JP2004500582A

JP2004500582A - テラヘルツトランシーバーならびにこのようなトランシーバーを用いるテラヘルツパルスの放出および検出のための方法

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Publication number: JP2004500582A
Application number: JP2001574856A
Authority: JP
Inventors: ザン，　エックス．−シー．; 谷　正彦; ジャン，　ツーピン; チェン，　ツィン
Original assignee: レンセレイアー　ポリテクニック　インスティテュート
Priority date: 2000-04-06
Filing date: 2001-04-05
Publication date: 2004-01-08
Also published as: WO2001077646A1; US20010038074A1; CA2404434A1; EP1281061B1; US6844552B2; EP1281061A1

Abstract

テラヘルツ周波数の電磁パルスを放出し、そして検出するためのシステム。このシステムは、単一のトランシーバーデバイスを備え、このデバイスは、パルスの放出と検出との両方のための、電気光学結晶または光伝導性アンテナであり得る。関連する方法は、テラヘルツ周波数の電磁パルスの放出と検出との両方のために、単一のトラシーバーデバイスを使用することを包含する。このトランシーバーデバイスは、ポンプパルスによって励振され、そしてテラヘルツの出力パルスを放出し、これは、チョッパーを用いて変調される。物体が、このテラヘルツパルスを反射し、そしてこの反射パルスが、プローブパルスを使用して、このトラシーバーで検出される。チョッパーの周波数と同じ周波数に設定された、ロックイン増幅器が、このトランシーバーによって検出される信号におけるノイズを低下させるために、使用される。

Description

【０００１】
（関連出願の引用）
本願は、２０００年４月６日に出願された、米国仮特許出願番号６０／１９５，５５４、および２０００年４月７日に出願された、米国仮特許出願番号６０／１９５，７０８（これらの両方は、参考として援用される）に基づく優先権を主張する。
【０００２】
（技術分野）
本発明は、一般に、電磁パルスの放出および検出に関し、より具体的には、テラヘルツ（ＴＨｚ）の周波数範囲での使用のための、トランシーバーに関する。
【０００３】
（発明の背景）
電気光学結晶および光伝導性双極子アンテナは、テラヘルツ（ＴＨｚ）時間領域分光法および関連する画像化適用において、広範に使用されてきた。例えば、Ｚｈａｎｇらに対して発行された米国特許第５，９５２，８１８号は、リアルタイムの二次元遠赤外画像化装置のために適切な、自由空間電磁放射線を特徴付けるための、電気光学感知装置および方法を開示する。パルス化されたテラヘルツ電磁放射線が、電気光学結晶を照射し、ポッケルス効果によって屈折率を変調する。フェムト秒光学パルスは、場により誘導される屈折率の変化を、この結晶を通過することによってプローブする。プローブパルスにおける場により誘導される楕円変調を、強度変調に変換するために、プローブパルスが、補償器および偏光子によって分析され、そして光検出器によって検出される。
【０００４】
Ｎｕｓｓに対して発行された米国特許第５，７８９，７５０号は、テラヘルツ送信器またはテラヘルツ検出器のいずれかとして使用され得る、光伝導性双極子アンテナ構造体の使用を議論する。Ｍｉｔｔｌｅｍａｎらに対して発行された米国特許第６，０７８，０４７号は、テラヘルツ断層撮影画像化のための方法および装置を開示し、この装置は、光伝導性テラヘルツ送信器、および別個の光伝導性テラヘルツ検出器を備え、この送信器は、試験物体を照射するためのテラヘルツ放射線を発生させ、そしてこの検出器は、この物体によって反射されたパルスを検出するためのものである。物体によって反射されたパルスの相対的な時間の遅れの測定を使用して、この物体における誘電界面の位置を決定する。
【０００５】
しかし、上記特許および当該分野における他の箇所に記載されるような、ＴＨｚ時間領域分光法のために使用される標準的な装置において、別個の送信器および受信器が、ＴＨｚ信号を放出および検出するために使用される。検出は、放出の逆のプロセスであるので、送信器および受信器は、同一のデバイスであり得る。単一のデバイスを送信器と受信器との両方（「トランシーバー」）として使用することによって得られる利点にもかかわらず、テラヘルツトランシーバーは、当該分野において以前には公知でもなく使用されてもいなかった。これは主として、認識される技術的困難および固有の複雑さ（例えば、認容可能な信号対ノイズ比を提供する困難性）に起因する。
【０００６】
（発明の要旨）
本発明は、テラヘルツ周波数の電磁パルスを放出および検出するためのシステムを包含する。このシステムは、このパルスの放出と検出との両方のための、単一のトランシーバーデバイスを有する。特に、このデバイスは、電気光学結晶または光伝導性アンテナであり得る。
【０００７】
１つの実施形態において、このシステムは、対応する複数のテラヘルツ出力パルスおよび複数のプローブパルスを放出するようにトランシーバーを励振させるための、複数のポンプパルスを提供するための、光源および関連する光学機器をさらに備え得る。チョッパーが、このテラヘルツ出力パルスを、第一の周波数で変調する。物体が、この変調テラヘルツ出力パルスによって照射され、そして複数の変調テラヘルツ出力パルスを反射する。このプローブパルスは、対応する複数の反射テラヘルツパルスと同時にトランシーバーを照射するように、タイミングを合わせられる。ロックイン増幅器（その参照入力がチョッパーのクロック出力に接続されている）が、トランシーバーによって検出される対応する反射テラヘルツパルスに比例する情報を運ぶ、複数の電気信号を受信する。同期されたチョッパーおよびロックイン増幅器の使用は、ロックイン増幅器が信号におけるノイズを低下させることを可能にする。
【０００８】
１つの実施形態において、小型電気光学結晶が、光ファイバーの端部に設置され得る。この小型電気光学結晶は、例えば、１ｍｍ^３未満の体積を有し得る。この光ファイバーは、変更保存型光ファイバーであり得る。
【０００９】
本発明はまた、テラヘルツ周波数の電磁パルスを放出および検出するための方法を包含する。この方法は、テラヘルツ周波数の電磁パルスを単一のトランシーバーデバイスで放出および検出する工程を包含する。この方法は、さらに、このトランシーバーデバイスをポンプパルスで励振させて、第一のテラヘルツ周波数出力パルスを放出させる工程を包含し得る。このテラヘルツ周波数の出力パルスは、第一の周波数に設定されたチョッパーを用いて変調される。物体が、この変調テラヘルツ周波数出力パルスで照射され、この物体は、反射テラヘルツパルスを反射する。このトランシーバーデバイスは、プローブパルスがこのトランシーバーデバイスを照射すると同時に、この反射テラヘルツパルスで照射され、その結果、このトランシーバーデバイスは、反射テラヘルツパルスからの情報を運ぶ、第一の信号を発生させる。
【００１０】
このトランシーバーデバイスが電気光学結晶である場合には、テラヘルツパルスは、この電気光学結晶においてプローブパルスを変調し、そしてこの電気光学結晶は、この電気光学結晶の後表面から、変調プローブパルスを反射する。第一の信号は、反射変調プローブパルスを含む。このような場合には、この方法はさらに、この反射変調プローブパルスを光検出器で検出する工程；上記情報を第二の信号に変換する工程；およびこの第二の信号におけるノイズをロックイン増幅器で低下させて、第三のノイズが低下した信号を発生させる工程を包含する。
【００１１】
このトランシーバーデバイスが光伝導性アンテナである場合には、この方法は、テラヘルツパルスおよびプローブパルスを通して、第一の信号を含む電流をアンテナにおいて生じさせる工程を包含し得る。この方法はさらに、第一の信号におけるノイズをロックイン増幅器で低下させて、第二のノイズが低下した信号を発生させる工程を包含する。
【００１２】
物体は、複数の層を有し得、各層は、トランシーバーから異なる距離にある。この方法は、さらに、複数のポンプパルス、プローブパルス、およびテラヘルツパルスを発生させる工程を包含し得、その結果、この物体は、複数の対応する反射テラヘルツパルスを反射し、各パルスが、このパルスを反射した層のトランシーバーからの距離に対応する、ピーク振幅強度およびピーク振幅タイミングを有する。次いで、この物体の断層撮影画像が、このピーク振幅強度またはピーク振幅タイミングを使用して、作成され得る。
【００１３】
上記一般的な記載と以下の詳細な記載との両方は、本発明の例示であるが、本発明を制限しないことが、理解されるべきである。
【００１４】
本発明は、添付の図面と組み合わせて読まれる場合に、以下の詳細な説明から最良に理解される。一般的な実施に従って、この図面の種々の特徴は、同一縮尺ではないことが強調される。対照的に、種々の特徴の寸法は、明瞭さのために、任意に拡大または縮小されている。図面には、以下に記載される図が含まれる。
【００１５】
（発明の詳細な説明）
ＴＨｚの送信器と受信器とが空間的および機能的に別個のデバイスである、従来の構成とは異なり、本発明のＴＨｚトランシーバーは、２つの機能を１つのデバイスに合わせる。このＴＨｚトランシーバーは、交互にＴＨｚの周波数でパルス電磁放射線を伝達し、そして戻った信号を受信する。このＴＨｚトランシーバーは、電気光学結晶または光伝導性アンテナを備え得る。電気光学結晶トランシーバーについては、電磁放射線は、光学的に整流され、そして戻った光学信号は、フェムト秒光学機器を使用して、電気光学効果を介して、この結晶によって受信される。電気光学結晶と光伝導性アンテナの両方の実施形態において、このシステムの複雑性は、別個の放出器と受信器とではなく、単一のトランシーバーのみを使用することによって、大いに減少する。
【００１６】
光伝導性トランシーバーの実施形態と電気光学トランシーバーの実施形態との性能の比較は、別個のＴＨｚ送信器および受信器を使用する電気光学的方法に対する光伝導性方法の任意の比較に類似している。電気光学的トランシーバーは、代表的に、光伝導性アンテナより多くの光学出力を必要とするが、低い周波数においてはより低い信号対ノイズ比を有する。電気光学的トランシーバーは、代表的に、光伝導性アンテナより広い帯域幅を有し、そしてより小さなトランシーバーについての可能性を与える。これは部分的には、電気光学結晶の実施形態が、光伝導性アンテナの実施形態は多くの代表的な配線およびパッケージを有さないことに起因する。図１２に示すように、小型電気光学結晶トランシーバー７００（例えば、約１ｍｍ^３未満の体積を有する）は、偏光保存型光ファイバー７０２の端部に取り付けられて、真の光ファイバーＴＨｚトランシーバーを提供し得る。
【００１７】
ＴＨｚトランシーバーを使用するための配置は、２つのアンテナまたは結晶および２つの放物面ミラーを使用する、従来のＴＨｚシステムより複雑ではない。単一のトランシーバーを有することはまた、光学機器の整列を単純化する。ＴＨｚトランシーバーは、ＴＨｚ測距およびＴＨｚ感知において独自の適用を有し得、そして特に、反射配置において、ＴＨｚ画像化および断層撮影のために理想的であり得る。超高速ファイバーレーザーおよび光ファイバー接続の使用とともに、ＴＨｚトランシーバーは、ＴＨｚ分光法および画像化システムの寸法をさらに減少させることを補助し得る。
【００１８】
本発明のＴＨｚトランシーバーの電気光学結晶実施形態および光伝導性アンテナ実施形態は、以下にさらに詳細に議論される。電気光学結晶トランシーバーに対する例示的な断層撮影適用もまた、議論される。
【００１９】
（Ａ．電気光学結晶トランシーバー）
図１は、電気光学結晶トランシーバーの機能を実証する例示的な構成を示す。レーザー１０は、光パルスを発生させ、このパルスは最初に、経路１１を通って偏光子１２へと移動する。偏光子１２は、任意である。偏光パルスは、経路１１ａに沿って移動してビームスプリッタ１３ａに当たり、このビームスプリッタは、このパルスの一部をポンプパルスとして、経路１１ｂに放出し、そしてこのパルスの一部をプローブパルスとして、経路１１ｃに沿って反射する。経路１１ｃに沿って移動するプローブパルスは、ミラー１３ｂで跳ね返り、次いで可動ステージ１５においてミラー１３ｃおよび１３ｄで跳ね返り、次いでビームスプリッタ１３ｅおよび１３ｆで跳ね返る。可動ステージ１５は、矢印Ａに沿って前後に移動可能である。従って、遅延ステージ１４（可動ステージ１５は、この遅延ステージの構成要素である）は、ポンプパルス１６とプローブパルス１７との間の可変の遅延を提供する。技術者は、遅延ステージ１４をしばしば、マイケルソン干渉計と称する。
【００２０】
ポンプパルス１６は、最初に、電気光学（ＥＯ）結晶１８を照射し、この結晶は、光学的整流を介して、ＴＨｚパルス１９を発生させる。機械的チョッパー２２が、ＴＨｚパルス１９を変調する。ＴＨｚパルス１９は、１つ以上の放物面ミラー２０ａおよび２０ｂによって平行化され、そしてサンプル２１から反射される（矢印Ｂによって示されるように）。プローブパルス１７は、反射ＴＨｚ信号を、ＥＯ結晶１８における電気光学効果を介してサンプリングし、ここで、このプローブパルスの位相は、反射ＴＨｚパルスによって変調される。次いで、このプローブパルスは、ＥＯ結晶１８の後表面２４から反射し、そしてビームスプリッタ１３ｆから反射され、ビームスプリッタ１３ｅを通して伝達され、そしてミラー１３ｇによって反射され、光学分析器（偏光子）２５を通過し、そして光検出気２６によって検出される。偏光子２５は、反射テラヘルツパルスによって誘導される、プローブパルスにおける位相変化を、強度の変化に変換し、これは、光検出器２６によって検出され得る。ロックイン増幅器２３（その反射入力（図示せず）がチョッパー２２のクロック出力（図示せず）に接続されており、その結果、その周波数がチョッパーの周波数に自動的にロックされる）が、バックグラウンドノイズから所望の信号を抽出する。
【００２１】
データプロセッサ８０（例えば、処理ソフトウェアを含むコンピュータ）は、任意の単一単位または複数の処理単位を含み得、これは、ロックイン増幅器２３からの出力信号を、処理するか、格納するか、または処理と格納との両方を行う。データプロセッサ８０は、例えば、反射テラヘルツパルスの強度または時間遅延に基づいて、サンプル２１の画像を作成し得る。この機能は、以下にさらに議論される。
【００２２】
ミラー１３ａ〜ｇおよび２０ａ、ｂの数は、所望の特定の構成の物理的必要性に取り組むために必要とされるように、変化され得る。例えば、ミラー２０ｂが図１において示されている位置にサンプル２１を配置して、単一のミラー２０ａのみが、平行化のために使用され得る。別の実施形態において、ミラーが全く使用されないかもしれない。また、マイケルソン干渉計を使用する代わりに、プローブパルス１７は、当該分野において公知の任意の他の方法によって、発生され、ポンプパルス１６と同期したプローブパルスを提供し得る。
【００２３】
１つの例示的な実施形態において、再生的に増幅されたＴｉ：サファイアレーザー（例えば、Ｃｏｈｅｒｅｎｔ　Ｒｅｇａ　９０００）（８００ｎｍ、１８０ｆｓのパルス持続時間および２５０ｋＨｚの繰返し数を有する）を使用して、パルスを発生させた。電気光学結晶１８は、４．５ｍｍ厚の＜１１０＞配向ＺｎＴｅ結晶であった。ポンプパルス１６とプローブパルス１７との平均出力は、約１０５ｍＷであり、そしてチョッパー２２は、４５０Ｈｚにおいて、テラヘルツパルスを変調した。比較的広い（例えば、約２ｃｍ）スロットチョッパーブレードを使用して、ＴＨｚパルスの比較的大きな大きさに適合させることによって、比較的低い変調周波数が提供された。ロックイン増幅器２３は、３００ｍｓの積分時間を有した。
【００２４】
光学プローブパルスの偏光方向は、光学ポンプパルスの偏光方向に対して平行であり、そして光学偏光子２５（分析器）は、より良好なポンプパルスの阻止およびプローブパルスの交差バランス検出のために、入力偏光子１２によって提供される偏光に対して垂直に配向された。ポンプパルス偏光の最適な配向（理論的計算によって予測される場合）は、好ましくは、（１１０）ＺｎＴｅ結晶の（００１）ｚ軸から反時計回りに約２５．７°であり、そして発生したＴＨｚ場の偏光は、このｚ軸から反時計回りに約７７°であった。他の配向もまた、使用され得る。
【００２５】
図２は、サンプル２１として金属ミラーを使用し、そしてこのミラーをＴＨｚ伝播方向に沿って矢印Ｃの方向に、１ｍｍのステップで（６．６ｐｓの往復時間で）移動させることによって測定した、波形のセットを示す。図２に示される第一の信号２７ａ〜ｅは、金属チョッパーブレードからのＴＨｚ反射であり、これは、ＴＨｚパルスの伝播方向に対して実質的に垂直に設定された。従って、第一の信号２７ａ〜ｅの時間位置は、固定されている。第二の信号２８ａ〜ｅは、金属ミラーから反射されたＴＨｚ信号である。第二の信号の位置は、ミラーの位置とともにシフトする。
【００２６】
２つのＴＨｚ信号間の時間遅延は、チョッパーと金属ミラーとの間を移動するＴＨｚパルスの往復運動時間である。チョッパーブレードからの反射は、自動的に、システム較正のための参照マーカーとして働く。チョッパーから反射された信号の位相と、チョッパーの背後の金属ミラーから反射された信号の位相との間には、πの位相差が存在し、これは、チョッパーによって伝達されるＴＨｚパルスと反射されるＴＨｚパルスとの間の位相差から生じる。従って、ロックイン増幅器を用いて測定されたこれら２つの信号は、逆の偏光を示す。図２に示す、第二の信号２８ａ〜ｅと第一の信号２７ａ〜ｅとの間の時間遅延は、断層撮影に対する本発明の適合性を実証する。
【００２７】
平行な光学ポンプおよびプローブ偏光を用いるクロスバランス検出が存在することを条件として、電気光学ＴＨｚトランシーバーの全体の効率は、別個に使用される送信器および受信器より約５０％低い。理論的計算と実験結果との両方が、１：１のポンプ：プローブ出力比を用いる操作が最適であることを示す。図２に示す結果は、約１．８ｎＡのＴＨｚ信号に対するピーク間電流、および約６．８ｐＡのノイズ下限を示し、約２７０のダイナミックレンジを提供する。このダイナミックレンジは、チョッパー変調周波数およびパルス整列の正確さに依存して、変化され得る。例えば、より高い変調周波数は、より低い変調周波数よりも大きなダイナミックレンジを提供し得る。
【００２８】
ポンプパルスおよびプローブパルスは同一直線状であるので、電気光学トランシーバーは、反射されたポンプレーザーパルスの存在に起因して、光学バックグラウンドを有する。プローブパルスに追加される大きな光学バックグラウンドは、システム性能に影響を与え得る（例えば、信号対ノイズ比を低下させることによって）が、光学バックグラウンドの影響を緩和または排除するために利用可能な、いくつかの方法が存在する。１つの方法は、異なるタイミングのポンプパルス１６およびプローブパルス１７を使用して、ポンプパルスバックグラウンドを区別することである。例えば、図３に示すように、レンズ３１は、結晶３４（例えば、β−ホウ酸バリウム（ＢＢＯ））の前方に配置され得る。ゲートパルス３０を使用して、プローブパルスをトランシーバーから反射させて、バックグラウンドのない第二の調和信号３２を発生させる。レンズ３１と結晶３４との組合せは、図１に示す構成において、偏光子２５と光検出器２６との間に配置され得る。第二の調和信号は、ポンプパルスバックグラウンドの存在なしで、ＴＨｚ場によるプローブパルス変調を運ぶ。しかし、この配置は、レーザーノイズからのノイズレベルを増加させ得る。なぜなら、レーザーノイズが、第二の調和信号の発生の間に増幅されるからである。従って、この方法は、非常にクワイエットなレーザー源を用いるシステムに適する。
【００２９】
（Ｂ．光伝導性アンテナトランシーバー）
図４は、トランシーバーとしての光伝導性アンテナの機能を実証するための、例示的な構成の一部を示す。レーザー源および遅延ステージの部分は、図１に示す構成と類似であり、従って、図４においては繰り返さない。図４は、同期した光パルス（ポンプパルス１６およびプローブパルス１７）の対が、光伝導性双極子アンテナ４０を照射する場合をピックアップする。双極子アンテナ４０は、電源（図示せず、代表的には、バッテリーのような直流電源）によってバイアスされており、そしてレンズ４２に取り付けられている。
【００３０】
ポンプパルス１６は、双極子アンテナ４０を励振することによって、ＴＨｚパルス１９を発射する。ＴＨｚパルス１９は、放物面ミラー２０ａによって平行化され、そしてサンプル２１によって反射される。ポンプ−パルス誘導光電流の妨害を単離するために、機械的チョッパー２２が、ＴＨｚパルスを変調する。プローブパルス１７は、双極子アンテナ４０を使用して、反射ＴＨｚ信号をサンプリングする。反射ＴＨｚ信号およびプローブパルス１７が同時に双極子アンテナ４０に到達することによって、アンテナの電極（図示せず）間に電流を誘導し、この電流は、ＴＨｚ電場に比例する。ロックイン増幅器２３が、この電流を検出する。ロックイン増幅器２３の下流の電子機器（例えば、図１に示すような光検出器８０）は、光伝導性アンテナトランシーバーシステムに対して、電気光学結晶トランシーバーシステムのものと同じであり得る。
【００３１】
ポンプパルス１６とプローブパルス１７との両方が、同じ光伝導体を照射するので、これらのパルスは同じ様式で電流を誘導する。しかし、プローブ１７に関連する電流のみが、ＴＨｚパルス１９によって変調される。電源（代表的には、直流場）に関連する光電流は、変調されず、従って、ロックイン増幅器２３は、この光電流をフィルタリングにより除去し得、その結果、この信号が抽出され得る。ポンプパルス１６およびプローブパルス１７は、代表的に、これらの相対的タイミングを除いて、同一である。いずれのパルスが先に発生されても、早い方がポンプパルスとして働く。
【００３２】
１つの例示的な実施形態において、８００ｎｍの中心波長、１２０ｆｓのレーザーパルス、および８６ＭＨｚの繰返し数を有する、Ｔｉ：サファイアレーザー（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ　Ｍｉｒａ）が、光源として使用され、そしてポンプパルスおよびプローブパルスに対する平均出力は、２０ｍＷであった。アンテナ４０は、低温で成長したＧａＡｓであり、５０μｍ長であり、９Ｖのバッテリーでバイアスされており、そしてシリコンレンズ４２に取り付けられた。チョッパー２２は、４５３ＨｚでＴＨｚパルスを変調し、そしてサンプル２１は、金属ミラーであった。測定されたＴＨｚ波形は、約２００の信号対ノイズ比（ＳＮＲ）を有した。
【００３３】
図５は、図４に示すシステムによって発生したＴＨｚ信号の、例示的な測定された時間的な波形のプロットを示す。第一の信号１２０は、金属チョッパーブレードからのＴＨｚ反射であり、このチョッパーブレードは、ＴＨｚパルスの伝播方向に対して本質的に垂直に設定された。第二の信号１２２は、このチョッパーを通して伝達され、そして金属ミラーから反射して戻されたＴＨｚ信号である。図５に示すように、ロックイン増幅器２３を用いて測定される場合に、第一の信号と第二の信号との間には、πの位相差が存在し、これは、逆の極性を生じる。２つのＴＨｚ信号間の時間遅延τは、チョッパー２２と金属ミラーサンプル２１との間を移動するＴＨｚパルスの、往復時間である。チョッパーブレードからの反射は、自動的に、システム較正のための参照マーカーとして働く。
【００３４】
ポンプパルス、プローブパルス、およびバイアス電圧によって発生する光電流は、図５に示すシステムにおけるノイズに寄与する。信号対ノイズ比は、少なくとも部分的に、フィルタリング回路および操作条件（例えば、チョッパー変調周波数）に依存し得る。変調周波数を、例えば２〜３ｋＨｚ増加させることによって、より良好な信号対ノイズ比を提供し得る。なぜなら、ノイズの密度は、より高い周波数に対して減少するからである。
【００３５】
（Ｃ．断層撮影画像化）
ＴＨｚトランシーバーは、反射幾何学的構造における断層撮影ＴＨｚ画像化を可能にし、ここで、ＴＨｚパルスは、金属物体の異なる層から反射される。これらのパルスの時間遅延を使用して、断層撮影画像を構築する。図１に示すような、ロックイン増幅器２３からの信号を受信する、データプロセッサ８０を使用して、時間遅延したテラヘルツ信号に基づいて、画像化される物体の断層撮影画像を作成する。電磁パルスの時間遅延に基づいて断層撮影画像を作成するための、データプロセッサ（例えば、対応するソフトウェアを備えるコンピュータ）は、当該分野において一般的に公知であり、そしてデータプロセッサ８０は、任意のこのような公知のデバイスであり得る。
【００３６】
上で議論したように、（１１０）亜鉛ブレンド結晶によって構築される電気光学的トランシーバーの作業効率は、ポンプパルス偏光が、この結晶の結晶学的ｚ軸から反時計回りに約２５°〜２６°である場合に、最適化される。図１に示す構成は、電気光学的トランシーバーを用いるＴＨｚ断層撮影画像化システムのために、使用され得る。別個の送信器および受信器よりむしろ、本発明の方法によるトランシーバーの使用は、サンプルに対するＴＨｚパルスの、垂直な入射を可能にする。
【００３７】
電気光学的トランシーバーを使用するＴＨｚ断層撮影画像化は、金属ミラー６１に糊付けされた図６に示されるようなカミソリ６０を画像化することによって実証された。ここで、このカミソリとミラーとの組み合わせを、図１に示す構成におけるサンプル２１の代わりに使用した。図７は、同じサンプルにおける３つの異なる反射金属層（すなわち、カミソリ６０の金属ハンドル６２からのピーク７２、カミソリ表面６４からのピーク７４、およびカミソリ表面６４の穴６６または６８を通して反射されるような、下にある金属ミラー６１からのピーク７６）から反射されたＴＨｚ波形を示す。ピーク強度のタイミングの差異は、これらの層の空間的分離を示す。このタイミングの差異を使用して、図８に示すような、カミソリの三次元断層撮影画像を構築し得る。ＴＨｚパルスが異なる金属層の境界に入射する場合には、このパルスの一部のみが反射して戻り得、そして検出され得、ピークＴＨｚ強度を低下させる。従って、ピーク強度分布もまた、図９に示すように、物体の輪郭を示すＴＨｚ画像を形成し得る。
【００３８】
図１に示す例示的な画像化システムの能力を、図１０Ａおよび１０Ｂにそれぞれ示されるような、米国の２５セント硬貨および英国の５０ペンス硬貨のＴＨｚ断層撮影画像を作成することによって、実証した。画像のコントラストは、ＴＨｚパルスの焦点の大きさおよびバックグラウンドの金属表面の平坦性によって、影響を受ける。バックグラウンド表面が特に平坦ではない場合には、図１１Ａおよび１１Ｂに示すように、画像は、特定の短いタイミングウィンドウ内で、ピーク強度の観点から表示され、画像化される物体の何らかの付加的な情報を獲得し得る。短いタイミングウィンドウの幅は、平坦さからの偏差の程度によって決定される。２つの画像化領域が２つの異なる反射層上にあり、そしてこれらの空間的分離が十分に大きい場合には、画像は、図１１Ａおよび１１Ｂに示すように、空間的分離によって決定されるような２つの異なるタイミング位置において、表示され得る。この方法は、ピーク振幅のタイミングに基づいて画像を表示することなく、三次元ＴＨｚ画像化を可能にする。
【００３９】
電気光学的トランシーバーを使用する画像化システムは、ミリメートルのオーダーの空間解像度およびミリメーター未満のオーダーの深度解像度を有する。１０メートル離れた物体、および水蒸気吸収に依存して１００メートル以上離れた物体の画像化が、実施可能である。従って、テラヘルツトランシーバーは、壁またはドアを通しての物体の画像化を可能にし得る。例えば、テラヘルツ画像化は、テロリストの位置、テロリストの武器、および閉じたドアの後の人質を検出するために、法律の施行において使用され得る。
【００４０】
特定の具体的な実施形態を参照して上に説明および記載したが、本発明は、それにもかかわらず、示される詳細に制限されるとは意図されない。むしろ、種々の改変が、細部において、特許請求の範囲の均等物の範囲内で、そして本発明の意図から逸脱することなく、なされ得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１は、電気光学結晶トランシーバーを組み込む例示的な構成の概略図である。
【図２】
図２は、図１の構成を使用して発生された、例示的な波形のプロットである。
【図３】
図３は、電気光学結晶トランシーバーの実施形態のための、例示的なノイズ低下装置の部分概略図を示す。
【図４】
図４は、光伝導性アンテナトランシーバーを組み込む例示的な構成の概略図である。
【図５】
図５は、図４の構成を使用する、例示的な測定された時間的な波形のプロットである。
【図６】
図６は、先行技術において公知のような通常のカミソリの刃の図である。
【図７】
図７は、図６のカミソリの刃の異なる層から反射した、ＴＨｚ波形のプロットの図である。
【図８】
図８は、本発明の例示的な実施形態を使用して作成した、図６のカミソリの刃の断層撮影画像であり、ここで、ｚ軸方向のグレーレベルは、ピコ秒（ｐｓ）のピーク振幅のタイミングを表し、そしてｘ軸およびｙ軸の単位は、センチメートル（ｃｍ）である。
【図９】
図９は、本発明の例示的な実施形態を使用して作成した、図６のカミソリの刃の画像であり、ここで、ｚ軸方向のグレーレベルは、ピーク振幅強度を表し、そしてｘ軸およびｙ軸の単位は、センチメートル（ｃｍ）である。
【図１０Ａ】
図１０Ａは、本発明の例示的な実施形態を使用して作成した、米国の２５セント硬貨の画像であり、ここで、グレーレベルは、ピーク振幅のタイミングを表す。
【図１０Ｂ】
図１０Ｂは、本発明の例示的な実施形態を使用して作成した、英国の５０ペンス硬貨の画像であり、ここで、グレーレベルは、ピーク振幅のタイミングを表す。
【図１１Ａ】
図１１Ａは、本発明の例示的な実施形態を使用して作成した、米国の２５セント硬貨の画像であり、ここで、グレーレベルは、特定のタイミングウィンドウ内におけるピーク振幅を表す。
【図１１Ｂ】
図１１Ｂは、本発明の例示的な実施形態を使用して作成した、英国の５０ペンス硬貨の画像であり、ここで、グレーレベルは、特定のタイミングウィンドウ内におけるピーク振幅を表す。
【図１２】
図１２は、例示的な光ファイバーＴＨｚトランシーバーを示す。

Claims

１つ以上のテラヘルツ周波数の電磁パルスを放出および検出するためのシステムであって、該システムは、該パルスの放出と検出との両方のための、単一のトランシーバーデバイスを備える、システム。
前記単一のトランシーバーデバイスが、電気光学結晶を備える、請求項１に記載のシステム。
前記単一のトランシーバーデバイスが、光伝導性アンテナを備える、請求項１に記載のシステム。
請求項１に記載のシステムであって、さらに、以下：
光源および関連する光学機器であって、以下：
（ａ）前記トランシーバーを励振させて、対応する複数のテラヘルツ出力パルスを放出するための、複数のポンプパルス、および
（ｂ）対応する複数の反射テラヘルツパルスと同時に該トランシーバーを照射するようタイミングを合わせられた、複数のプローブパルス、
を提供するための、光源および関連する光学機器；
第一の周波数においてテラヘルツ出力パルスを変調するための、クロック出力を有する、チョッパー；
該変調テラヘルツ出力パルスによって照射され、そして該反射された複数のテラヘルツパルスを反射する、物体；ならびに
ロックイン増幅器であって、該チョッパーのクロック出力に接続され、そして第一の周波数に自動ロックされた、参照入力を有し、複数の電気信号を受信し、そして該電気信号におけるノイズを低下させるためのものであり、各信号が、該トランシーバーによって検出されるような対応する反射テラヘルツパルスに比例する情報を運ぶ、ロックイン増幅器、
を備える、システム。
前記トランシーバーと前記物体との間に、１つ以上の放物面ミラーをさらに備える、請求項４に記載のシステム。
前記トランシーバーが、前記ロックイン増幅器によって受信された前記電気信号を発生させる、光伝導性アンテナであり、プローブパルスおよび反射テラヘルツパルスが該アンテナを同時に照射する場合に、各電気信号が発生する、請求項４に記載のシステム。
前記システムが、前記ロックイン増幅器からのノイズが低下された出力信号を処理するための、データプロセッサをさらに備える、請求項６に記載のシステム。
前記データプロセッサが、前記物体の異なる層からの反射パルス間の時間差に基づいて、断層撮影画像を作成するよう適合されている、請求項７に記載のシステム。
前記データプロセッサが、前記反射パルスの各々のピーク振幅に基づいて、画像を作成するよう適合されている、請求項７に記載のシステム。
前記トランシーバーが、複数の変調プローブパルスを反射する、電気光学結晶であり、該プローブパルスおよび反射テラヘルツパルスが、該トランシーバーを同時に照射し、そして該テラヘルツパルスが、該プローブパルスを変調する場合に、各変調プローブパルスが発生され、該システムが、さらに、以下：
該変調反射プローブパルスを検出するため、および前記ロックイン増幅器によって受信された複数の電気信号を発生させるための、光検出器であって、該電気信号が、該変調反射プローブパルスによって伝達される情報を運ぶ、光検出器、を備える、請求項６に記載のシステム。
前記システムが、前記ロックイン増幅器からのノイズが低下された出力信号を処理するためのデータプロセッサをさらに備える、請求項１０に記載のシステム。
前記データプロセッサが、前記物体の異なる層からの反射パルス間の時間差に基づいて、断層撮影画像を作成するよう適合されている、請求項１１に記載のシステム。
前記データプロセッサが、前記反射パルスの各々のピーク振幅に基づいて、画像を作成するよう適合されている、請求項１１に記載のシステム。
前記電気光学結晶が、光ファイバーの端部に設置されている、請求項２に記載のシステム。
前記光ファイバーが、偏光保存型光ファイバーである、請求項１４に記載のシステム。
前記電気光学結晶が、約１ｍｍ^３未満の体積を有する、請求項１５に記載のシステム。
テラヘルツ周波数の電磁パルスを放出および検出するための方法であって、該方法は、以下の工程：
（ａ）単一のトランシーバーデバイスを使用して、該テラヘルツ周波数のパルスを放出および検出する工程、
を包含する、方法。
請求項１７に記載の方法であって、さらに、以下の工程：
（ａ１）ポンプパルスを用いて前記トランシーバーデバイスを励振させ、第一のテラヘルツ周波数出力パルスを放出する工程；
（ａ２）チョッパーを用いて、該テラヘルツ周波数出力パルスを変調する工程；
（ａ３）物体が反射テラヘルツパルスを反射するように、該変調テラヘルツ周波数出力パルスで、該物体を照射する工程；および
（ａ４）プローブパルスが該トランシーバーデバイスを照射すると同時に、該反射テラヘルツパルスで該トランシーバーデバイスを照射する工程であって、その結果、該トランシーバーデバイスが、該反射テラヘルツパルスからの情報を運ぶ第一の信号を発生させる、工程、
を包含する、方法。
前記トランシーバーデバイスが、電気光学結晶であり、ここで、前記工程（ａ４）が、前記テラヘルツパルスが該プローブパルスを該電気光学結晶において変調する工程、および該電気光学結晶が該変調プローブパルスを該電気光学結晶の後表面から反射する工程を包含し、ここで、前記第一の信号が、反射変調プローブパルスを含み、該方法が、さらに、以下：
（ａ５）該反射変調プローブパルスを、光検出器を用いて検出する工程、および該情報を第二の信号に変換する工程；ならびに
（ａ６）該第二の信号のノイズを、前記ロックイン増幅器を用いて低下させて、第三のノイズが低下した信号を発生させる、工程、
を包含する、請求項１８に記載の方法。
請求項１９に記載の方法であって、さらに、以下：
（ａ７）前記第三のノイズが低下した信号を、データプロセッサを用いて処理する工程、
を包含する、方法。
前記物体が、複数の層を含み、各層が、前記トランシーバーからそれぞれの距離にあり、前記方法が、複数のポンプパルス、プローブパルス、およびテラヘルツパルスを発生させる工程を包含し、その結果、該物体が、複数の反射テラヘルツパルスを反射し、各反射パルスが、ピーク振幅強度を有し、該方法が、さらに、以下：
（ａ８）該ピーク振幅強度に関する情報を使用して、該物体の画像を作成する工程、
を包含する、請求項２０に記載の方法。
前記物体が、複数の層を含み、各層が、前記トランシーバーからそれぞれの距離にあり、前記方法が、複数のポンプパルス、プローブパルス、およびテラヘルツパルスを発生させる工程を包含し、その結果、該物体が、複数の反射テラヘルツパルスを反射し、各反射パルスが、ピーク振幅タイミングを有し、該タイミングが、該トランシーバーからの該パルスを反射する該層の該距離に対応し、該方法が、さらに、以下：
（ａ８）該ピーク振幅タイミングに関する情報を使用して、該物体の画像を作成する工程、
を包含する、請求項２０に記載の方法。
前記トランシーバーデバイスが、光伝導性アンテナであり、ここで、前記工程（ａ４）が、該テラヘルツパルスおよび前記プローブパルスが、前記第一信号を含むアンテナにおいて電流を生じさせる工程を包含し、該方法が、さらに、以下：
（ａ５）該第一信号におけるノイズを、ロックイン増幅器で低下させて、第二のノイズが低下した信号を生じさせる、工程、
を包含する、請求項１８に記載の方法。
請求項２３に記載の方法であって、さらに、以下：
（ａ６）前記ロックイン増幅器からの、前記第二のノイズが低下した信号を、データプロセッサで処理する工程
を包含する、方法。
前記物体が、複数の層を含み、各層が、前記トランシーバーからそれぞれの距離にあり、前記方法が、複数のポンプパルス、プローブパルス、およびテラヘルツパルスを発生させる工程を包含し、その結果、該物体が、複数の反射テラヘルツパルスを反射し、各反射パルスが、ピーク振幅強度を有し、該方法が、さらに、以下：
（ａ７）該ピーク増幅強度に関する情報を使用して、該物体の画像を作成する工程、
を包含する、請求項２４に記載の方法。
前記物体が、複数の層を含み、各層が、前記トランシーバーからそれぞれの距離にあり、前記方法が、複数のポンプパルス、プローブパルス、およびテラヘルツパルスを発生させる工程を包含し、その結果、該物体が、複数の反射テラヘルツパルスを反射し、各反射パルスが、ピーク振幅タイミングを有し、該タイミングが、該トランシーバーからの該パルスを反射した該層の該距離に対応し、該方法が、さらに、以下：
（ａ７）該反射テラヘルツパルスの該ピーク振幅タイミングに関する情報を使用して、該物体の画像を作成する工程、
を包含する、請求項２４に記載の方法。