JP2003518617A - テラヘルツ放射により物質の状態の変化を監視するためのシステムおよび方法 - Google Patents
テラヘルツ放射により物質の状態の変化を監視するためのシステムおよび方法Info
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Abstract
Description
質内の相の変化を検出するために使用するテラヘルツ放射検出および分析システ
ムおよび方法に関する。
入り込まないで、または破壊しないで監視するためのデバイスまたは方法は現在
市販されていない。さらに、接着剤が、2枚の紙、2枚のプラスチック、積層材
またはセラミックの複数の層またはガラスのような2つの隣接する平らな物体の
間にサンドイッチ状に挟まれている場合に、接着剤の硬化を監視することができ
るデバイスまたは方法も存在しない。
のような硬化処理を監視するための技術の開発が待望されている。
0THzまでの範囲内の電磁放射)をこの目的のために使用することができる。
テラヘルツ放射が、液状、半固体状または固体状の物質内を通過するとき、テラ
ヘルツ放射は異なる状態で吸収され、減衰する。これらの減衰の違いを検出し、
監視すれば、硬化中の接着剤のような相の変化を起こしているサンプルの状態を
検出することができる。
物質を検出し、監視することができるテラヘルツ放射を使用する装置および方法
を備える。パルス・モードまたは連続波(CW)モードのテラヘルツ放射を使用
することにより、システムは、物質の内部に入り込まないでこれらの変化を監視
することができる。本発明のテラヘルツ・システムは、半固体状または固体状の
物質と比較した場合、液状の物質はテラヘルツ放射をより大きく吸収し、減衰さ
せるという原理を使用する。大部分のテラヘルツ放射の吸収は、分子の回転運動
、すなわち、分子結合を中心にしての全分子または原子のグループの回転により
起こる。テラヘルツ放射は、極性回転半体が多ければ多いほど多く吸収される。
しかし、物質が液状であり、その物質が硬化または凍結する場合には、回転運動
は容易に起こる。この種の運動はかなり制限されているので、物質はテラヘルツ
放射に対してより透明になる。大部分の液状接着剤は、高い極性を持ち、自由に
回転する液状接着剤の分子の吸収と、分子が回転することができない硬化した接
着剤の吸収との間に大きな違いを示す。
ツ放射を使用することができる同じ物理的特性により、水から氷および氷から水
のような他の液体から固体、または固体から液体への相の変化を監視するために
テラヘルツ放射を使用することができる。氷または水を含む冷凍食品のような冷
凍品目についても同じことが言える。さらに、テラヘルツ放射は、粉末飲料およ
びベビー食品のような湿気厳禁の製品内の水の量を監視するのにも使用すること
ができる。
ことができることである。本発明のテラヘルツ・システムは、頑丈にパッケージ
されていて、エポキシ、接着物質、アイスキューブ、ベビー食品および冷凍食品
のような上記一般の製品の処理のための工業的環境内で使用することができる。
しかし用途はこれに限定されない。テラヘルツ・システムは、ボール紙、木材ま
たはプラスチックの積層シート、コーキング、シリコーン充填材のような材料を
結合するために使用される接着剤、および他のタイプの接着剤の硬化を監視する
ために使用することができる。さらに、テラヘルツ・システムは、また、車のボ
ディ上のペンキのようなペンキの乾燥を監視するのにも使用することができる。
のタイプの相変化を監視するために、テラヘルツ・デバイスを使用することがで
きる。
発明の他の目的、特徴および利点を理解することができるだろう。
テムの略図である。800nmの波長で、100フェムト秒以下のパルスを発生
するTi:サファイア・レーザを含む光源12は、プリコンペンセータ14に接
続している。Ti:サファイア・レーザは、好適な光源12であるが、750〜
800nmの波長でパルスを発生するために二重になっている、モードロックし
、エルビウムでドーピングしたファイバ・レーザ周波数;衝突パルス、モードロ
ックした(CPM)レーザ;より高いエネルギーに増幅されるシード・パルスか
らなる増幅Ti:サファイア・レーザ;周波数倍増のモードロックしたNdをベ
ースとするガラス・レーザ;任意のクロームでドーピングしたホストをベースと
するモードロックしたレーザ;LiCaF、LiSrAIFまたはLiSrGa
AIF;またはメガヘルツ反復速度で、フェムト秒出力パルスを発生する任意の
レーザ源のような他の短いパルス源も使用することができる。好適な実施形態は
、約800nmのところで動作するレーザ源を使用しているが、送信機および受
信機で適当な半導体材料を使用できる場合には、1550nmのところで動作す
る、エルビウムでドーピングしたファイバ・レーザのようなレーザ源も使用する
ことができる。
一モードの光ファイバ16および18に分割される。単一モードの光ファイバ1
6および18の出力のところで変換制限パルスを発生する目的で、ファイバ16
および18内で得られた分散とは反対の符号の分散を追加するために、プリコン
ペンセータ14が使用される。分散とは、波長による群速度変化の特性のことで
ある。分散は、拡散したり、広げたり、および/または光パルスの形を歪ませた
りして、光パルスを識別できないようにする傾向がある。最も簡単な形の分散は
、バルク材料を通しての光の伝播によるものである。この分散を起こすのは、非
線形で、周波数依存の屈折率である。プリコンペンセータ14は、格子、ホログ
ラフ格子、プリズム、グリズム、ブラッグ・ファイバ格子、ギレス−トーニール
干渉計、または負の群速度分散システムを形成するこれらの任意の他の組合わせ
により作ることができる。光ファイバ16および18は、多数の市販の単一モー
ドのファイバを含むことができる。
2を通って伝播し、テラヘルツ送信機24に達し、この送信機は、テラヘルツ周
波数領域内で1サイクルまたは半サイクルの電磁放射を発射する。テラヘルツ送
信機24の好適な実施形態は、正孔のペアおよびインパルス電流を発生する光伝
導素子を使用する。光伝導素子としては、pn接合ダイオード,pinホトダイ
オード、金属−半導体−金属ホトダイオード、点接触ホトダイオード、ヘテロ接
合ホトダイオード、または低温成長GaAs、半絶縁GaAs、サファイア上の
(結晶性またはイオン注入)シリコン、InAs、InP、InGaAs、また
は任意の他の光活性素子を含む、任意の半導体素子で作ることができる半導体単
体を使用することができる。テラヘルツ・パルスを発生するために使用する光伝
導素子としては、1995年5月30日付けの、ザーン他の「マイクロ波放射源
」という名称の米国特許第5,420,595号が開示しているタイプのものを
使用することができる。上記米国特許は、引用によって本明細書の記載に援用す
る。
発生する。電流の変動により、テラヘルツ周波数領域内で電磁放射が発生する。
電磁放射の一時的な形状は、入力光パルスの短さおよび光伝導素子に接続してい
る金属アンテナの構造により決まる。好適な実施形態の場合には、アンテナは、
ダイポール・アンテナである。この好適な実施形態のアンテナの構成は、199
8年5月17日付けの、ブレナー他の「テラヘルツ発生装置および検出装置」と
いう名称の米国特許第5,729,017号が開示している。上記米国特許は、
引用によって本明細書の記載に援用する。好適なモードの放射は、50ギガヘル
ツから100テラヘルツであるが、この好適な領域より上または下の任意の電磁
周波数も使用することができる。
る。次に、調整されたテラヘルツ放射は、サンプル28および第2の光学素子3
0を通過し、テラヘルツ受信機モジュール32に到着する。すでに説明したよう
に、サンプル28内の相の変化は、サンプル28を通過する信号のテラヘルツの
過渡現象の、周波数に依存する吸収、分散および反射により識別することができ
る。サンプル28を通過する受信テラヘルツ放射の全エネルギーを監視すること
により、材料の相の変化を監視することができる。図1のテラヘルツ放射受信機
32は、テラヘルツ放射がサンプル28を通過した後の、テラヘルツ領域内の電
磁放射を検出するように構成されている。テラヘルツ放射受信機32は、吸収、
反射、屈折または散乱した放射を検出するように、サンプル28の周囲の任意の
場所に設置することができる。次に、テラヘルツ放射受信機32は、後でアンプ
34により増幅され、データ取得システム36により解釈、スケールおよび/ま
たはデジタル化される受信テラヘルツ放射の電力またはエネルギーに比例する電
気信号を発生する。
ず)により制御された光ファイバ遅延装置20を通って伝播する光パルスにより
、テラヘルツ送信機24と同期する。光ファイバ遅延装置20は、受信テラヘル
ツ信号の格子ゲート制御を制御する。
実施形態である。しかし、パルス状の時間領域システムは、電気光学発生装置を
ベースとすることができ、また他の検出装置も使用することができる。他の実施
形態は、ガン・ダイオードまたは送信機としての非線形送信ライン、および検出
装置としての送信機を含むすべての電子的方法からなる。
の略図である。2つの半導体ダイオード・レーザ42および44は、光学的接続
点46のところで、連続波信号を発生するために光学的に接続している。連続波
信号は、ダイオード・レーザ42および44の出力の重なり合う干渉および打ち
消し合う干渉により発生する。レーザ42および44は、任意の必要な周波数を
発生するために変調することができる。図1の本発明の第1の実施形態と同様に
、連続波は、テラヘルツ放射を発生するテラヘルツ送信機24’に送られる。テ
ラヘルツ放射は、テラヘルツ放射を調整する光学素子26’を通して送信される
。次に、調整されたテラヘルツ放射は、サンプル28’、第2の光学素子30’
およびテラヘルツ受信機モジュール32’を通る。テラヘルツ受信機32’から
の信号は、第1の実施形態と同様に分析される。システム40が発生した連続テ
ラヘルツ放射は、鋭角の吸収ラインによるガス状物質の監視のように、波長によ
り影響を受ける測定を可能にする。1997年9月2日付けの、ブラウン他の「
光学的ヘテロダイン変換のための装置および方法」という名称の米国特許第5,
663,639号が、この好適な実施形態の連続波システム構成を開示している
。上記米国特許は、引用によって本明細書の記載に援用する。
方形の氷を通して送信したパルス波形である。グラフ50および52は、時間軸
上に表示したテラヘルツ受信機32の増幅電圧信号である。図を見れば分かるよ
うに、電圧信号として測定した、氷を通るテラヘルツ放射からの送信電力は、ビ
ーム経路内の水が増大し始めるとゆっくりと減少する。
ス波形である。グラフ54は、時間軸上に表示したテラヘルツ受信機32の増幅
電圧信号である。図3および図3aと同様に、冷凍胡瓜の水の量がテラヘルツ放
射の減衰を決める。
エポキシが硬化する場合の一連の波形である。グラフ56および58は、時間軸
上に表示したテラヘルツ受信機の増幅電圧信号であり、グラフ60は、時間内に
検出した積分テラヘルツ電力である。エポキシが硬化しているので、すなわち、
液体から固体へ変化しているので、時間が経過するにつれて、信号電圧の強度が
増大する。
全エネルギーを連続して監視した実験の際のものである。図5および図5aの両
方の図面は、硬化の最初の5分間の間のエポキシと同じエネルギー傾向を示す。
グラフ56および58は、テラヘルツ放射に対してほぼ同じ透明度を示し、この
場合、混合後4〜5分で若干の低下が見られ、この低下の後で、次の10分間送
信エネルギーは着実に増大する。
の類似の物質内での液体から固体への相の変化を監視するための、テラヘルツ放
射の用途の一例を示す。グラフ60は、標準タイプの2成分からなり、5分で硬
化するエポキシのキュベットを通して送信したテラヘルツ電力を示す。エポキシ
が重合し始めると、エポキシのキュベットは、経過時間中の送信テラヘルツ電力
の増大が示すように、テラヘルツ放射に対してますます透明になる。最初、エポ
キシの2つの成分を混合すると、エポキシのキュベットは、固体化が始まる直前
に、一時的に不透明の度合いが増す(送信テラヘルツ電力は減少する)ように見
える。
、テラヘルツ領域内で検出することができるので、他の接着物質の場合も類似の
結果が起こることが十分考えられる。
ラヘルツ・システムを使用した場合のものである。本発明の好適な実施形態の場
合には、図2に示すような連続波(CW)テラヘルツ・システムを工業的な用途
で使用する。このシステムは、広い波長の範囲でテラヘルツ放射を間欠的に監視
するのではなく、特定のテラヘルツ周波数のところで全送信電力を連続的に監視
する。
求の範囲に記載する本発明の精神および範囲から逸脱することなしに、種々の変
更および修正を行うことができることを理解されたい。
Claims (31)
- 【請求項1】 検査中のサンプルが相の変化を起こしているかどうかを判断
するためのシステムであって、 レーザ光を発生するためのレーザ光源と、 前記レーザ光を、前記サンプルを通して送られるテラヘルツ電磁放射に変換す
る、光学的に駆動されるテラヘルツ送信機と、 前記サンプルを通して送信された前記テラヘルツ電磁放射を受信するための、
前記テラヘルツ送信機に対向して位置する光学的に駆動されるテラヘルツ受信機
と、 前記サンプルが相の変化を起こしているかどうかを判断するために、前記光学
的に駆動されるテラヘルツ送信機が送信した前記テラヘルツ電磁放射を、光学的
に駆動されるテラヘルツ受信機が受信した前記テラヘルツ電磁放射と比較するた
めの分析装置と、 を備えるシステム。 - 【請求項2】 請求項1に記載されたシステムにおいて、前記サンプルが相
の変化を起こしているかどうかを判断するために、前記光学的に駆動されるテラ
ヘルツ送信機が送信した前記テラヘルツ電磁放射の送信電力を、前記光学的に駆
動されるテラヘルツ受信機が受信した前記テラヘルツ電磁放射の受信電力と、前
記分析装置がさらに比較するシステム。 - 【請求項3】 請求項1に記載されたシステムにおいて、前記サンプルが相
の変化を起こしているかどうかを判断するために、前記光学的に駆動されるテラ
ヘルツ送信機が送信した前記テラヘルツ電磁放射の送信ピーク電圧振幅を、前記
光学的に駆動されるテラヘルツ受信機が受信した前記テラヘルツ電磁放射の受信
ピーク電圧振幅と、前記分析装置がさらに比較するシステム。 - 【請求項4】 請求項1に記載されたシステムにおいて、前記レーザ光源が
、約100フェムト秒の持続時間を持つ光パルスを発生することができるレーザ
であるシステム。 - 【請求項5】 請求項4に記載されたシステムにおいて、ファイバ供給シス
テムが、前記光パルスを、前記レーザ光源から前記光学的に駆動されるテラヘル
ツ送信機および受信機に送るために使用されるシステム。 - 【請求項6】 請求項5に記載されたシステムにおいて、さらに、前記ファ
イバ供給システムで受けた分散を打ち消すために、分散を加えるためのプリコン
ペンセータを備えるシステム。 - 【請求項7】 請求項1に記載されたシステムにおいて、前記レーザ光源が
さらに複数の単一周波数の光信号を発生するための複数の単一周波数の光源を含
み、前記複数の単一周波数の光信号が、前記光学的に駆動されるテラヘルツ送信
機および受信機にコヒーレントに追加されるシステム。 - 【請求項8】 請求項7に記載されたシステムにおいて、さらに、前記複数
の単一周波数の光信号を空間的に重畳させるためのファイバ・コンバイナを備え
るシステム。 - 【請求項9】 請求項1に記載されたシステムにおいて、前記テラヘルツ送
信機および受信機がさらに前記レーザ光を前記テラヘルツ電磁放射に変換するた
めの光伝導素子を備えるシステム。 - 【請求項10】 請求項9に記載されたシステムにおいて、前記光伝導素子
が、低温成長GaAs半導体であるシステム。 - 【請求項11】 請求項1に記載されたシステムにおいて、前記テラヘルツ
送信機および受信機が、さらに、前記レーザ光を前記テラヘルツ電磁放射に変換
するための電気光学素子を備えるシステム。 - 【請求項12】 請求項11に記載されたシステムにおいて、前記電気光学
素子がZnTeからなるシステム。 - 【請求項13】 請求項1に記載されたシステムにおいて、前記テラヘルツ
送信機および受信機が、前記送信機からおよび前記受信機への、前記テラヘルツ
電磁放射の結合効率を改善するためのアンテナをさらに備えるシステム。 - 【請求項14】 請求項1に記載されたシステムにおいて、前記レーザ光源
から前記光学的に駆動されるテラヘルツ受信機へ、前記レーザ光を送信する際に
遅延を導入するための光学的遅延デバイスをさらに備えるシステム。 - 【請求項15】 請求項1に記載されたシステムにおいて、前記テラヘルツ
電磁放射の焦点を前記サンプルに結ぶために、前記テラヘルツ送信機と整合して
いるテラヘルツ光学素子をさらに備えるシステム。 - 【請求項16】 請求項1に記載されたシステムにおいて、前記テラヘルツ
電磁放射を前記テラヘルツ受信機に集中するために、前記テラヘルツ受信機と整
合しているテラヘルツ光学素子をさらに備えるシステム。 - 【請求項17】 検査中のサンプルが状態の変化を起こしているかどうかを
判断するための方法であって、 レーザ光源を使用して、コヒーレントな光波を発生する段階と、 前記サンプルを通して前記テラヘルツ電磁放射を送信する、光学的に駆動され
るテラヘルツ送信機を使用して、前記コヒーレントな光波をテラヘルツ電磁放射
に変換する段階と、 光学的に駆動されるテラヘルツ送信機に対向して位置する、光学的に駆動され
るテラヘルツ受信機を使用して、前記サンプルを通して送信される前記テラヘル
ツ電磁放射を受信する段階と、 前記サンプルが状態の変化を起こしているかどうかを判断するために、前記送
信テラヘルツ電磁放射を前記受信テラヘルツ電磁放射と比較する段階とを含む方
法。 - 【請求項18】 請求項17に記載された方法において、前記サンプルが状
態の変化を起こしているかどうかを判断するために、前記送信テラヘルツ電磁放
射を前記受信テラヘルツ電磁放射と比較する段階が、さらに、前記光学的に駆動
されるテラヘルツ送信機が送信した前記テラヘルツ電磁放射の送信電力を、前記
光学的に駆動されるテラヘルツ受信機が受信した前記テラヘルツ電磁放射の受信
電力と比較する段階を含む方法。 - 【請求項19】 請求項17に記載された方法において、前記サンプルが状
態の変化を起こしているかどうかを判断するために、前記送信テラヘルツ電磁放
射を前記受信テラヘルツ電磁放射と比較する段階が、さらに、前記光学的に駆動
されるテラヘルツ送信機が送信した前記テラヘルツ電磁放射の送信ピーク電圧振
幅を、前記光学的に駆動されるテラヘルツ受信機が受信した前記テラヘルツ電磁
放射の受信ピーク電圧振幅と比較する段階を含む方法。 - 【請求項20】 請求項17に記載された方法において、約100フェムト
秒の持続時間を持つ光パルスを発生する段階をさらに含む方法。 - 【請求項21】 請求項20に記載された方法において、前記光パルスを、
光ファイバ供給システムを使用して、前記光学的に駆動されるテラヘルツ送信機
および受信機に送る段階をさらに含む方法。 - 【請求項22】 請求項21に記載された方法において、前記光ファイバ供
給システムで受けた分散を打ち消すために、プリコンペンセータを使用して分散
を追加する段階をさらに含む方法。 - 【請求項23】 請求項17に記載された方法において、アンテナを使用し
て、前記光学的に駆動されるテラヘルツ送信機からのおよび前記光学的に駆動さ
れるテラヘルツ受信機への前記テラヘルツ電磁放射の結合効率を改善するための
段階をさらに含み、前記送信機および前記受信機がそれぞれ前記アンテナを備え
る方法。 - 【請求項24】 請求項17に記載された方法において、前記光学的に駆動
されるテラヘルツ送信機と整合しているテラヘルツ光学素子を使用して、前記テ
ラヘルツ電磁放射の焦点を前記サンプル上に結ぶ段階をさらに含む方法。 - 【請求項25】 請求項17に記載された方法において、前記テラヘルツ受
信機と整合しているテラヘルツ光学素子を使用して、前記サンプルを通して送信
された前記テラヘルツ電磁放射の焦点を前記光学的に駆動されるテラヘルツ受信
機上に結ぶ段階を含む方法。 - 【請求項26】 請求項17に記載された方法において、レーザ光源を使用
してコヒーレントな光波を発生する段階が、さらに、複数の単一周波数の光源を
使用して、前記複数の単一周波数の光信号を発生する段階を含み、前記複数の単
一周波数の光信号を、前記光学的に駆動されるテラヘルツ送信機および受信機の
ところでコヒーレントに加算する方法。 - 【請求項27】 検査中のサンプルが状態の変化を起こしているかどうかを
判断するためのシステムであって、 レーザ光のパルスを発生するためのパルス・レーザ光源と、 前記レーザ光を、前記サンプルを通して送られるテラヘルツ電磁放射のパルス
に変換する光学的に駆動されるテラヘルツ送信機と、 前記サンプルを通して送信された前記テラヘルツ電磁放射を受信するために、
前記テラヘルツ送信機に対向して位置する光学的に駆動されるテラヘルツ受信機
と、 前記レーザ光を、前記レーザ光源から前記光学的に駆動されるテラヘルツ送信
機および受信機に送信するためのファイバ供給システムと、 前記レーザ光源から前記光学的に駆動されるテラヘルツ受信機にレーザ光を送
信する際に、遅延を導入するための光学的遅延デバイスと、 前記サンプルが状態の変化を起こしているかどうかを判断するために、前記光
学的に駆動されるテラヘルツ送信機が送信した前記テラヘルツ電磁放射を、前記
光学的に駆動されるテラヘルツ受信機が受信した前記テラヘルツ電磁放射と比較
するための分析装置と、を備えるシステム。 - 【請求項28】 請求項27に記載されたシステムにおいて、前記レーザ光
源が、約100フェムト秒の持続時間を持つ光パルスを発生することができるレ
ーザであるシステム。 - 【請求項29】 請求項27に記載されたシステムにおいて、前記ファイバ
供給システムで受けた分散を打ち消すために分散を加えるためのプリコンペンセ
ータをさらに備えるシステム。 - 【請求項30】 請求項27に記載されたシステムにおいて、前記サンプル
が状態の変化を起こしているかどうかを判断するために、前記光学的に駆動され
るテラヘルツ送信機が送信した前記テラヘルツ電磁放射の送信電力を、前記光学
的に駆動されるテラヘルツ受信機が受信した前記テラヘルツ電磁放射の受信電力
と、前記分析装置がさらに比較するシステム。 - 【請求項31】 請求項27に記載されたシステムにおいて、前記サンプル
が状態の変化を起こしているかどうかを判断するために、前記光学的に駆動され
るテラヘルツ送信機が送信した前記テラヘルツ電磁放射の送信ピーク電圧振幅を
、前記光学的に駆動されるテラヘルツ受信機が受信した前記テラヘルツ電磁放射
の受信ピーク電圧振幅と、前記分析装置がさらに比較するシステム。
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