用于成像和材料分析的激光器系统技术方案

THz量子级联激光器用于通过向目标引导来自激光器的第一激光辐射射束以由此通过第一射束与目标的相互作用产生第二激光辐射射束来研究目标。第一和第二射束的自混合发生在激光器内并且引起信号中诸如激光器的工作电压的变化。改变影响第一射束与目标的相互作用的激光器的工作参数。监测并且处理工作电压以确定与目标的材料性质相关联的相位和幅度变化。因此，在一个实施例中，本发明专利技术提供将信号中的变化处理以产生目标的各种图像。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于材料分析和成像的基于激光的方法和系统。
技术介绍
对于现有技术的方法、装置或者文件的任何引用都不看作构成它们曾经形成或者现在形成公知常识的一部分的任何证据或者承认。在过去二十年里已经在实现成像和材料分析系统中投入大量的科学努力。该努力的一个结果是太赫兹时域光谱仪(TDS)已经将其自身确立为用于以太赫兹频率相干地探测固态、液态和气态系统的重要工具。由于THzTDS相干地并且以亚皮秒级分辨率分辨宽带THz脉冲的电场幅度的本征能力以及其对热背景辐射的不灵敏性，因此THzTDS成功的关键是其在大到100THz的带宽上测量样品的复折射率的能力。然而，THzTDS系统通常具有实际上仅在～3THz以下有用的信噪比(SNR)。此外，它们的光谱分辨率典型地限于不比～5GHz好(在高带宽系统中更差)，以及它们被限制于通常使用的光泵光电导发射器的数量级为10-100μW的低THz功率。另外，光谱数据获取很慢并且技术依赖笨重并且昂贵的超快激光源以生成THz辐射并且对THz辐射进行相干检测。近来，THz量子级联激光器(QCL)已经作为在频率范围～1-5THz中建立的高功率辐射的实验室源而出现。已经显示THzQCL呈现具有量子限制的线宽的显著光谱纯度，使它们理想地适合于相干THz系统。但是，由于相干地检测来自这种源的发射的挑战，所以大多数系统开发已经集中在用以成像和材料分析的非相干方式上。然而，相干检测方案已经允许分辨THz场的相位和/或频率。通过利用从气体激光器得到的本机振荡器与自由运行QCL之间的外差混频，已经报告了高分辨率的频率分辨气体光谱仪。使用外差方式的相敏检测也已经能够相干逆合成孔径雷达成像。然而，外差系统通常因它们是复杂并且笨重的缺点而受到困扰。本专利技术的一个目的是提供基于激光的成像或者远程材料感测系统，其是前述现有技术的系统的改进或者至少是有用替换。
技术实现思路
根据本专利技术的第一方面，提供了用于研究目标的方法，方法包括下列步骤：向目标引导来自激光器的第一辐射射束以由此通过第一射束与所述目标的相互作用产生第二激光辐射射束，其中第一和第二射束的自混合在激光器内发生；改变影响第一射束与目标的相互作用的参数；检测由自混合产生的信号；以及处理信号以由此确定与目标的材料性质相关联的相位和幅度变化。激光器优选地包括量子级联激光器(QCL)。替换地，激光器可以包括下列中的任何一个：带间量子级联(ICL)激光器；或者氦氖气体激光器；或者二氧化碳激光器；或者光泵光纤激光器。激光器优选地被布置为在太赫兹(THz)频带中工作。替换地，激光器可以被布置为在另一个频带(诸如红外频带)中工作。检测信号的步骤优选地涉及测量激光器的端子两端的电信号。改变第一激光辐射射束的参数的步骤优选地包括对电流施加调制以驱动激光器。调制优选地包括激光射束频率的连续波频率调制。例如，在本专利技术优选实施例中，调制包括将调制锯齿形电流信号叠加到半导体激光器的dc电流供应上。在本专利技术优选实施例中，处理信号的步骤包括检测与由第一射束与目标的相互作用赋予的相移相关联的信号波形的第一类型变化。例如，波形的第一类型变化可以包括波形的相移。处理信号的步骤还优选地包括检测与由第一射束与目标的相互作用赋予的衰减相关联的信号波形的第二类型变化。例如，第二类型变化可以包括波形波峰的变窄或者加宽或者波形幅度的变化。在本专利技术的替换实施例中，改变参数的步骤可以包括相对于第一激光辐射射束的源纵向地移动目标。方法可以包括处理信号以由此确定与目标的材料性质相关联的相位和幅度变化以得到目标的折射率(n)和消光系数(k)。在方法包括处理信号以确定目标的折射率(n)和消光系数(k)的情况下，方法还将优选地涉及使得第一激光辐射射束与目标的具有已知性质的一部分相互作用。方法优选地包括使激光器自混合的数学模型与目标的多个位置中的每一个的数据拟合以获得针对位置中的每一个的一组参数值。方法可以包括应用来自目标所述部分的两个材料的n和k的已知值以由此得到目标的第三材料的n和k，第三材料是测试中的材料。方法可以包括通过相对于激光器移动目标机械地扫描目标以由此根据目标位置感测目标性质的变化。方法可以包括处理所感测的目标性质的变化以产生目标的图像。在本专利技术优选实施例中，方法包括在机械扫描期间测量多个位置中的每一个处的信号中的变化。方法优选地包括从所述测量中的每一个消除激光器的功率调制的影响。例如，消除功率调制的影响的步骤可以包括从位置中的每一个处进行的测量减去基准斜坡。在本专利技术优选实施例中，可以进行测量以避免激光器的调制周期的边沿处的瞬态影响。例如，方法可以包括仅处理每个扫描位置处的信号的每个周期的中央部分。在本专利技术优选实施例中，方法包括确定每个位置处的目标的反射系数。确定反射系数的步骤可以基于信号的绝对值随时间的积分。方法可以包括通过使信号的时域轨迹与激光器反馈自混合的数学模型拟合产生来自目标的图像以由此计算模型的反馈参数中的变化，其中通过绘制多个所述位置中的每一个的反馈参数生成图像。根据本专利技术另外的实施例，提供了一种用于研究目标的系统，该系统包括：激光器；目标组件，其被布置为使来自激光器的射束在与所述组件的目标相互作用之后返回至激光器；数据获取组件，其响应于激光器的电气端子；以及计算设备，其响应于数据获取组件，其中计算设备被编程为确定与目标相关联并且通过与目标的相互作用赋予到射束上的相位和幅度变化。优选地激光器在计算设备的控制下，该计算设备用于操作激光器和改变激光器工作参数。系统还优选地包括平移组件，其被布置为赋予激光器与目标之间的相对运动。在本专利技术优选实施例中，平移组件包括在计算设备的控制下的一个或者多个致动器，其中计算设备被编程为操作平移组件以用于在目标的多个位置中的每一个处获取数据。根据本专利技术另外的方面，提供了包括介质(例如光学、磁性或者固态数据存储设备)的计算机软件产品，该介质承载有形机器可读指令用于电子处理器以：操作激光器以向目标组件引导激光射束；获取作为激光射束与其从目标组件的反射的自混合的函数的电气数据；以及基于所获取的电气数据确定目标组件的目标部分的相位和幅度变化性质。附图说明可以从下列详细说明领悟出本专利技术的优选特征、实施例和变型，下列详细说明为本领域技术人员提供充分信息以执行本专利技术。详细说明将不被看作以任何方式对前述
技术实现思路
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【技术保护点】
一种用于研究目标的方法，包括下列步骤：向所述目标引导来自激光器的第一辐射射束以由此通过第一射束与所述目标的相互作用产生第二激光辐射射束，其中所述第一射束和第二射束的自混合在所述激光器内发生；改变影响所述第一射束与所述目标的所述相互作用的参数；检测由所述自混合产生的信号；以及处理所述信号以由此确定与所述目标的材料性质相关联的相位和幅度变化。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.08.22 AU 20139031711.一种用于研究目标的方法，包括下列步骤：
向所述目标引导来自激光器的第一辐射射束以由此通过第一射束与所述目标的相互
作用产生第二激光辐射射束，其中所述第一射束和第二射束的自混合在所述激光器内发
生；
改变影响所述第一射束与所述目标的所述相互作用的参数；
检测由所述自混合产生的信号；以及
处理所述信号以由此确定与所述目标的材料性质相关联的相位和幅度变化。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述激光器被布置为在太赫兹THz频带中工作。
3.根据权利要求1或者权利要求2所述的方法，其中所述激光器包括量子级联激光器
QCL。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中检测所述信号的步骤涉及监测所述
激光器的端子两端的电信号。
5.根据权利要求1到4中的任一项所述的方法，其中改变参数的步骤包括对电流施加调
制以用于驱动所述激光器。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述调制包括所述激光射束频率的连续波频率调
制。
7.根据权利要求1至5中的任一项所述的方法，其中处理所述信号的步骤包括检测与由
所述第一射束与所述目标的所述相互作用赋予的相移相关联的所述信号的波形的相移。
8.根据权利要求7所述的方法，其中处理所述信号的步骤还包括检测与由所述第一射
束与所述目标的所述相互作用赋予的衰减相关联的所述信号的所述波形的变化。
9.根据权利要求1至4中的任一项所述的方法，其中改变所述参数的步骤可以包括朝向
或者远离第一激光辐射射束的源移动所述目标。
10.根据权利要求1至9中的任一项所述的方法，包括处理所述信号以由此确定与所述
目标的材料性质相关联的相位和幅度变化，以得到所述目标的折射率n和消光系数k。
11.根据权利要求10所述的方法，包括使得所述第一激光辐射射束与所述目标的具有
已知性质的一部分相互作用。
12.根据权利要求11所述的方法，包括应用来自具有已知值的所述目标的所述部分的
两个材料的n和k的已知值，以由此得到所述目标的第三材料的n和k，所述第三材料是测试
中的材料。
13.根据权利要求12所述的方法，包括使所述激光器自混合的数学模型与所述目标的
多个位置中的每一个的数据拟合，以获得针对所述位置中的每一个的一组参数值。
14.根据权利要求1至13中的任一项所述的方法，包括通过相对于所述激光器将所述目
标移动通过多个位置来机械地扫描所述目标，以由此根据所述目标的位置感测所述目标的
...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·D·拉克可，P·德安，K·博尔特林，Y·L·里姆，T·泰姆雷，S·J·维尔松，E·H·林菲尔德，D·因德金，A·G·戴维斯，
申请(专利权)人：昆士兰大学，利兹大学，
类型：发明
国别省市：澳大利亚;AU