RU2779524C2

RU2779524C2 - Method and device for multispectral high-speed acquisition spatial images in terahertz spectrum area

Info

Publication number: RU2779524C2
Application number: RU2021100951A
Authority: RU
Inventors: Фёдор Викторович Потёмкин; Андрей Борисович Савельев-Трофимов; Игорь Николаевич Чернов
Original assignee: Фёдор Викторович Потёмкин; Андрей Борисович Савельев-Трофимов; Игорь Николаевич Чернов
Filing date: 2021-01-18
Publication date: 2022-09-08

Abstract

FIELD: optical instrumentation.

SUBSTANCE: invention relates to the field of optical instrumentation and concerns a method for multispectral high-speed acquisition of spatial images. In the implementation of the method, quasi-continuous femtosecond laser radiation is generated on a central wavelength in the range of 1.3-2.0 mcm with a pulse repetition frequency of 0.1-5 MHz, it is optically rectified in a non-linear-optic organic crystal in conditions of phase synchronism to obtain a beam of broadband terahertz radiation in the range of electromagnetic radiation frequencies of 0.1-10 THz and average power of 100 mW and spatial resolution of a wavelength order of used terahertz radiation of 90-900 mcm. The resulting terahertz beam scans a sample in a reflection or transmittance mode, the formed terahertz beam is registered using a ruler or a matrix of microdetectors, and the resulting image is processed in a real time mode.

EFFECT: increase in power of a terahertz radiation generator, and provision of imaging in a real time mode.

11 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к устройству и способу генерации импульсного широкополосного электромагнитного излучения терагерцевого (ТГц) диапазона частот и может использоваться при мультиспектральной высокоскоростной терагерцевой диагностике биологических, фармацевтических и композитных материалов.The invention relates to a device and method for generating pulsed broadband electromagnetic radiation in the terahertz (THz) frequency range and can be used in multispectral high-speed terahertz diagnostics of biological, pharmaceutical and composite materials.

Известны система и способ для измерения терагерцевых изображений (US2004065831A1, опуб. 08.04.2004), которые предназначены для быстрого и эффективного исследования интересующей области объекта для определения наличия определенных веществ. Устройство подразумевает наличие внешнего источника электромагнитного излучения желаемой терагерцевой частоты, подходящей для исследования и визуализации интересующей области образца с помощью интерференции этого излучения с опорным узкополосным терагерцевым излучением, полученным при смешении двух оптических лазерных излучений с разностью частот около 1 ТГц. Детектирование происходит во множестве точек в плоскости, отстоящей от области исследования на основе регистрации терагерцевого излучения, отраженного или прошедшего через область исследования.Known system and method for measuring terahertz images (US2004065831A1, pub. 04/08/2004), which are designed to quickly and efficiently study the area of interest of the object to determine the presence of certain substances. The device implies the presence of an external source of electromagnetic radiation of the desired terahertz frequency, suitable for studying and visualizing the region of interest in the sample using the interference of this radiation with the reference narrow-band terahertz radiation obtained by mixing two optical laser radiation with a frequency difference of about 1 THz. Detection occurs at a plurality of points in a plane away from the study area based on the registration of terahertz radiation reflected or transmitted through the study area.

Недостаток известного технического решения связан с высокой технической сложностью системы регистрации, связанной с низкой мощностью существующих компактных источников терагерцевого излучения, на которые ориентировано данное изобретение. Кроме того, данное техническое решение не позволяет провести быстрое измерение с высоким отношением сигнал/шум и высоким пространственным разрешением около 100 - 500 мкм.The disadvantage of the known technical solution is associated with the high technical complexity of the registration system associated with the low power of existing compact sources of terahertz radiation, which is focused on this invention. In addition, this technical solution does not allow fast measurement with a high signal-to-noise ratio and a high spatial resolution of about 100 - 500 µm.

Известно техническое решение на основе кристаллического полупроводника, используемое в генераторах импульсного широкополосного электромагнитного излучения терагерцевого диапазона частот, основанных на преобразовании фемтосекундного лазерного излучения.Known technical solution based on a crystalline semiconductor used in generators of pulsed broadband electromagnetic radiation in the terahertz frequency range, based on the conversion of femtosecond laser radiation.

Техническое решение описано в публикации: Vitalij L. Malevich a, Ramunas Adomavicius, Arunas Krotkus, «THz emission from semiconductor surfaces», Science Direct, C.R. Physique 9 (2008) 130-141. Генерация терагерцевого излучения происходит при поглощении фемтосекундного лазерного излучения в кристаллическом полупроводнике и связана с возникновением в нем импульсного фототока за счет механизмов диффузии фотовозбужденных носителей заряда (эффект Дембера) и их дрейфа в собственном электрическом поле кристаллического полупроводника.The technical solution is described in the publication: Vitalij L. Malevich a, Ramunas Adomavicius, Arunas Krotkus, "THz emission from semiconductor surfaces", Science Direct, C.R. Physique 9 (2008) 130-141. The generation of terahertz radiation occurs upon absorption of femtosecond laser radiation in a crystalline semiconductor and is associated with the appearance of a pulsed photocurrent in it due to the mechanisms of diffusion of photoexcited charge carriers (the Dember effect) and their drift in the intrinsic electric field of the crystalline semiconductor.

Недостаток известного технического решения связан с низким коэффициентом преобразования лазерного излучения в терагерцевое излучение, а именно с выводом сгенерированного терагерцевого излучения из приповерхностного слоя кристаллического полупроводника наружу. Второй недостаток известного технического решения связан с малой эффективностью конверсии энергии лазерного излучения в ТГц излучение.The disadvantage of the known technical solution is associated with a low coefficient of conversion of laser radiation into terahertz radiation, namely, with the output of the generated terahertz radiation from the surface layer of the crystalline semiconductor to the outside. The second drawback of the known technical solution is associated with the low efficiency of laser energy conversion into THz radiation.

Известно техническое решение на основе оптического выпрямления фемтосекундного излучения хром-форстеритовой лазерной системы на длине волны 1.24 мкм в нелинейно оптических органических кристаллах DAST, OH и других, описанное в публикациях Vicario C et al 2014 Opt. Lett. 39 6632; Vicario C et al 2015 Opt. Express 23 4573. Получено высокое преобразование около 1% при энергии терагерцевого импульса до 900 мкДж.Known technical solution based on the optical rectification of femtosecond radiation of a chromium-forsterite laser system at a wavelength of 1.24 μm in nonlinear optical organic crystals DAST, OH and others, described in the publications Vicario C et al 2014 Opt. Lett. 39 6632; Vicario C et al 2015 Opt. Express 23 4573. A high conversion of about 1% was obtained for a terahertz pulse energy up to 900 μJ.

К недостаткам этого технического решения следует отнести: 1) отсутствие широкого фазового синхронизма при оптическом выпрямлении в известных органических кристаллах и связанная с этим невозможность повышения эффективности преобразования; 2) особенности кристалла хром-форстерит, препятствующие получению фемтосекундного лазерного излучения с высокой средней мощностью и связанная с этим невозможность получить терагерцевое излучение с высокой средней мощностью и 3) низкий порог деградации органических кристаллов под действием излучения на длине волны 1.24 мкм и связанная с этим необходимость использовать нелинейные кристаллы большой площади с высокой стоимостью.The disadvantages of this technical solution include: 1) the absence of wide phase matching in optical rectification in known organic crystals and the associated impossibility of increasing the conversion efficiency; 2) features of the chromium-forsterite crystal that prevent the production of femtosecond laser radiation with a high average power and the related impossibility to obtain terahertz radiation with a high average power, and 3) a low threshold for the degradation of organic crystals under the action of radiation at a wavelength of 1.24 μm and the associated need use non-linear large area crystals with high cost.

Известно техническое решение на основе фотопроводящих антенн с использованием решеток с плазмонным контактом и фемтосекундного лазерного излучения, опубликованное в N. T. Yardimci, S. Yang, C. W. Berry and M. Jarrahi, "High-Power Terahertz Generation Using Large-Area Plasmonic Photoconductive Emitters," in IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology, vol. 5, no. 2, pp. 223-229, March 2015, doi: 10.1109/TTHZ.2015.2395417. Генерация ТГц излучения происходит в процессе оптического выпрямления фемтосекундного лазерного излучения массивом фотопроводящих антенн, эффективность преобразования достигает 1.5% при средней мощности лазерного излучения 240 мВт и частоте следования лазерных импульсов в 20 – 100 МГц. К недостаткам данного технического решения следует отнести сложность создания компактных источников ТГц излучения со средней мощностью около 100 мВт, связанную с необходимостью создания массивов фотопроводящих антенн с большой площадью.A technical solution based on photoconductive antennas using gratings with plasmonic contact and femtosecond laser radiation is known, published in N. T. Yardimci, S. Yang, C. W. Berry and M. Jarrahi, "High-Power Terahertz Generation Using Large-Area Plasmonic Photoconductive Emitters," in IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology, vol. 5, no. 2, pp. 223-229, March 2015, doi: 10.1109/TTHZ.2015.2395417. THz radiation is generated in the process of optical rectification of femtosecond laser radiation by an array of photoconductive antennas; the conversion efficiency reaches 1.5% at an average laser radiation power of 240 mW and a laser pulse repetition rate of 20 – 100 MHz. The disadvantages of this technical solution include the difficulty of creating compact sources of THz radiation with an average power of about 100 mW, associated with the need to create arrays of photoconductive antennas with a large area.

Наиболее близким в предложенному является техническое решение, система и способ получения и обнаружения излучения терагерцевого излучения (US2009303574A1, опубл. 10.12.2009), которое принято за прототип заявленного изобретения.The closest in the proposed is a technical solution, system and method for obtaining and detecting terahertz radiation (US2009303574A1, publ. 10.12.2009), which is taken as a prototype of the claimed invention.

Техническое решение относится к широкополосной терагерцевой системе и способу генерации и обнаружения излучения. ТГц излучение генерируется путем оптического выпрямления ультракороткого импульса накачки первой длины волны, имеющего длительность в пикосекундном или субпикосекундном диапазоне в первом нелинейно-оптическом кристалле. ТГц излучение детектируется с помощью электрооптического стробирования или другого подходящего метода с использованием зондирующего оптического пучка, имеющего вторую длину волны за счет преобразования во втором нелинейно-оптическом кристалле. При этом выполняется по меньшей мере одно из следующих условий:The technical solution relates to a broadband terahertz system and a method for generating and detecting radiation. THz radiation is generated by optical rectification of an ultrashort pump pulse of the first wavelength, having a duration in the picosecond or subpicosecond range in the first nonlinear optical crystal. THz radiation is detected by electro-optical gating or other suitable method using a probing optical beam having a second wavelength due to conversion in a second non-linear optical crystal. In this case, at least one of the following conditions is met:

а) первая длина волны отличается от второй длины волны;a) the first wavelength is different from the second wavelength;

б) материал первого нелинейного оптического кристалла отличается от материала второго нелинейного оптического кристалла.b) the material of the first nonlinear optical crystal is different from the material of the second nonlinear optical crystal.

Это позволяет выбрать для генерации и для процесса обнаружения, независимо друг от друга, комбинацию длин волн и нелинейного материала и другие особенности импульсов накачки зондирующего излучения, такие как поляризация, для получения максимально возможной эффективности генерации и обнаружения терагерцевых импульсов.This allows you to choose, independently of each other, a combination of wavelengths and nonlinear material and other features of the pump pulses of the probe radiation, such as polarization, to obtain the highest possible generation efficiency and detection of terahertz pulses.

Система, согласно этому техническому решению, включает в себя лазерный источник излучения для генерации оптических пучков накачки и зондирования (УФ, видимый или инфракрасный диапазон излучения), имеющих длительность импульсов в пикосекундном или субпикосекундном диапазоне. Система включает первый нелинейно оптический кристалл, расположенный на пути пучка накачки. Оптические свойства первого нелинейно-оптического кристалла выбираются таким образом, чтобы терагерцевые импульсы или терагерцевый пучок генерировались с максимальной эффективностью, например, при оптическом выпрямлении излучения накачки. Кроме того, система включает второй нелинейно оптический кристалл, расположенный на пути пробного пучка. Оптические свойства второго нелинейного оптического кристалла выбираются таким образом, чтобы обеспечить оптимальные условия для регистрации терагерцевого пучка, например, с методом электрооптического стробирования, при котором на второй нелинейно-оптический кристалл поступают как зондирующий, так и терагерцевый пучки. Система дополнительно включает в себя устройство, регистрирующее необходимые параметры зондирующего пучка, например, его поляризацию и/или интенсивность.The system, according to this technical solution, includes a laser radiation source for generating optical pumping and probing beams (UV, visible or infrared radiation range) having a pulse duration in the picosecond or subpicosecond range. The system includes the first nonlinear optical crystal located in the path of the pump beam. The optical properties of the first nonlinear optical crystal are chosen in such a way that terahertz pulses or a terahertz beam are generated with maximum efficiency, for example, when the pump radiation is optically rectified. In addition, the system includes a second nonlinear optical crystal located in the path of the probe beam. The optical properties of the second nonlinear optical crystal are chosen in such a way as to provide optimal conditions for registering a terahertz beam, for example, with the electro-optical gating method, in which both the probing and terahertz beams enter the second nonlinear optical crystal. The system additionally includes a device that registers the necessary parameters of the probing beam, for example, its polarization and/or intensity.

Недостаток известного технического решения связан с невысокой средней мощностью терагерцевого излучения (до 10 мВт), не способной обеспечить скоростную регистрацию терагерцевых изображений (в режиме реального времени) с помощью линейных либо матричных приемников; присутствием второго канала оптического излучения (зондирующего пучка) для регистрации терагерцевых изображений и, как следствие, присутствием системы сканирования образца или второго лазерного пучка для регистрации изображений, что приводит к усложнению системы регистрации, появлению дополнительных шумов в изображении и увеличению времени, необходимого для проведения регистрации полного изображения; присутствие дополнительных нелинейно-оптических кристаллов для регистрации терагерцевых изображений, что приводит к увеличению габаритных размеров устройства, а также к усложнению самой конструкции устройства и процесса подготовки устройства к работе, что приводит к уменьшению стабильности, а следовательно, и недостаточной эффективности известного технического решения.The disadvantage of the known technical solution is associated with a low average power of terahertz radiation (up to 10 mW), which is not capable of providing high-speed registration of terahertz images (in real time) using linear or matrix receivers; the presence of a second channel of optical radiation (probe beam) for recording terahertz images and, as a result, the presence of a sample scanning system or a second laser beam for recording images, which leads to a complication of the registration system, the appearance of additional noise in the image and an increase in the time required for registration full image; the presence of additional nonlinear optical crystals for recording terahertz images, which leads to an increase in the overall dimensions of the device, as well as to the complexity of the device design itself and the process of preparing the device for operation, which leads to a decrease in stability and, consequently, insufficient efficiency of the known technical solution.

Технической проблемой, решаемой заявленным изобретением является создание способа мультиспектрального высокоскоростного получения изображений объектов, в том числе поверхностных слоев, с целью терагерцевой диагностики биологических тканей, органических и неорганических, в том числе композитных, материалов путем генерации излучения ТГц диапазона (диапазон частот 0.1-10 ТГц) c высокой средней мощностью (до 100 мВт), широким спектром (относительная ширина спектра ~100%) и скоростной регистрации изображений в указанном диапазоне спектра, которые имеют повышенную эффективность преобразования на этапе генерации и, как следствие, повышенное отношение сигнал-шум на этапе обнаружения.The technical problem solved by the claimed invention is the creation of a method for multispectral high-speed imaging of objects, including surface layers, for the purpose of terahertz diagnostics of biological tissues, organic and inorganic, including composite, materials by generating radiation in the THz range (frequency range 0.1-10 THz ) with high average power (up to 100 mW), wide spectrum (relative spectral width ~100%) and high-speed image acquisition in the specified spectral range, which have an increased conversion efficiency at the generation stage and, as a result, an increased signal-to-noise ratio at the stage detection.

Также решается проблема создания компактного устройства для реализации этого способа, которое в целом обеспечит высокоскоростную мультиспектральную съемку терагерцевых изображений и их обработку в режиме реального времени и, таким образом, подходит для коммерческого использования, например, в качестве ТГц спектрометра и/или устройства формирования ТГц изображения, а также для передачи изображений в системах связи.It also solves the problem of creating a compact device for implementing this method, which in general will provide high-speed multispectral terahertz imaging and real-time processing and, thus, is suitable for commercial use, for example, as a THz spectrometer and/or THz imaging device. , as well as for image transmission in communication systems.

Техническая проблема решается способом мультиспектрального скоростного получения пространственных изображений, по которому генерируют квазинепрерывное фемтосекундное лазерное излучение на центральной длине волны в диапазоне 1.3-2.0 мкм с частотой следования импульсов 0.1-5 МГц, осуществляют его оптическое выпрямление в нелинейно-оптическом органическом кристалле в условиях фазового синхронизма с получением пучка широкополосного терагерцевого излучения в диапазоне частот электромагнитного излучения 0.1 – 10 ТГц и средней мощностью 100 мВт и более и пространственным разрешением порядка длины волны используемого терагерцевого излучения 90-900 мкм, осуществляют сканирование образца полученным терагерцевым пучком в режиме на отражение или пропускание, регистрируют сформированный терагерцевый пучок с помощью линейки или матрицы микродетекторов и обрабатывают полученное изображение в режиме реального времени. The technical problem is solved by the method of multispectral high-speed acquisition of spatial images, according to which quasi-continuous femtosecond laser radiation is generated at a central wavelength in the range of 1.3-2.0 μm with a pulse repetition rate of 0.1-5 MHz, and its optical rectification is carried out in a nonlinear optical organic crystal under phase matching conditions to obtain a beam of broadband terahertz radiation in the frequency range of electromagnetic radiation 0.1 - 10 THz and an average power of 100 mW or more and a spatial resolution of the order of the wavelength of the used terahertz radiation of 90-900 μm, the sample is scanned by the obtained terahertz beam in the reflection or transmission mode, register formed terahertz beam using a ruler or array of microdetectors and process the resulting image in real time.

Кроме того, регистрацию сформированного терагерцевого пучка можно осуществлять одновременно в узких спектральных линиях в диапазоне 0.3-3 ТГц.Besides, registration of the formed terahertz beam can be carried out simultaneously in narrow spectral lines in the range of 0.3-3 THz.

Возможна прямая регистрация терагерцевого излучения с помощью линейки или матрицы микродетекторов, в качестве которых используют микроантенны, или микроболометры, или приемные элементы на основе полупроводниковых структур, или твердотельные детекторы.It is possible to directly register terahertz radiation using a line or matrix of microdetectors, which are microantennas, or microbolometers, or receiving elements based on semiconductor structures, or solid-state detectors.

Кроме того, возможен другой вариант регистрации терагерцевого изображения пробным оптическим пучком с использованием нелинейно-оптического метода, например, ап-конверсии изображения, или вращения плоскости поляризации, или генерации второй гармоники.In addition, another variant of recording a terahertz image with a probe optical beam using a nonlinear optical method is possible, for example, image up-conversion, or rotation of the polarization plane, or generation of the second harmonic.

Предпочтительно использовать квазинепрерывное фемтосекундное лазерное излучение на центральной длине волны 1.55 мкм и для оптического выпрямления используют нелинейно-оптический органический кристалл DAST. Preferably use quasi-continuous femtosecond laser radiation at a central wavelength of 1.55 μm and for optical rectification use a nonlinear optical organic crystal DAST.

Техническая проблема решается также устройством для мультиспектрального скоростного получения пространственных изображений, содержащим фемтосекундный квазинепрерывный лазер со средней мощностью от 5 Вт, центральной длиной волны излучения в диапазоне 1.3-2.0 мкм, длительностью импульсов 250-500 фс, частотой следования импульсов 0.1-5 МГц, состоящий из генератора ультракоротких лазерных импульсов на частоте следования 80-100 МГц с синхронизацией мод, модулятора для выделения импульсов из исходного цуга и понижения частоты следования до 0.1-5 МГц, стретчера и компрессора, оптических изоляторов для уменьшения перекрёстных помех в последующих каскадах усиления и лазерного усилителя, содержащее также оптическую схему для согласования диаметра лазерного пучка с апертурой нелинейного органического кристалла, преобразователь оптического излучения в терагерцевый диапазон спектра на основе оптического выпрямления в нелинейно-оптическом органическом кристалле в условиях фазового синхронизма, системы фиксации и сканирования образца, оптическую схему для согласования диаметра прошедшего через образец или отраженного от образца терагерцевого пучка с апертурой используемого детектора, линейный детектор, установленный на однокоординатный транслятор в направлении, перпендикулярном линейке детекторов, или матричный детектор и блок обработки изображений на базе микропроцессора и/или программируемых логических матриц, обеспечивающий в режиме реального времени накопление данных, фильтрацию изображения от шумов, визуализацию изображения и его передачу на другие внешние устройства. The technical problem is also solved by a device for multispectral high-speed spatial imaging, containing a femtosecond quasi-continuous laser with an average power of 5 W, a central radiation wavelength in the range of 1.3-2.0 μm, a pulse duration of 250-500 fs, a pulse repetition rate of 0.1-5 MHz, consisting from a generator of ultrashort laser pulses at a repetition rate of 80–100 MHz with mode locking, a modulator for separating pulses from the initial train and lowering the repetition rate to 0.1–5 MHz, a stretcher and a compressor, optical isolators to reduce crosstalk in subsequent amplification stages and a laser amplifier , which also contains an optical circuit for matching the laser beam diameter with the aperture of a nonlinear organic crystal, an optical radiation converter to the terahertz spectral range based on optical rectification in a nonlinear optical organic crystal under phase matching conditions, a system sample fixation and scanning, an optical scheme for matching the diameter of the terahertz beam transmitted through the sample or reflected from the sample with the aperture of the detector used, a linear detector mounted on a single-coordinate translator in the direction perpendicular to the detector line, or a matrix detector and an image processing unit based on a microprocessor and / or programmable logic matrices, providing real-time data accumulation, image filtering from noise, image visualization and its transmission to other external devices.

Устройство может дополнительно содержать систему узкополосных ТГц фильтров для обеспечения регистрации изображения в выбранном спектральном диапазоне.The device may additionally contain a system of narrow-band THz filters to ensure image registration in the selected spectral range.

Кроме того, в предпочтительном варианте указанный лазер имеет центральную длину волны излучения 1.55 мкм, указанный генератор представляет собой эрбиевый волоконный генератор ультракоротких лазерных импульсов с синхронизацией мод на основе нелинейного вращения плоскости поляризации, указанный модулятор представляет собой акустооптический модулятор, стретчер и компрессор выполнены на основе объёмных чирпированных решёток, а указанный преобразователь оптического излучения в терагерцевый диапазон спектра выполнен на основе нелинейно-оптического органического кристалла DAST.In addition, in the preferred embodiment the indicated laser has a central emission wavelength of 1.55 μm, the indicated generator is an erbium fiber generator of ultrashort laser pulses with mode locking based on the nonlinear rotation of the polarization plane, the indicated modulator is an acousto-optic modulator, the stretcher and compressor are made on the basis of bulk chirped gratings, and the indicated converter optical radiation in the terahertz range of the spectrum is made on the basis of a nonlinear optical organic crystal DAST.

Кроме того, устройство может включать гибкие волноведущие структуры для передачи и приема терагерцевого излучения.In addition, the device may include flexible waveguide structures for transmitting and receiving terahertz radiation.

Возможны варианты выполнения устройства с указанным детектором, выполненным на основе линейки или матрицы микроантенн, или микроболометров, или полупроводниковых или твердотельных устройств с возможностью прямой регистрации терагерцевого изображения.Possible embodiments of the device with the specified detector, made on the basis of a line or array of microantennas, or microbolometers, or semiconductor or solid-state devices with the possibility of direct registration of a terahertz image.

Устройство также может быть выполнено с возможностью совмещения терагерцевой диагностики с оптической или ИК диагностикой одних и тех же областей исследуемых образцов с подключением к средствам отображения информации что позволяет обеспечить взаимодополняющую информацию об объекте исследования.The device can also be made with the possibility of combining terahertz diagnostics with optical or IR diagnostics of the same areas of the samples under study with connection to information display means, which allows providing complementary information about the object of study.

Технический результат данного изобретения заключается в увеличении мощности генератора терагерцевого излучения и обеспечении сверхскоростной визуализации в режиме реального времени, а также в уменьшении габаритных размеров и стоимости устройства, повышение простоты его использования и наладки, для широкого внедрения методов терагерцевой визуализации в научных, медицинских и материаловедческих задачах.The technical result of this invention is to increase the power of the terahertz radiation generator and provide ultra-high-speed visualization in real time, as well as to reduce the overall dimensions and cost of the device, increase the ease of use and adjustment, for the widespread introduction of terahertz imaging methods in scientific, medical and materials science tasks. .

Важным аспектом изобретения является компактность, долговременная стабильность и малое энергопотребление устройства.An important aspect of the invention is the compactness, long-term stability and low power consumption of the device.

Преимуществом предлагаемых способа и устройства является малое время измерения одной точки изображения за счет высокой средней мощности порядка 100 мВт зондирующего терагерцевого излучения, что позволяет производить растровое линейное сканирование области образца и существенно уменьшает общее время измерения изображения, повышает отношение сигнал-шум этого изображения и достижимое пространственное разрешение предлагаемого способа, то есть позволяет производить сканирование в режиме реального времени.The advantage of the proposed method and device is the short measurement time of one point of the image due to the high average power of the probing terahertz radiation of the order of 100 mW, which allows for raster linear scanning of the sample area and significantly reduces the total time of image measurement, increases the signal-to-noise ratio of this image and the achievable spatial resolution of the proposed method, that is, it allows scanning in real time.

Кроме того, преимуществом рассматриваемых способа и устройства является мультиспектральность, то есть возможность за счет широкого частотного спектра зондирующего терагерцевого излучения и его высокой средней мощности проводить одновременную регистрацию изображений как в узком спектральном интервале из рассматриваемого диапазона частот, так и в нескольких таких интервалах, либо в широком диапазоне частот, что позволяет получать одновременно спектрально разрешенные пространственные отпечатки одних и тех же областей образцов.In addition, the advantage of the method and device under consideration is multispectrality, that is, the possibility, due to the wide frequency spectrum of the probing terahertz radiation and its high average power, to simultaneously record images both in a narrow spectral interval from the frequency range under consideration, and in several such intervals, or in a wide frequency range, which makes it possible to simultaneously obtain spectrally resolved spatial imprints of the same areas of samples.

В этом случае возможно разделение терагерцевого пучка после прохождения через образец на два и более каналов с установленными в них полосовыми фильтрами на определенные спектральные диапазоны и одновременная регистрация двух или более терагерцевых изображений двумя или более системами датчиков с обработкой двумя или более микропроцессорными блоками, что существенно уменьшает общее время измерения изображения и/или повышает отношение сигнал-шум этого изображения и достижимое пространственное разрешение предлагаемого способа.In this case, it is possible to split the terahertz beam after passing through the sample into two or more channels with band-pass filters installed in them for certain spectral ranges and to simultaneously record two or more terahertz images by two or more sensor systems with processing by two or more microprocessor units, which significantly reduces the total measurement time of the image and/or increases the signal-to-noise ratio of this image and the achievable spatial resolution of the proposed method.

Изобретение обеспечивает возможность обработки данных в режиме реального времени, получаемых на чувствительных в терагерцевом диапазоне длин волн матричных сенсорах, с помощью программируемых логических интегральных схем, микропроцессоров или с использованием программных средств, установленных на вычислительных средствах.EFFECT: invention provides the possibility of real-time processing of data obtained on matrix sensors sensitive in the terahertz wavelength range using programmable logic integrated circuits, microprocessors or using software installed on computing facilities.

Использование гибких волноведущих структур для передачи и приема терагерцевого излучения в эндоскопических инструментах обеспечивает проведение исследований не только внешней поверхности предметов и тканей, но и проведение эндоскопических, колоноскопических и гастроскопических исследований, а также исследований скрытых и труднодоступных областей.The use of flexible waveguide structures for transmitting and receiving terahertz radiation in endoscopic instruments provides research not only on the outer surface of objects and tissues, but also on endoscopic, colonoscopic and gastroscopic studies, as well as studies of hidden and hard-to-reach areas.

Изобретение иллюстрируется чертежами.The invention is illustrated in the drawings.

На фиг. 1 показана схема осуществления предложенного способа.In FIG. 1 shows a diagram of the proposed method.

На фиг. 2 – схема функционирования предложенного устройства.In FIG. 2 is a diagram of the operation of the proposed device.

На чертежах приняты следующие обозначения:The following designations are used in the drawings:

1 - фемтосекундный квазинепрерывный компактный лазер1 - femtosecond quasi-continuous compact laser

2 - генератор ультракоротких лазерных импульсов2 - generator of ultrashort laser pulses

3 - модулятор3 - modulator

4 - стретчер4 - stretcher

5 - компрессор5 - compressor

6 - оптические изоляторы6 - optical isolators

7 - лазерный усилитель7 - laser amplifier

8 - оптическая схема8 - optical scheme

9 - преобразователь оптического излучения в терагерцевый диапазон9 - Converter of optical radiation to the terahertz range

10 – образец исследуемого материала с системой фиксации и сканирования образца10 - a sample of the material under study with a system for fixing and scanning the sample

11 - оптическая схема11 - optical scheme

12, 12’- линейный или матричный детектор12, 12'- line or matrix detector

13 - узкополосные терагерцевые фильтры13 - narrow-band terahertz filters

14 - блок скоростной обработки изображений на базе микропроцессора.14 - block high-speed image processing based on a microprocessor.

15 - лазерный пучок накачки 15 - pump laser beam

16 - терагерцевый пучок16 - terahertz beam

17, 17’ - пучок терагерцевого импульсного излучения17, 17 '- beam of terahertz pulsed radiation

Предлагаемый способ мультиспектрального скоростного получения пространственных изображений осуществляется следующим образом (фиг. 1).The proposed method of multispectral high-speed acquisition of spatial images is as follows (Fig. 1).

Лазером 1 генерируется лазерный пучок 15 накачки средней и импульсной мощностью 10 Вт и 20 кВт соответственно, содержащий световые импульсы в инфракрасном диапазоне, имеющие длительность импульса в пикосекундном или субпикосекундном диапазоне. Производится нелинейное преобразование упомянутого лазерного пучка 15 в преобразователе 9 оптического излучения в терагерцевый диапазон в пучок 16 терагерцевого импульсного излучения, причем длина волны лазерного пучка соответствует режиму фазового синхронизма при преобразовании инфракрасного излучения в терагерцевое излучение. Осуществляется экспонирование образца 10 исследований терагерцевым пучком 16 в режиме на отражение, либо на прохождение и формируется терагерцевый пучок 17 либо 17’. Осуществляется прямая регистрация поперечного распределения интенсивности терагерцевого пучка 17 либо 17’ с помощью матричного детектора 12, либо 12’. В качестве детектора может также выступать линейный терагерцевый датчик, в этом случае экспонирование образца 10 осуществляется при одномерном сканировании терагерцевого пучка 16 в плоскости образца 10.The laser 1 generates a pump laser beam 15 with an average and pulsed power of 10 W and 20 kW, respectively, containing light pulses in the infrared range, having a pulse duration in the picosecond or sub-picosecond range. A non-linear conversion of the mentioned laser beam 15 in the converter 9 of optical radiation into the terahertz range into a beam 16 of terahertz pulsed radiation is performed, and the wavelength of the laser beam corresponds to the phase-matching mode when converting infrared radiation into terahertz radiation. The study sample 10 is exposed to a terahertz beam 16 in the reflection or transmission mode and a terahertz beam 17 or 17' is formed. The transverse intensity distribution of the terahertz beam 17 or 17' is directly recorded using a matrix detector 12 or 12'. A linear terahertz sensor can also act as a detector; in this case, sample 10 is exposed during one-dimensional scanning of terahertz beam 16 in the plane of sample 10.

Способ характеризуется:The method is characterized by:

- наличием фемтосекундного лазера с высокой частотой следования до 1 МГц и выше и средней энергией лазерного импульса до десятков микроджоулей, и как следствие повышенным отношением сигнал-шум получаемых изображений и пространственным разрешением порядка длины волны используемого терагерцевого излучения – 90-900 мкм.- the presence of a femtosecond laser with a high repetition rate up to 1 MHz and higher and an average laser pulse energy of up to tens of microjoules, and as a result, an increased signal-to-noise ratio of the obtained images and a spatial resolution of the order of the wavelength of the used terahertz radiation - 90-900 μm.

- наличием только одного лазерного пучка;- the presence of only one laser beam;

- наличием только одного нелинейно-оптического кристалла;- the presence of only one nonlinear optical crystal;

- высокой скоростью сканирования и/или малым временем измерения в одной точке;- high scanning speed and/or short measurement time at one point;

- длиной волны, настроенной в максимум преобразования используемых нелинейно-оптических кристаллов за счет наличия фазового синхронизма для процесса оптического выпрямления;- wavelength tuned to the maximum conversion of the used non-linear optical crystals due to the presence of phase matching for the process of optical rectification;

- широким диапазоном перестройки с возможностью работы как на широком спектре 0.1 – 10 ТГц, так и в узких спектральных линиях в диапазоне 0.3-3 ТГц;- a wide tuning range with the ability to work both in a wide spectrum of 0.1 - 10 THz, and in narrow spectral lines in the range of 0.3-3 THz;

- изображением, получаемым с использованием линейки или матрицы микроантенн либо других датчиков и формирующимся в режиме реального времени с помощью программируемых логических интегральных схем, обеспечивающих взаимодополняющую информацию об объекте исследования.- an image obtained using a line or matrix of microantennas or other sensors and formed in real time using programmable logic integrated circuits that provide complementary information about the object of study.

Технический результат предлагаемого способа генерации импульсного широкополосного электромагнитного излучения терагерцевого диапазона частот основан на получении повышенного отношения сигнала-шум, пространственного разрешения порядка длины волны используемого терагерцевого излучения – 90 - 900 мкм и мультиспектральности, т.е. возможности за счет широкого частотного спектра, зондирующего терагерцевого излучения и его высокой средней мощности проводить одновременную регистрацию изображений как в узком спектральном интервале из рассматриваемого диапазона частот, так и в нескольких таких интервалах, либо в широком диапазоне частот, что позволяет получать спектрально разрешенные пространственные отпечатки одних и тех же областей образцов одновременно. В этом случае возможно разделение терагерцевого пучка после прохождения через образец на два и более каналов с установленными в них полосовыми фильтрами на определенные спектральные диапазоны и одновременная регистрация двух или более терагерцевых изображений двумя или более системами датчиков с обработкой двумя или более микропроцессорными блоками, что существенно уменьшает общее время измерения изображения и/или повышает отношение сигнал-шум этого изображения и достижимое пространственное разрешение предлагаемого способа.The technical result of the proposed method for generating pulsed broadband electromagnetic radiation in the terahertz frequency range is based on obtaining an increased signal-to-noise ratio, spatial resolution of the order of the wavelength of the used terahertz radiation - 90 - 900 μm and multispectral, i.e. the possibility, due to the wide frequency spectrum, probing terahertz radiation and its high average power, to simultaneously record images both in a narrow spectral interval from the frequency range under consideration, and in several such intervals, or in a wide frequency range, which makes it possible to obtain spectrally resolved spatial imprints of some and the same sample areas at the same time. In this case, it is possible to split the terahertz beam after passing through the sample into two or more channels with band-pass filters installed in them for certain spectral ranges and to simultaneously record two or more terahertz images by two or more sensor systems with processing by two or more microprocessor units, which significantly reduces the total measurement time of the image and/or increases the signal-to-noise ratio of this image and the achievable spatial resolution of the proposed method.

В другом из предпочтительных вариантов способа преобразование мощного оптического ИК излучения на длине волны в диапазоне 1.3 - 2.0 мкм осуществляется в процессе оптического выпрямления в нелинейно-оптическом кристалле, обеспечивающем эффективный фазовый синхронизм на выбранной длине волны ИК излучения.In another of the preferred variants of the method, the conversion of powerful optical IR radiation at a wavelength in the range of 1.3 - 2.0 μm is carried out in the process of optical rectification in a nonlinear optical crystal that provides effective phase matching at the selected wavelength of IR radiation.

В другом из предпочтительных вариантов способа возможна работа на нескольких длинах волн терагерцевого диапазона, формируемых с помощью набора узкополосных фильтров, а также работа «на отражение» и «на просвет» на узкой ТГц линии.In another of the preferred variants of the method, it is possible to work at several wavelengths of the terahertz range, formed using a set of narrow-band filters, as well as work "for reflection" and "for transmission" on a narrow THz line.

В одном из предпочтительных вариантов способа регистрация изображения осуществляется с помощью линейки или матрицы микроантен.In one of the preferred variants of the method, image registration is carried out using a ruler or array of microantennas.

В другом из предпочтительных вариантов способа регистрация изображения осуществляется с помощью линейки или матрицы микроболометров, линеек или матриц приемных элементов на основе полупроводниковых структур, а также с применением твердотельных детекторов.In another of the preferred variants of the method, image registration is carried out using a line or array of microbolometers, lines or arrays of receiving elements based on semiconductor structures, as well as using solid-state detectors.

В другом из предпочтительных вариантов способа визуализация осуществляется с использованием нелинейно-оптических методов и пробного пучка лазерного излучения, таких как ап-конверсия изображения, вращение плоскости поляризации, генерация второй гармоники и т.п.;In another of the preferred embodiments of the method, visualization is carried out using non-linear optical methods and a probe beam of laser radiation, such as image up-conversion, rotation of the polarization plane, second harmonic generation, etc.;

В другом из предпочтительных вариантов способа возможно использование гибких волноведущих структур для передачи и приема терагерцевого излучения в эндоскопических инструментах, что обеспечивает проведение исследований не только внешней поверхности предметов и тканей, но и проведение эндоскопических, колоноскопических и гастроскопических исследований, а также исследований скрытых и труднодоступных областей.In another of the preferred variants of the method, it is possible to use flexible waveguide structures for transmitting and receiving terahertz radiation in endoscopic instruments, which provides research not only on the outer surface of objects and tissues, but also on endoscopic, colonoscopic and gastroscopic studies, as well as studies of hidden and hard-to-reach areas .

Все описанные варианты предложенного способа терагерцевой визуализации лишь иллюстрируют заявленное изобретение, и не ограничивают объем притязаний, который включает все возможные варианты осуществления изобретения.All described variants of the proposed method of terahertz imaging only illustrate the claimed invention, and do not limit the scope of claims, which includes all possible embodiments of the invention.

Таким образом, предложенный способ высокоскоростной терагерцевой диагностики биологических и композитных материалов на основе высокоэффективного генератора мощного (около 100 мВт средней мощности) перестраиваемого (от 0.1 до 10 ТГц) терагерцевого излучения, позволяющий повысить отношение сигнал-шум изображения, получить пространственное разрешение изображения порядка длины волны используемого терагерцевого излучения 90-900 мкм и мультиспектральность, и методов сверхскоростной визуализации в режиме реального времени с применением математических методов обработки данных, реализованных на программируемых логических интегральных схемах, обеспечивающими взаимодополняющую информацию об объекте исследования, позволяет увеличить надежность и точность диагностики биологических, фармацевтических и композитных материалов, также передачи изображений в системах связи, с одной стороны за счёт методов сверхскоростной визуализации в режиме реального времени, с другой стороны за счёт обеспеченияThus, the proposed method for high-speed terahertz diagnostics of biological and composite materials based on a highly efficient generator of high-power (about 100 mW average power) tunable (from 0.1 to 10 THz) terahertz radiation, which makes it possible to increase the signal-to-noise ratio of the image, to obtain a spatial image resolution of the order of a wavelength of the used terahertz radiation of 90-900 microns and multispectrality, and methods of superfast visualization in real time using mathematical data processing methods implemented on programmable logic integrated circuits, providing complementary information about the object of study, allows to increase the reliability and accuracy of diagnostics of biological, pharmaceutical and composite materials, as well as image transmission in communication systems, on the one hand, due to the methods of ultra-high-speed visualization in real time, on the other hand, due to the provision

«скорости отклика» системы на уровне реального времени, что позволяет значительно снизить риски, например, при оперативном вмешательстве."Responsiveness" of the system at the real-time level, which can significantly reduce risks, for example, during surgery.

Устройство (фиг. 2), реализующее данный способ, содержит мощный фемтосекундный квазинепрерывный компактный лазер 1 (средняя мощность от 5 Вт, центральная длина волны излучения в диапазоне 1.3-2.0 мкм, длительность импульсов 250-500 фс, частота следования импульсов 0.1-5 МГц), который в свою очередь, состоит из генератора 2 ультракоротких лазерных импульсов на частоте следования 80-100 МГц с синхронизацией мод, модулятора 3 для выделения импульсов из исходного цуга и понижения частоты следования до 0.1-5 МГц, стретчера 4 и компрессора 5; оптические изоляторы 6 для уменьшения перекрёстных помех в последующих каскадах усиления; лазерный усилитель 7; оптическую схему 8 для согласования диаметра лазерного пучка с апертурой нелинейного органического кристалла; преобразователь 9 оптического излучения в терагерцевый диапазон спектра на основе оптического выпрямления в нелинейно-оптическом органическом кристалле в условиях эффективного фазового синхронизма; систему фиксации и сканирования образца 10; оптическую схему 11 для согласования диаметра прошедшего (или отраженного) через образец 10 терагерцевого пучка с апертурой используемого детектора; линейный (установленный на однокоординатный транслятор в направлении, перпендикулярном линейке детекторов) или матричный детектор 12, обеспечивающего многоканальную регистрацию терагерцевого изображения; системы узкополосных ТГц фильтров и блок 14 скоростной обработки изображений на базе микропроцессора и/или программируемых логических матриц, обеспечивающего накопление данных, фильтрацию изображения от шумов, визуализацию изображения и его передачу на другие внешние устройства.The device (Fig. 2), which implements this method, contains a powerful femtosecond quasi-continuous compact laser 1 (average power from 5 W, central radiation wavelength in the range of 1.3-2.0 μm, pulse duration 250-500 fs, pulse repetition rate 0.1-5 MHz ), which, in turn, consists of a generator 2 of ultrashort laser pulses at a repetition rate of 80–100 MHz with mode locking, a modulator 3 for extracting pulses from the original train and lowering the repetition frequency to 0.1–5 MHz, a stretcher 4, and a compressor 5; optical isolators 6 to reduce crosstalk in subsequent amplification stages; laser amplifier 7; optical circuit 8 for matching the diameter of the laser beam with the aperture of the nonlinear organic crystal; Converter 9 of optical radiation to the terahertz range of the spectrum based on optical rectification in a nonlinear optical organic crystal under conditions of effective phase matching; sample fixation and scanning system 10; optical circuit 11 for matching the diameter of the terahertz beam transmitted (or reflected) through the sample 10 with the aperture of the detector used; linear (mounted on a single-coordinate translator in the direction perpendicular to the line of detectors) or matrix detector 12, which provides multichannel registration of a terahertz image; systems of narrow-band THz filters and block 14 for high-speed image processing based on a microprocessor and/or programmable logic arrays, which provides data accumulation, image filtering from noise, image visualization and its transmission to other external devices.

Устройство также может содержать системы 13 узкополосных терагерцевых фильтров.The device may also contain systems of 13 narrow-band terahertz filters.

Устройство характеризуется: The device is characterized by:

- малым временем измерения в одной точке;- short measurement time at one point;

- наличием фемтосекундного лазера с высокой частотой следования до 1 МГц и выше и средней энергией лазерного импульса до десятков микроджоулей;- the presence of a femtosecond laser with a high repetition rate up to 1 MHz and higher and an average laser pulse energy up to tens of microjoules;

- изображением, получаемым с использованием линейного или матричного детектора и формирующимся в режиме реального времени с помощью корреляционных методов обработки, реализованных на программируемых логических интегральных схемах, обеспечивающими взаимодополняющую информацию об объекте исследования;- an image obtained using a linear or matrix detector and formed in real time using correlation processing methods implemented on programmable logic integrated circuits that provide complementary information about the object of study;

- пространственным разрешением порядка длины волны используемого терагерцевого излучения – 90 – 900 мкм.- spatial resolution of the order of the wavelength of the used terahertz radiation - 90 - 900 microns.

Одним из вариантов реализации предложенного устройства является мощный фемтосекундный квазинепрерывный компактный лазер с центральной длиной волны излучения 1.55 мкм, который в свою очередь, состоит из эрбиевого волоконного генератора ультракоротких лазерных импульсов с синхронизацией мод на основе нелинейного вращения плоскости поляризации, акустооптического модулятора, стретчера и компрессора на основе объёмных чирпированных решёток, оптических изоляторов, эрбиевого усилителя. Для преобразования оптического излучения в терагерцевый диапазон спектра используется в этом случае органический кристалл DAST.One of the options for implementing the proposed device is a powerful femtosecond quasi-continuous compact laser with a central wavelength of 1.55 μm, which, in turn, consists of an erbium fiber generator of ultrashort laser pulses with mode locking based on a nonlinear rotation of the polarization plane, an acousto-optic modulator, a stretcher, and a compressor based on based on bulk chirped gratings, optical isolators, and an erbium amplifier. In this case, an organic DAST crystal is used to convert optical radiation into the terahertz range of the spectrum.

Важным аспектом заявленного устройства является компактность, долговременная стабильность и малое энергопотребление устройства, что приводит к значительному снижению стоимости устройства, достигаемые сочетанием его ключевых компонент:An important aspect of the claimed device is the compactness, long-term stability and low power consumption of the device, which leads to a significant reduction in the cost of the device, achieved by combining its key components:

- компактного экономичного фемтосекундного твердотельного лазера на длине волны 1.55 мкм с высокой средней мощностью свыше 5 Вт, частотой следования импульсов 0.1 – 5 МГц и высокой долговременной стабильностью характеристик, что позволяет сократить использование дополнительных элементов со значительными массогабаритными характеристиками (например, отсутствием дополнительных нелинейно-оптических кристаллов для регистрации терагерцевых изображений и отсутствием системы сканирования образца или второго лазерного пучка для регистрации изображений и т.п.) для увеличения мощности излучения; - a compact economical femtosecond solid-state laser at a wavelength of 1.55 μm with a high average power of over 5 W, a pulse repetition rate of 0.1 - 5 MHz and high long-term stability of characteristics, which makes it possible to reduce the use of additional elements with significant weight and size characteristics (for example, the absence of additional nonlinear optical crystals for recording terahertz images and the absence of a sample scanning system or a second laser beam for imaging, etc.) to increase the radiation power;

- высокоэффективного преобразователя оптического излучения в терагерцевый диапазон спектра на основе эффекта оптического выпрямления в нелинейно- оптическом органическом кристалле, например, таком как DAST, в условиях эффективного фазового синхронизма, что позволяет проводить более качественные и точные исследования;- a highly efficient converter of optical radiation to the terahertz range of the spectrum based on the effect of optical rectification in a nonlinear optical organic crystal, such as DAST, for example, under conditions of effective phase matching, which allows for better and more accurate studies;

- линейного, либо матричного массива датчиков и микропроцессорного блока, способствующего обработки изображений в режиме реального времени.- a linear or matrix array of sensors and a microprocessor unit that facilitates real-time image processing.

Устройство работает следующим образом:The device works as follows:

Мощный фемтосекундный квазинепрерывный лазер 1 создает излучение, направленное на оптическую схему 8 для согласования диаметра лазерного пучка с апертурой нелинейного органического кристалла и далее на преобразователь 9 оптического излучения в терагерцевый диапазон спектра на основе эффекта оптического выпрямления в нелинейно-оптическом органическом кристалле в условиях эффективного фазового синхронизма. Системы фиксации и сканирования образца 10 обеспечивают освещение терагерцевым пучком выбранного участка поверхности образца. Оптическая схема 11 применяется для согласования диаметра прошедшего (или отраженного) через образец 10 терагерцевого пучка с апертурой используемого детектора 12, а линейный или матричный детектор 12 обеспечивает прямую многоканальную регистрацию терагерцевого изображения. В случае наличия систем 13 узкополосных ТГц фильтров они обеспечивают измерение изображения в выбранном спектральном диапазоне. Блок 14 скоростной обработки изображений на базе микропроцессора и/или программируемых логических матриц обеспечивает накопление данных, фильтрацию изображения от шумов, визуализацию изображения и его передачу на другие внешние устройства.Powerful femtosecond quasi-continuous laser 1 creates radiation directed to the optical circuit 8 to match the diameter of the laser beam with the aperture of a nonlinear organic crystal and then to the converter 9 of optical radiation in the terahertz range of the spectrum based on the effect of optical rectification in a nonlinear optical organic crystal under conditions of effective phase matching . Sample fixation and scanning systems 10 provide illumination of a selected area of the sample surface with a terahertz beam. The optical scheme 11 is used to match the diameter of the terahertz beam transmitted (or reflected) through the sample 10 with the aperture of the detector 12 used, and the linear or matrix detector 12 provides direct multichannel registration of the terahertz image. If there are systems of 13 narrow-band THz filters, they provide image measurement in the selected spectral range. The block 14 for high-speed image processing based on a microprocessor and/or programmable logic arrays provides data accumulation, image filtering from noise, image visualization and its transmission to other external devices.

Существенным аспектом устройства является использование высокоэффективного источника мощного широкополосного терагерцевого излучения на основе фемтосекундного компактного ИК лазера и излучения с центральной длиной волны в диапазоне 1.3-2.0 мкм (от 5 Вт средней мощности), который осуществляется на основе процесса оптического выпрямления в нелинейно-оптическом органическом кристалле.An essential aspect of the device is the use of a highly efficient source of powerful broadband terahertz radiation based on a femtosecond compact IR laser and radiation with a central wavelength in the range of 1.3-2.0 μm (from 5 W average power), which is carried out on the basis of an optical rectification process in a nonlinear optical organic crystal .

Важным вариантом устройства является возможность использования квазинепрерывного фемтосекундного лазерного излучения на длине волны 1.55 мкм в сочетании с нелинейно-оптическим органическим кристаллом DAST.An important variant of the device is the possibility of using quasi-continuous femtosecond laser radiation at a wavelength of 1.55 μm in combination with a DAST nonlinear optical organic crystal.

Ещё один аспект устройства касается возможности прямой регистрации терагерцевого излучения без регистрации изменения характеристик пробного пучка и обработки данных в режиме реального времени, получаемых на чувствительных в терагерцевом диапазоне длин волн матричных сенсорах, с помощью программируемых логических интегральных схем, микропроцессоров или с использованием программных средств, установленных на вычислительных средствах.Another aspect of the device concerns the possibility of direct registration of terahertz radiation without registration of changes in the characteristics of the probe beam and real-time processing of data obtained on matrix sensors sensitive in the terahertz wavelength range using programmable logic integrated circuits, microprocessors or using software tools installed on computing devices.

Другим аспектом устройства является возможность использования гибких волноведущих структур для передачи и приема терагерцевого излучения в эндоскопических инструментах, что обеспечивает проведение исследований не только внешней поверхности предметов и тканей, но и проведение эндоскопических, колоноскопических и гастроскопических исследований, а также исследований скрытых и труднодоступных областей.Another aspect of the device is the possibility of using flexible waveguide structures for transmitting and receiving terahertz radiation in endoscopic instruments, which provides research not only on the outer surface of objects and tissues, but also on endoscopic, colonoscopic and gastroscopic studies, as well as studies of hidden and hard-to-reach areas.

Другим аспектом предлагаемого устройства, является возможность совмещения оптической, ИК и терагерцевой диагностик одних и тех же областей исследуемых образцов с подключением к различным средствам отображения информации, что позволяет обеспечить взаимодополняющую информацию об объекте исследования.Another aspect of the proposed device is the possibility of combining optical, IR and terahertz diagnostics of the same areas of the studied samples with connection to various means of displaying information, which allows providing complementary information about the object of study.

В другом из предпочтительных вариантов устройства получение изображения осуществляется при работе на нескольких длинах волн, формируемых с помощью системы 13 узкополосных фильтров.In another of the preferred embodiments of the device, image acquisition is carried out when operating at several wavelengths, formed using a system of 13 narrow band filters.

В одном из предпочтительных вариантов устройства регистрация изображения осуществляется с помощью линейки или матрицы микроантенн, или с помощью линейки или матрицы микроболометров, или линеек или матриц приемных элементов на основе полупроводниковых структур, а также с применением твердотельных детекторов.In one of the preferred versions of the device, image recording is carried out using a line or array of microantennas, or using a line or array of microbolometers, or lines or arrays of receiving elements based on semiconductor structures, as well as using solid-state detectors.

В другом из предпочтительных вариантов устройства визуализация осуществляется с использованием нелинейно-оптических методов, таких как ап- конверсия изображений, вращение плоскости поляризации или генерация второй гармоники пробного пучка, вращение плоскости поляризации пробного лазерного излучения, генерация второй гармоники пробного излучения и других.In another of the preferred versions of the device, visualization is carried out using nonlinear optical methods, such as image upconversion, rotation of the polarization plane or generation of the second harmonic of the probe beam, rotation of the polarization plane of the probe laser radiation, generation of the second harmonic of the probe radiation, and others.

Таким образом, устройство для реализации предложенного способа мультиспектральной высокоскоростной терагерцевой диагностики материалов, преимущественно биологических, фармацевтических и композитных материалов позволяет увеличить качественные характеристики получаемых изображений в терагерцевым диапазоне электромагнитных волн и уменьшить время их получения, уменьшить массогабаритные размеры за счет введения компактного экономичного фемтосекундного твердотельного лазера на длине волны 1.55 мкм с высокой средней мощностью свыше 5 Вт, частотой следования импульсов 0.1-5 МГц, что способствует созданию относительно компактной системы с высокой долговременной стабильностью характеристик и малому энергопотреблению устройства и, следовательно, к значительному снижению стоимости устройства, а также за счет введения высокоэффективного преобразователя оптического излучения в терагерцевый диапазон спектра на основе эффекта оптического выпрямления в нелинейно-оптическом органическом кристалле, например, таком как DAST, в условиях эффективного фазового синхронизма позволяет проводить более качественные и точные исследования и на основе линейного, либо матричного массива датчиков и микропроцессорного блока, позволяет обрабатывать информацию в режиме реального времени.Thus, the device for implementing the proposed method for multispectral high-speed terahertz diagnostics of materials, mainly biological, pharmaceutical and composite materials, makes it possible to increase the quality characteristics of the images obtained in the terahertz range of electromagnetic waves and reduce the time of their acquisition, reduce the weight and size due to the introduction of a compact, economical femtosecond solid-state laser on wavelength of 1.55 μm with a high average power of over 5 W, a pulse repetition rate of 0.1-5 MHz, which contributes to the creation of a relatively compact system with high long-term stability of characteristics and low power consumption of the device and, consequently, to a significant reduction in the cost of the device, as well as due to the introduction a highly efficient converter of optical radiation to the terahertz spectral range based on the effect of optical rectification in a nonlinear optical organic crystal, for example An example such as DAST, under conditions of effective phase matching, allows you to conduct better and more accurate studies and, based on a linear or matrix array of sensors and a microprocessor unit, allows you to process information in real time.

Claims

1. The method of multispectral high-speed acquisition of spatial images, according to which quasi-continuous femtosecond laser radiation is generated at a central wavelength in the range of 1.3-2.0 μm with a pulse repetition rate of 0.1-5 MHz, its optical rectification is carried out in a nonlinear optical organic crystal under phase matching conditions to obtain a beam of broadband terahertz radiation in the frequency range of electromagnetic radiation of 0.1-10 THz and an average power of 100 mW or more and a spatial resolution of the order of the wavelength of the used terahertz radiation of 90-900 μm, the sample is scanned by the obtained terahertz beam in in reflection or transmission mode, the formed terahertz beam is registered using a line or matrix of microdetectors and the resulting image is processed in real time.

2. The method according to p. 1, in which the registration of the formed terahertz beam is carried out simultaneously in narrow spectral lines in the range of 0.3-3 THz.

3. The method according to claim 1, in which direct registration of terahertz radiation is carried out using a line or array of microdetectors, which are microantennas, or microbolometers, or semiconductor or solid state devices.

4. The method according to claim 1, in which the registration of a terahertz image is carried out with a probe optical beam using a nonlinear optical method, for example, image up-conversion, or rotation of the polarization plane, or second harmonic generation.

5. The method according to claim 1, which uses quasi-continuous femtosecond laser radiation at a center wavelength of 1.55 μm and uses a non-linear optical DAST organic crystal for optical rectification.

6. A device for multispectral high-speed acquisition of spatial images, containing a femtosecond quasi-continuous laser with an average power of 5 W, a central radiation wavelength in the range of 1.3-2.0 μm, a pulse duration of 250-500 fs, a pulse repetition rate of 0.1- 5 MHz, consisting of a generator of ultrashort laser pulses at a repetition rate of 80-100 MHz with mode locking, a modulator for separating pulses from the original train and lowering the repetition rate to 0.1-5 MHz, a stretcher and a compressor, optical isolators to reduce crosstalk in subsequent stages of amplification and a laser amplifier, which also contains an optical circuit for matching the diameter of the laser beam with the aperture of a nonlinear organic crystal under phase matching conditions, an optical radiation converter to the terahertz spectral range based on optical rectification in a nonlinear optical organic crystal, systems for fixing and scanning samples a, an optical scheme for matching the diameter of the terahertz beam transmitted through the sample or reflected from the sample with the aperture of the detector used, a linear detector mounted on a single-coordinate translator in the direction perpendicular to the detector line, or a matrix detector, and an image processing unit based on a microprocessor and / or programmable logical matrices, providing real-time data accumulation, image filtering from noise, image visualization and its transmission to other external devices.

7. The device according to claim 6, which additionally contains a system of narrow-band terahertz filters to ensure image registration in the selected spectral range.

8. The device according to claim 6, in which the specified laser has a central wavelength of 1.55 μm, the specified generator is an erbium fiber generator of ultrashort laser pulses with mode locking based on the nonlinear rotation of the polarization plane, the specified modulator is an acousto-optic modulator, a stretcher and the compressor are made on the basis of volumetric chirped gratings, and the specified optical radiation converter to the terahertz range of the spectrum is made on the basis of a DAST nonlinear optical organic crystal.

9. The device according to claim 6, which includes flexible waveguide structures for transmitting and receiving terahertz radiation.

10. The device according to claim 6, in which the specified detector is made on the basis of a line or array of microantennas, or microbolometers, or semiconductor or solid state devices with the possibility of direct registration of a terahertz image.

11. The device according to claim. 6, which is made with the possibility of combining terahertz diagnostics with optical or IR diagnostics of the same areas of the studied samples with connection to information display facilities.