 시스템을 추가로 포함하고,
상기 포커싱 부품은 상기 지연된 빔 펄스와; 상기 제 1 빔 펄스, 상기 제 2 빔 펄스, 및 상기 제 3 빔 펄스 세트 중 2개의 펄스의 실질적으로 동일 선상의 결합을 샘플 상으로 전송하도록 구성되고,
상기 이미징 시스템은 상기 샘플로부터 이미징 분광계 상으로 후방 산란된 신호를 투사하도록 구성되고, 상기 이미징 분광계는 이미지를 생성하도록 구성되고, 상기 생성된 이미지는 CCD 카메라에 의해 획득되는 시스템. - 제 17 항에 있어서,
상기 포커싱 부품은 상기 샘플에 걸쳐 스캐닝하도록 추가로 구성되는 시스템. - 제 11 항에 있어서,
상기 샘플로부터 이미징 분광계 상으로 후방 산란된 신호를 투사하도록 구성된 이미징 시스템을 추가로 포함하고, 상기 이미징 분광계는 이미지를 생성하도록 구성되고, 상기 생성된 이미지는 CCD 카메라에 의해 획득되는 시스템. - 휴대용 검출을 위한 방법으로서,
상기 방법은:
코히렌트성 레이저 펄스의 공급원을 제공하는 단계로서, 상기 공급원은 복수의 전력 값들에서 상기 레이저 펄스를 제공하도록 구성되고, 상기 코히렌트성 레이저 펄스는 상기 복수의 전력 값들의 함수로서 제 1 스펙트럼 분포를 나타내도록 구성되는, 상기 레이저 펄스의 공급원을 제공하는 단계와;
상기 코히렌트성 레이저 펄스로부터 코히렌트성 전환 펄스를 생성하도록 구성된 소정 길이의 광결정 섬유를 제공하는 단계로서, 상기 코히렌트성 전환 펄스는 상기 복수의 전력값들의 함수로서 제 2 스펙트럼 분포를 나타내고, 상기 제 2 스펙트럼 분포는 상기 복수의 전력값들 중 적어도 하나의 전력값에서 상기 제 1 스펙트럼 분포와는 다른, 상기 소정 길이의 광결정 섬유를 제공하는 단계와;
상기 코히렌트성 전환 펄스로부터, 제 1 파장 값에서의 제 1 빔 펄스와 상기 제 1 파장 값과는 다른 제 2 파장 값에서의 제 2 빔 펄스를 선택하는 단계와;
상기 제 2 파장 값과 상기 제 1 파장 값과는 다른 제 3 파장 값에서의 상기 코히렌트성 전환 펄스로부터 제 3 빔 펄스를 선택하는 단계와;
지연된 빔 펄스를 생성하도록 상기 제 1 빔 펄스, 상기 제 2 빔 펄스, 및 상기 제 3 빔 펄스 중 적어도 하나를 지연시키는 단계; 및
상기 지연된 빔 펄스; 및 상기 제 1 빔 펄스, 상기 제 2 빔 펄스, 및 상기 제 3 빔 펄스 세트 중 2개의 펄스의 실질적으로 동일 선상의 결합을 샘플 상으로 전송하는 단계를 포함하는 방법. - 제 20 항에 있어서, 상기 전송 단계는 근위 센서 부품을 사용하는 방법.
- 제 21 항에 있어서, 상기 근위 센서는 섬유를 포함하고, 분광계가 상기 샘플로부터 상기 섬유를 통해 후방 산란된 신호를 획득하도록 구성되는 방법.
- 제 21 항에 있어서, 상기 근위 센서는 가요성 섬유를 포함하고, 상기 가요성 섬유는 상기 샘플과 근접하여 처리되도록 구성되는 방법.
- 제 20 항에 있어서, 상기 제 1 파장 값에서의 제 1 빔 펄스와 상기 제 1 파장 값과는 다른 상기 제 2 파장 값에서의 제 2 빔 펄스를 선택하는 단계는 섬유 브래그 격자 및 순환 장치를 사용하는 방법.
- 제 24 항에 있어서, 제 3 빔 펄스를 선택하는 단계는 상기 순환 장치를 사용하는 방법.
- 제 20 항에 있어서,
상기 지연된 빔 펄스; 및 상기 제 1 빔 펄스, 상기 제 2 빔 펄스, 및 상기 제 3 빔 펄스 세트 중 2개의 펄스의 실질적으로 동일 선상의 결합을 샘플 상으로 전송하는 단계; 및
상기 샘플로부터 이미징 분광계 상으로 후방 산란된 신호를 투사하는 단계를 추가로 포함하고, 상기 이미징 분광계는 이미지를 생성하도록 구성되고, 상기 생성된 이미지는 CCD 카메라에 의해 획득되는 방법. - 제 26 항에 있어서, 실질적으로 동일 선상의 결합을 전송하는 단계는 상기 샘플에 걸쳐 상기 동일 선상의 결합을 스캐닝하는 단계를 포함하는 방법.
- 제 20 항에 있어서, 상기 샘플로부터 이미징 분광계 상으로 후방 산란된 신호를 투사하는 단계를 추가로 포함하고, 상기 이미징 분광계는 이미지를 생성하도록 구성되고, 상기 생성된 이미지는 CCD 카메라에 의해 획득되는 방법.
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