JP2009222713A - 2重パルス単一イベントラマン分光法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】
本発明のラマン分光法システムは、第1の波長のエネルギーと第2の波長のエネルギーとを生成するように構成されたレーザモジュールであって、第1の波長のエネルギーと第2の波長のエネルギーとは、実質的に同時に、軸に沿って、自由空間を介して、ターゲットの物質に配向される、レーザモジュールと、軸に沿って反射されるスペクトルエネルギーのパターンを収集する望遠鏡であって、スペクトルエネルギーのパターンは、第1の波長のエネルギーと第2の波長のエネルギーとの相互作用から生じる、望遠鏡と、収集されたスペクトルエネルギーのパターンを解析し、収集されたスペクトルエネルギーのパターンを既知のスペクトルエネルギーのパターンと照合する解析モジュールとを備える。
【選択図】図1A
Description
(項目1)
可搬式、スタンドオフ、単一イベント、2重パルス、移動式のラマン分光法システムであって、
第1の波長のエネルギーと第2の波長のエネルギーとを生成するように構成されたレーザモジュールであって、該第1の波長のエネルギーと該第2の波長のエネルギーとは、実質的に同時に、軸に沿って、自由空間を介して、ターゲットの物質に配向される、レーザモジュールと、
該軸に沿って反射されるスペクトルエネルギーのパターンを収集する望遠鏡であって、該スペクトルエネルギーのパターンは、該第1の波長のエネルギーと該第2の波長のエネルギーとの相互作用から生じる、望遠鏡と、
該収集されたスペクトルエネルギーのパターンを解析し、該収集されたスペクトルエネルギーのパターンを既知のスペクトルエネルギーのパターンと照合する解析モジュールと
を備え、
該レーザモジュール、望遠鏡および解析モジュールは、車両上に搭載され、該車両の移動中に動作可能である、システム。
(項目2)
上記第1の波長のエネルギーと上記第2の波長のエネルギーとは、制御可能である、項目1に記載のシステム。
(項目3)
上記第1の波長のエネルギーと上記第2の波長のエネルギーとは、野外条件に基づいて制御可能である、項目2に記載のシステム。
(項目4)
上記第2の波長のエネルギーは、上記第1の波長のエネルギーとは異なる、項目1に記載のシステム。
(項目5)
上記第1の波長のエネルギーと上記第2の波長のエネルギーとは、同時にパルス発振される、項目1に記載のシステム。
(項目6)
上記第1の波長のエネルギーと上記第2の波長のエネルギーとは、ΔTの時間的な分離を有するように順次にパルス発振される、項目1に記載のシステム。
(項目7)
ΔTは、約10μ秒未満である、項目6に記載のシステム。
(項目8)
上記ラマン分光法システムは、撮像装置を含み、
ΔTは、以下の式
LIB寿命<ΔT<撮像装置のアパーチャ時間
を満たすように設定され、
LIBは、レーザ誘起ブレークダウンである、項目6に記載のシステム。
(項目9)
上記撮像装置は、電荷結合素子(CCD)を含む、項目8に記載のシステム。
(項目10)
上記第1の波長のエネルギーの波長と上記第2の波長のエネルギーの波長とは、それぞれ、248nmと250nmとである、項目6に記載のシステム。
(項目11)
上記レーザモジュールは、上記第1の波長のエネルギーと上記第2の波長のエネルギーとの両方を提供するように構成された、単一のアレキサンドライトレーザを含む、項目1に記載のシステム。
(項目12)
ラマン分光法を実行する方法であって、
ラマン分光法システムを搭載した車両を操作することであって、該ラマン分光法システムは、レーザ、収集光学素子および撮像装置を含む、ことと、
所定のパルス反復周波数(PRF)で該レーザを用いてターゲットをインテロゲートすることであって、1/PRFで定義される各PRFサイクルの間に、該レーザが2重パルス発振される、ことと、
該収集光学素子を用いることにより、各PRFサイクルの間に、ラマンスペクトルを収集することと、
ラマンシグネチャを所与の収集されたラマンスペクトルまたは一連のラマンスペクトルと照合することにより、該ターゲットを識別することと
を包含する、方法。
(項目13)
上記PRFは、約25Hzである、項目12に記載の方法。
(項目14)
上記レーザは、第1の波長および第2の波長で2重パルス発振される、項目12に記載の方法。
(項目15)
上記第1の波長は、上記第2の波長と同一である、項目14に記載の方法。
(項目16)
上記第1の波長と上記第2の波長とは、順次にパルス発振され、時間ΔTだけ分離されている、項目14に記載の方法。
(項目17)
ΔTは、以下の式
LIB寿命<ΔT<撮像装置のアパーチャ時間
を満たすように設定され、
LIBは、レーザ誘起ブレークダウンである、項目16に記載の方法。
(項目18)
上記第1の波長および上記第2の波長のうちの少なくとも1つを動的に制御することをさらに含む、項目14に記載の方法。
(項目19)
動作条件または野外条件に基づいて、上記第1の波長および上記第2の波長のうちの少なくとも1つを動的に制御することをさらに含む、項目18に記載の方法。
(項目20)
ラマン分光法を実行する方法であって、
ラマン分光法システムを搭載した車両を操作することであって、該ラマン分光法システムは、レーザ、収集光学素子および撮像装置を含む、ことと、
所定のパルス反復周波数(PRF)で該レーザを用いてターゲットをインテロゲートすることであって、1/PRFで定義される各PRFサイクルの間に、該第1の波長および該第2の波長において該レーザが順次に2重パルス発振され、該第2の波長は、該第1の波長とは異なる、ことと、
収集光学素子を用いることにより、各RFサイクルの間に、ラマンスペクトルを収集することであって、該第1の波長と該第2の波長との両方による該ターゲットの照射から生じるラマンスペクトルを収集することにより、ラマンスペクトルを収集することと、
ラマンシグネチャを所与の収集されたラマンスペクトルと照合することにより、該ターゲットを識別することと
を包含する、方法。
(項目21)
順次に2重パルス発振された第1の波長と第2の波長との間の時間の差ΔTは、約10μ秒未満である、項目20に記載の方法。
(項目22)
ΔTは、以下の式
LIB寿命<ΔT<撮像装置のアパーチャ時間
を満たすように設定され、
LIBは、レーザ誘起ブレークダウンである、項目21に記載の方法。
(項目23)
上記第1の波長および上記第2の波長のうちの少なくとも1つを動的に制御することをさらに含む、項目20に記載の方法。
(項目24)
動作条件または野外条件に基づいて、上記第1の波長および上記第2の波長のうちの少なくとも1つを動的に制御することをさらに含む、項目23に記載の方法。
(項目25)
上記レーザは、アレキサンドライトレーザを含む、項目20に記載の方法。
ラマン分光法を実行するシステムおよび方法であって、ラマン分光法システムは、移動式の汚染物解析のために、車両上に搭載される。システムは、所定のパルス反復周波数(PRF)で、1/PRFとして定義される各PRFサイクルの間に、レーザを用いてターゲットをインテロゲートするように構成される。レーザは、第1および第2の波長で2重パルス発振される。ラマンスペクトルが収集され、ラマンシグネチャ(raman signature)と所与の収集されたラマンスペクトルとを照合することにより、ターゲットを識別するために用いられる。
全てのレーザが2重パルス発振され得るわけではない。例えば、従来の小型エキシマレーザは、特に異なる周波数においてパルス発振されるときに、2重パルス性能を提供するように構成され得ない。他方、本発明の実施形態にしたがうと、Laser Energetics(Mercerville、ニュージャージー)から入手可能なアレキサンドライトレーザは、2重パルス発振され得る。レーザを2重パルス発振することは、紫外線(「UV」)出力が同時に提供されるか、あるいは空間および時間の両方において分離されているかに応じて、従来のなんらかの方法で遂行され得る。より詳細には、レーザは、従来の技術を用いてエクストラキャビティ周波数変換を有するように構成され得る。その場合、フラッシュランプまたはダイオード励起から生じる、同調されたキャビティからの基本アレキサンドライト周波数が提供され得、例えば複屈折同調器(BRT)またはエタロンおよび非線形光学結晶のような、従来の光学フィルタまたは周波数選択光学素子を用いた周波数3重化が続く。一実施形態において、時間的に分離された2重出力は、基本キャビティビームのエクストラキャビティを分離し、1つのパスに遅延線を追加し、2つの周波数変換チャネルを形成することにより、提供され得る。別の実施形態において、空間的に分離された2重出力は、2つの同調されたキャビティを形成し、従来の技術を用いることにより提供され得、単一のダイオード励起ソースによって励起され得、1つのビームパスは、744nmの放射のために構成され得(この周波数は248nmの3倍である)、その他のビームパスは、750nmの放射のために構成され得る(この周波数は250nmの3倍である)。これらの2つのビームパスは、適切な結晶および光学素子を含み、1つのレーザを使用して2重UV波長出力を提供するが、同じ励起出力を用いた単一チャネルのアーキテクチャと比較して各UV出力において半分のパワーである。この構成を用いると、キャビティ損傷閾値を超えないように励起パワーを増加させ、それによって、単一チャネルのアーキテクチャのエネルギーの1/2を上回るまでに、UV出力を増加させることが可能である。
1)異なる周波数における同時のレーザパルス
2)同じ周波数における順次のレーザパルス
3)異なる周波数における順次のレーザパルス
4)異なる周波数における2重チャネルの順次のレーザパルス
が議論される。
図3に示されているように、この実施形態においては、各PRFサイクルにおいて、2重UVエネルギーパルスが、レーザから出力される。各パルスは、波長が異なっている(例えば、248nmおよび250nm)。このUV励起は、単一パルスシステムの2倍のラマンピークを含むが、単一パルスシステムと同じバックグラウンドの蛍光性を有する、PRFサイクル毎に1つのラマンシグネチャを生成する。収集する所望のラマンシフトスペクトルおよびハードウェア(例えば、レイリー拒絶のためのエッジフィルタ)の性能に基づいて選択される2つの波長に対して考慮がされることが好ましいことに留意されたい。
同時の2重パルスとは異なり、本発明のこの実施形態は、順次または時間的に分離された2重のパルス発振を提供する。この場合、図4に示されているように、各PRFサイクルにおいて、2重UVエネルギーパルスがレーザから出力されるが、間隔ΔTだけ時間がオフセットされる。この特定の場合において、各パルスは、同じ波長(例えば、248nm)である。
単一モード動作において、両方のレーザパルスから生じるラマンスペクトルは、同じPRFサイクル中にシステムによって処理される。
これらの制限は、
LIB寿命<ΔT<CDDカメラアパーチャ時間 (式1)
である。
2重モード動作において、第2レーザパルスから生じるスペクトルのみが、同じPRFサイクルの間に、システムによって受信される。
蛍光性の寿命<<ΔT<CDDカメラアパーチャ時間 (式2)
である。
蛍光性の寿命<<CCDアパーチャ開放<ΔT (式3)
(開放時間の基準は、ΔTの間隔の始点である)
2重モードにおいて、第1のUVレーザパルスは、第2パルスがラマン拡散に向けてバイアスされた信号を反射するように、光退色が不安定な蛍光性材料に意図されている。ICCDカメラ220は、第1のUVパルスから蛍光性(およびラマン)を排除するようにゲート制御される。第2のUVレーザパルスは、低減された蛍光性のバックグラウンドの寄与を有するシステムによって受信および処理される。第2パルスにおけるエネルギーレベルは、LIBによって制限されるが、ラマン信号が要求されないので、第1レーザパルスは、LIBによっては制限されない。第1のレーザパルスにおけるエネルギーを増加させることは、付随するターゲットの退色を伴わずにバックグラウンドの顕著な光退色が発生する場合に、SNRをさらに改善する有益な影響を有し得る。LIBは、第1のパルスには関係ないが、それにも関わらずエネルギーは、ターゲットの化合物の不可逆的な光損傷を防ぐように制限されなければならず、種に寄与する無関係なバックグラウンド信号に対して制限されなければならない。第2レーザパルスから導出される信号(ここでは、低減された蛍光性の混成を有する)は、通常の方法で処理される。低減された蛍光性は、システムのSNRを改善し、ひいてはPDおよびFARを改善する。
図5に示すように、この第3の実施形態においては、各PRFサイクルにおいて、2重UVエネルギーパルスがレーザから出力されるが、間隔ΔTだけ時間がオフセットされ得る。各パルスは、異なる波長(例えば、248および250nm)である。
単一モード動作において、両方のレーザパルスから生じるスペクトルは、PRFサイクル中にシステムによって受信される。
この2重モードアプローチにおいて、第2レーザパルスのみから生じるスペクトルは、同じPRFサイクルの間に、システムによって受信される。第1レーザパルスは、アプローチ2B)における、同じ波長における2重モード連続レーザアプローチ記載されているように、光退色が不安定な蛍光種に意図されている。
図5に示されているように、この実施形態においては、各PRFサイクルにおいて、2重UVエネルギーパルスがレーザから出力され、ΔTだけ時間をおいてオフセットされる。各パルスは、異なる波長(例えば、248nmおよび250nm)であり得る。このアプローチは、アプローチ3A)におけるレーザと同じレーザを必要とする。しかしながら、このアプローチと3A)におけるアプローチとの間の主な差は、各出力パルスEλ1およびEλ2が、別個の分光法/ICCDチャネルを用いることにより、システムによって処理されることである。
115 メモリ
130 プロセッサ
140 汚染物
200 電子光学(E−O)モジュール
210 レーザ
220 ICCD
222 分光器222
230 オートフォーカスサブシステム
235 共通のシステムアパーチャ
240 レンジファインディングサブシステム
250 コントローラ/レジスタモジュール
Claims (25)
- 可搬式、スタンドオフ、単一イベント、2重パルス、移動式のラマン分光法システムであって、
第1の波長のエネルギーと第2の波長のエネルギーとを生成するように構成されたレーザモジュールであって、該第1の波長のエネルギーと該第2の波長のエネルギーとは、実質的に同時に、軸に沿って、自由空間を介して、ターゲットの物質に配向される、レーザモジュールと、
該軸に沿って反射されるスペクトルエネルギーのパターンを収集する望遠鏡であって、該スペクトルエネルギーのパターンは、該第1の波長のエネルギーと該第2の波長のエネルギーとの相互作用から生じる、望遠鏡と、
該収集されたスペクトルエネルギーのパターンを解析し、該収集されたスペクトルエネルギーのパターンを既知のスペクトルエネルギーのパターンと照合する解析モジュールと
を備え、
該レーザモジュール、望遠鏡および解析モジュールは、車両上に搭載され、該車両の移動中に動作可能である、システム。 - 前記第1の波長のエネルギーと前記第2の波長のエネルギーとは、制御可能である、請求項1に記載のシステム。
- 前記第1の波長のエネルギーと前記第2の波長のエネルギーとは、野外条件に基づいて制御可能である、請求項2に記載のシステム。
- 前記第2の波長のエネルギーは、前記第1の波長のエネルギーとは異なる、請求項1に記載のシステム。
- 前記第1の波長のエネルギーと前記第2の波長のエネルギーとは、同時にパルス発振される、請求項1に記載のシステム。
- 前記第1の波長のエネルギーと前記第2の波長のエネルギーとは、ΔTの時間的な分離を有するように順次にパルス発振される、請求項1に記載のシステム。
- ΔTは、約10μ秒未満である、請求項6に記載のシステム。
- 前記ラマン分光法システムは、撮像装置を含み、
ΔTは、以下の式
LIB寿命<ΔT<撮像装置のアパーチャ時間
を満たすように設定され、
LIBは、レーザ誘起ブレークダウンである、請求項6に記載のシステム。 - 前記撮像装置は、電荷結合素子(CCD)を含む、請求項8に記載のシステム。
- 前記第1の波長のエネルギーの波長と前記第2の波長のエネルギーの波長とは、それぞれ、248nmと250nmとである、請求項6に記載のシステム。
- 前記レーザモジュールは、前記第1の波長のエネルギーと前記第2の波長のエネルギーとの両方を提供するように構成された、単一のアレキサンドライトレーザを含む、請求項1に記載のシステム。
- ラマン分光法を実行する方法であって、
ラマン分光法システムを搭載した車両を操作することであって、該ラマン分光法システムは、レーザ、収集光学素子および撮像装置を含む、ことと、
所定のパルス反復周波数(PRF)で該レーザを用いてターゲットをインテロゲートすることであって、1/PRFで定義される各PRFサイクルの間に、該レーザが2重パルス発振される、ことと、
該収集光学素子を用いることにより、各PRFサイクルの間に、ラマンスペクトルを収集することと、
ラマンシグネチャを所与の収集されたラマンスペクトルまたは一連のラマンスペクトルと照合することにより、該ターゲットを識別することと
を包含する、方法。 - 前記PRFは、約25Hzである、請求項12に記載の方法。
- 前記レーザは、第1の波長および第2の波長で2重パルス発振される、請求項12に記載の方法。
- 前記第1の波長は、前記第2の波長と同一である、請求項14に記載の方法。
- 前記第1の波長と前記第2の波長とは、順次にパルス発振され、時間ΔTだけ分離されている、請求項14に記載の方法。
- ΔTは、以下の式
LIB寿命<ΔT<撮像装置のアパーチャ時間
を満たすように設定され、
LIBは、レーザ誘起ブレークダウンである、請求項16に記載の方法。 - 前記第1の波長および前記第2の波長のうちの少なくとも1つを動的に制御することをさらに含む、請求項14に記載の方法。
- 動作条件または野外条件に基づいて、前記第1の波長および前記第2の波長のうちの少なくとも1つを動的に制御することをさらに含む、請求項18に記載の方法。
- ラマン分光法を実行する方法であって、
ラマン分光法システムを搭載した車両を操作することであって、該ラマン分光法システムは、レーザ、収集光学素子および撮像装置を含む、ことと、
所定のパルス反復周波数(PRF)で該レーザを用いてターゲットをインテロゲートすることであって、1/PRFで定義される各PRFサイクルの間に、該第1の波長および該第2の波長において該レーザが順次に2重パルス発振され、該第2の波長は、該第1の波長とは異なる、ことと、
収集光学素子を用いることにより、各RFサイクルの間に、ラマンスペクトルを収集することであって、該第1の波長と該第2の波長との両方による該ターゲットの照射から生じるラマンスペクトルを収集することにより、ラマンスペクトルを収集することと、
ラマンシグネチャを所与の収集されたラマンスペクトルと照合することにより、該ターゲットを識別することと
を包含する、方法。 - 順次に2重パルス発振された第1の波長と第2の波長との間の時間の差ΔTは、約10μ秒未満である、請求項20に記載の方法。
- ΔTは、以下の式
LIB寿命<ΔT<撮像装置のアパーチャ時間
を満たすように設定され、
LIBは、レーザ誘起ブレークダウンである、請求項21に記載の方法。 - 前記第1の波長および前記第2の波長のうちの少なくとも1つを動的に制御することをさらに含む、請求項20に記載の方法。
- 動作条件または野外条件に基づいて、前記第1の波長および前記第2の波長のうちの少なくとも1つを動的に制御することをさらに含む、請求項23に記載の方法。
- 前記レーザは、アレキサンドライトレーザを含む、請求項20に記載の方法。
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