RU206438U1

RU206438U1 - Terahertz imaging device

Info

Publication number: RU206438U1
Application number: RU2021108643U
Authority: RU
Inventors: Александр Александрович Чистяков; Геннадий Евгеньевич Котковский; Игорь Леонидович Мартынов; Константин Иванович Козловский; Юрий Александрович Кузищин; Евгений Михайлович Максимов; Артем Эдуардович Акмалов; Евгений Валерьевич Осипов; Александра Андреевна Пашкевич; Андрей Александрович Плеханов
Original assignee: Частное Учреждение По Обеспечению Научного Развития Атомной Отрасли "Наука И Инновации"
Priority date: 2021-03-30
Filing date: 2021-03-30
Publication date: 2021-09-13

Abstract

Предлагаемая полезная модель относится к приборам для визуализации объектов в области субмиллиметрового диапазона электромагнитных волн, конкретно, к устройствам для формирования от исследуемого объекта отраженного широкополосного терагерцового излучения.Техническим результатом предлагаемого устройства является существенное увеличение контраста изображения объекта, причем как его поверхностного слоя, так и его структур внутри объекта в широком спектральном диапазоне ТГц частот и на различном расстоянии от устройства до объекта.Этот результат достигается тем, что в устройстве для формирования изображений объекта в терагерцовой области спектра, содержащем фотопроводящую антенну с гиперполусферической линзой и оптический блок ТГц облучения объекта с фокусирующей линзой, фокусирующая линза выполнена плосковыпуклой с плоскостью, обращенной к гиперполусферической линзе, причем расстояние между задними фокальными плоскостями гиперсферической линзы и фокусирующей линзы установлено в пределах от 0 до 50 см, а диаметр D фокусирующей линзы, ее числовая апертура NA2, числовая апертура NA1и диаметр d гиперполусферической линзы удовлетворяют следующему соотношению:Предлагаемая полезная модель позволяет разработать и внедрить в различных технологиях безопасности устройства, в которых достигнуто существенное увеличение контраста изображения структуры различных объектов, частично прозрачных для ТГц излучения как на их поверхности, так и в приповерхностном слое, что существенно расширяет технические возможности применения предлагаемого устройства в системах безопасности на гражданских и промышленных предприятиях.The proposed utility model relates to devices for visualizing objects in the submillimeter range of electromagnetic waves, specifically, to devices for forming reflected broadband terahertz radiation from the object under study. The technical result of the proposed device is a significant increase in the contrast of the image of the object, both its surface layer and its structures inside the object in a wide spectral range of THz frequencies and at different distances from the device to the object. This result is achieved by the fact that a device for imaging an object in the terahertz region of the spectrum, containing a photoconductive antenna with a hyperhemispherical lens and an optical unit for THz irradiation of the object with a focusing lens , the focusing lens is flat-convex with a plane facing the hyperhemispherical lens, and the distance between the rear focal planes of the hyperspherical lens and the focusing lens is set within about t 0 to 50 cm, and the diameter D of the focusing lens, its numerical aperture NA2, numerical aperture NA1 and the diameter d of the hyperhemispherical lens satisfy the following relationship: objects that are partially transparent to THz radiation both on their surface and in the near-surface layer, which significantly expands the technical possibilities of using the proposed device in security systems at civil and industrial enterprises.

Description

Предлагаемая полезная модель относится к приборам для визуализации объектов в области субмиллиметрового диапазона электромагнитных волн, конкретно, к устройствам для формирования от исследуемого объекта отраженного широкополосного терагерцового излучения.The proposed utility model relates to devices for visualizing objects in the submillimeter range of electromagnetic waves, specifically, to devices for generating reflected broadband terahertz radiation from the object under study.

Известны устройства для ТГц облучения объектов на основе фотопроводящей антенны, генерирующей широкополосное терагерцовое излучение под действием фемтосекундного лазера [1]. Данное устройство состоит из фемтосекундного лазера, полупроводниковой фотопроводящей антенны с блоком питания, оптических элементов для лазерного и ТГц излучения.Known devices for THz irradiation of objects based on a photoconductive antenna generating broadband terahertz radiation under the action of a femtosecond laser [1]. This device consists of a femtosecond laser, a semiconductor photoconductive antenna with a power supply, optical elements for laser and THz radiation.

Однако, поскольку мощность ТГц излучения лучших образцов фотопроводящих антенн не превышает 100-200 мкВт, а отраженное от объектов ТГц излучение при его неизбежном диффузном рассеянии в полусферический телесный угол имеет сверхмалую способность получения ТГц изображений объекта со спектральным анализом.However, since the THz radiation power of the best samples of photoconductive antennas does not exceed 100-200 μW, and the THz radiation reflected from objects with its inevitable diffuse scattering into a hemispherical solid angle has an extremely low ability to obtain THz images of an object with spectral analysis.

Этого недостатка в определенной мере лишено техническое решение, описанное в источнике [2], взятое за прототип. Устройство для формирования изображений объекта под действием широкополосного терагерцового излучения содержит также фотопроводяшую антенну с гиперполусферической линзой на его торце и оптический блок ТГц облучения объекта с фокусирующей линзой. Недостатком устройства, описанного в прототипе частичное отсутствие сформированного на объекте плоского фронта ТГц излучения на всех его частотах, а также возможность получения контрастного изображения структуры объекта в приповерхностном слое и далее в его теле.To a certain extent, the technical solution described in the source [2], taken as a prototype, is devoid of this drawback. A device for forming images of an object under the action of broadband terahertz radiation also contains a photoconductive antenna with a hyperhemispherical lens at its end and an optical unit for THz irradiation of the object with a focusing lens. The disadvantage of the device described in the prototype is the partial absence of a flat front of THz radiation formed on the object at all its frequencies, as well as the possibility of obtaining a contrast image of the structure of the object in the near-surface layer and further in its body.

Техническим результатом предлагаемого устройства является существенное увеличение контраста изображения объекта, причем как его поверхностного слоя, так и его структур внутри объекта в широком спектральном диапазоне ТГц частот и на различном расстоянии от устройства до объекта.The technical result of the proposed device is a significant increase in the contrast of the image of the object, both its surface layer and its structures inside the object in a wide spectral range of THz frequencies and at different distances from the device to the object.

Этот результат достигается тем, что в устройстве для формирования изображений объекта в терагерцовой области спектра, содержащем фотопроводящую антенну с гиперполусферической линзой и оптический блок ТГц облучения объекта с фокусирующей линзой, фокусирующая линза выполнена плосковыпуклой с плоскостью, обращенной к гиперполусферической линзе, причем расстояние между задними фокальными плоскостями гиперполусферической линзы и фокусирующей линзы установлено в пределах от 0 до 50 см, а диаметр D фокусирующей линзы, ее числовая апертура NA₂, числовая апертура NA₁ и диаметр d гиперполусферической линзы удовлетворяют следующему соотношению:This result is achieved by the fact that in a device for forming images of an object in the terahertz region of the spectrum, containing a photoconductive antenna with a hyperhemispherical lens and an optical unit for THz irradiation of an object with a focusing lens, the focusing lens is flat-convex with a plane facing the hyperhemispherical lens, and the distance between the rear focal planes of the hyperhemispherical lens and focusing lens are set in the range from 0 to 50 cm, and the diameter D of the focusing lens, its numerical aperture NA ₂ , numerical aperture NA ₁ and the diameter d of the hyperhemispherical lens satisfy the following relationship:

Фокусирующая плосковыпуклая линза имеет асферическую выпуклую поверхность, позволяет сформировать коллимированный пучок ТГц излучения и сформировать на объекте увеличенное изображение фотопроводящей антенны с минимальной для однолинзового объектива сферической аберрацией.The focusing plano-convex lens has an aspherical convex surface, allows the formation of a collimated beam of THz radiation and the formation of an enlarged image of a photoconductive antenna on the object with the minimum spherical aberration for a single-lens objective.

Варьированием расстояния между задними фокальными плоскостями гиперполусферической и фокусирующей плосковыпуклой линзы формируется контрастное пятно засветки диаметром d на различных расстояниях от источника. Минимальное расстояние от линзы, на котором может быть сформировано пятно засветки, равно фокусному расстоянию плосковыпуклой фокусирующей линзы. Пятно засветки на объекте при этом имеет минимальный размер, ограниченный дифракцией. Данный режим облучения объекта, позволяет реализовать оптическую схему конфокального микроскопа для построения системы формирования ТГц изображений с предельным пространственным разрешением. Теоретически для реализации данного режима плосковыпуклая фокусирующая линза должна находиться на бесконечном удалении от мнимого изображения источника ТГц излучения, формируемого гиперполурсферической линзой. Однако на практике достаточно удалить линзу от мнимого изображения источника на расстояние примерно на порядок превышающее фокусное расстояние фокусирующей плосковыпуклой линзы. В предлагаемой оптической схеме максимальное значение данного расстояния превышает 50 см. Таким образом, предлагаемое устройство заведомо позволяет реализовать систему с предельным пространственным разрешением для двух собирающих линз, гиперполурсферической и фокусирующей плосковыпуклой, фокусное расстояние которых не превышает 5 см.By varying the distance between the rear focal planes of the hyperhemispherical and focusing plano-convex lenses, a contrast illumination spot with a diameter d is formed at different distances from the source. The minimum distance from the lens at which an illumination spot can be formed is equal to the focal length of a plano-convex focusing lens. In this case, the illumination spot on the object has a minimum size limited by diffraction. This mode of object irradiation makes it possible to implement the optical scheme of a confocal microscope for constructing a system for forming THz images with a limiting spatial resolution. Theoretically, to implement this mode, a plano-convex focusing lens should be located at an infinite distance from the imaginary image of a THz radiation source formed by a hyper-hemispherical lens. However, in practice, it is sufficient to remove the lens from the virtual source image at a distance of about an order of magnitude greater than the focal length of the focusing plano-convex lens. In the proposed optical scheme, the maximum value of this distance exceeds 50 cm.Thus, the proposed device certainly allows the implementation of a system with a limiting spatial resolution for two converging lenses, a hyperpolourspherical and a focusing plane-convex lens, the focal length of which does not exceed 5 cm.

Для исследования объектов, удаленных от источника на расстояние в несколько метров формируется пучок ТГц излучения с низкой расходимостью. Реализация указанного выше соотношения между размерами источника ТГц излучения и параметрами гиперполусферической и собирающей линзы позволит сформировать пучок ТГц излучения с достаточной для достижения технического результата расходимостью менее 50 мрад.To study objects at a distance of several meters from the source, a low-divergence THz radiation beam is formed. Implementation of the above relationship between the dimensions of the THz radiation source and the parameters of the hyperhemispherical and collecting lens will make it possible to form a THz radiation beam with a divergence of less than 50 mrad sufficient to achieve the technical result.

Таким образом, совокупность всех трех вышеуказанных существенных признаков, связанных друг с другом причинно-следственными связями, позволяет достичь вышеуказанного технического результата - существенного увеличения возможностей получения контрастного изображения как поверхностного слоя, так и структуры внутри объекта в широком спектральном диапазоне ТГц частот путем формирования специальных характеристик луча ТГц излучения на объекте.Thus, the combination of all three of the above essential features, linked to each other by cause-and-effect relationships, makes it possible to achieve the above technical result - a significant increase in the possibilities of obtaining a contrast image of both the surface layer and the structure inside the object in a wide spectral range of THz frequencies by forming special characteristics THz radiation beam at the object.

Предлагаемое устройство поясняется Фиг. 1, где представлены схема расположения основных элементов устройства для формирования изображений объекта в терагерцовой области спектра: 1 - фотопроводящая антенна, 2 - гиперполусферическая линза, 3 - фокусирующая плосковыпуклая линза, 4 - оптический блок ТГц облучения объекта.The proposed device is illustrated in FIG. 1, which shows the layout of the main elements of the device for forming images of an object in the terahertz region of the spectrum: 1 - photoconductive antenna, 2 - hyperhemispherical lens, 3 - focusing plano-convex lens, 4 - optical unit of THz irradiation of the object.

Согласно схеме, представленной на Фиг. 1, устройство для формирования изображений объекта в терагерцовой области спектра работает следующим образом. Под воздействием внешнего излучения фемтосекундного лазера на фотопроводящую антенну 1 в ней генерируется широкополосное ТГц излучение. Это ТГц излучение, проходя через гиперполусферическую линзу 2, формируется в выходящий расходящийся луч с углом раствора около 15 градусов. В оптическом блоке 4 на фокусирующей плосковыпуклой линзе 3 формируется ТГц луч с плоским фронтом, необходимый для получения контрастного изображения поверхностного слоя и структур внутри тела объекта в широком спектральном диапазоне ТГц частот в следствие формирования специальных характеристик луча ТГц излучения на поверхности и внутри объекта.As shown in FIG. 1, a device for forming images of an object in the terahertz region of the spectrum operates as follows. Under the influence of external radiation of a femtosecond laser on the photoconductive antenna 1, broadband THz radiation is generated in it. This THz radiation, passing through the hyperhemispherical lens 2, is formed into an outgoing diverging beam with an opening angle of about 15 degrees. In the optical unit 4, a THz beam with a flat front is formed on the focusing plano-convex lens 3, which is necessary to obtain a contrast image of the surface layer and structures inside the object's body in a wide spectral range of THz frequencies due to the formation of special characteristics of the THz radiation beam on the surface and inside the object.

Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет разработать и внедрить в различных технологиях безопасности устройства, в которых достигнуто существенное увеличение контраста изображения структуры объектов как на их поверхности, так и внутри объекта на различных участках ТГц спектра, прежде всего для объектов, которые частично прозрачны для ТГц излучения, что существенно расширяет технические возможности применения предлагаемого устройства в системах безопасности на гражданских и промышленных предприятиях.Thus, the proposed utility model makes it possible to develop and implement devices in various safety technologies, in which a significant increase in the contrast of the image of the structure of objects both on their surface and inside the object in different parts of the THz spectrum is achieved, primarily for objects that are partially transparent to THz. radiation, which significantly expands the technical possibilities of using the proposed device in security systems at civil and industrial enterprises.

Источники информации:Sources of information:

1. A.A. Chistyakov, К.I. Kozlovskii, G.Е. Kotkovskii, Yu.A. Kuzishchin, V.A. Krivenkov, Yu.A. Mityaginl, I.N. Piryazev. The study of photocurrent and power of THz radiation photoconductive antennas based on GaAs dependence on geometry of focusing and radiation parametres of femtosecond laser. Journal of Physics: Conference Series 737 (2016) 012020.1. A.A. Chistyakov, K.I. Kozlovskii, G.E. Kotkovskii, Yu.A. Kuzishchin, V.A. Krivenkov, Yu.A. Mityaginl, I.N. Piryazev. The study of photocurrent and power of THz radiation photoconductive antennas based on GaAs dependence on geometry of focusing and radiation parametres of femtosecond laser. Journal of Physics: Conference Series 737 (2016) 012020.

2. United States Patent, Patent Number: 6,665,075. Date of Patent: Dec. 16, 2003.2. United States Patent, Patent Number: 6,665,075. Date of Patent: Dec. 16, 2003.

Claims

A device for forming images of an object in the terahertz region of the spectrum, containing a photoconductive antenna with a hyperhemispherical lens and an optical unit for THz irradiation of an object with a focusing lens, characterized in that the focusing lens is flat-convex with a plane facing the hyperhemispherical lens, and the distance between the posterior focal planes of the hyperhemispherical lens and the focusing lens is set in the range from 0 to 50 cm, and the diameter D of the focusing lens, its numerical aperture NA ₂ , numerical aperture NA ₁ and the diameter d of the hyperhemispherical lens satisfy the following relationship: