JP7745938B2 - Optoelectronic terahertz hyperspectral imaging system and method based on frequency-swept dual optical comb - Google Patents
Optoelectronic terahertz hyperspectral imaging system and method based on frequency-swept dual optical combInfo
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Description
本発明は、テラヘルツイメージングシステムの分野に関し、特に、周波数掃引型デュアル光コムに基づく光電子テラヘルツハイパースペクトルイメージングシステム及び方法に関する。 The present invention relates to the field of terahertz imaging systems, and more particularly to an optoelectronic terahertz hyperspectral imaging system and method based on a frequency-swept dual optical comb.
テラヘルツ(THz)波は、0.1THz~10THzの周波数を持つ電磁放射の一種である。光学的に不透明な材料を透過する際の低い減衰率と低エネルギー、非イオン化特性により、THzイメージング技術は、非破壊検査やセキュリティイメージングにおける可能性があるため、科学界や産業界から幅広い注目を集めている。さらに、ほとんどの分子結合と振動及び回転エネルギーレベルは、テラヘルツ周波数範囲にある。この注目すべき現象により、テラヘルツスペクトルに固有の分子フィンガープリンティング機能が与えられ、これにより、分子化合物の共鳴ピークと化学結合を特異的に認識することができる。テラヘルツ波のイメージング及びスペクトルにおける上記の独特の利点により、テラヘルツハイパースペクトルイメージングは、化学認識、生物医学、分子動力学などの分野で広く用いられている。 Terahertz (THz) waves are a type of electromagnetic radiation with frequencies between 0.1 THz and 10 THz. Due to their low attenuation rate when passing through optically opaque materials, low energy, and non-ionizing properties, THz imaging technology has attracted widespread attention from the scientific and industrial communities for its potential in nondestructive testing and security imaging. Furthermore, most molecular bonds and vibrational and rotational energy levels are located in the terahertz frequency range. This remarkable phenomenon endows terahertz spectra with unique molecular fingerprinting capabilities, which can specifically recognize the resonance peaks and chemical bonds of molecular compounds. Due to the unique advantages of terahertz wave imaging and spectroscopy, terahertz hyperspectral imaging has been widely used in fields such as chemical recognition, biomedicine, and molecular dynamics.
テラヘルツハイパースペクトルイメージングシステムの開発においては、イメージングシステムのより高い性能と安定性の向上を求めることは常に科学界の焦点となってきた。そのうち、デュアルコムハイパースペクトルイメージング(DCHI)技術は、その高い周波数安定性や速い信号再構成速度などの利点から注目を集めている。DCHIでは、コムライン間の間隔差が小さな光周波数コムを生成し、THzコム信号の伝送と高周波精度のマルチヘテロダイン検波を可能にする。この方法では、あらゆる機械的なスキャン装置が不要で、マイクロ秒レベルの取得速度と利便性を実現する。近年、モードロックレーザー、量子カスケードレーザー(QCL)に基づくアーキテクチャ、及び電気光学変調に基づく光子THzシステムなど、異なるTHzデュアルコム生成技術に基づくハイパースペクトルイメージングシステムが実現可能であることが証明された。 In the development of terahertz hyperspectral imaging systems, the pursuit of higher performance and improved stability has always been a focus of the scientific community. Among these, dual-comb hyperspectral imaging (DCHI) technology has attracted attention due to its advantages, such as high frequency stability and fast signal reconstruction speed. DCHI generates an optical frequency comb with a small spacing difference between the comb lines, enabling the transmission of THz comb signals and multi-heterodyne detection with high frequency precision. This method eliminates the need for any mechanical scanning devices and achieves microsecond-level acquisition speed and convenience. In recent years, the feasibility of hyperspectral imaging systems based on different THz dual-comb generation technologies has been proven, including mode-locked lasers, quantum cascade laser (QCL)-based architectures, and photon THz systems based on electro-optic modulation.
モードロックレーザーに基づくDCHIでは、わずかに異なる繰り返し周波数を持つ2つの同期したフェムト秒レーザーを用いて、スペクトル検出と光遅延サンプリングを行う。この方法により、広帯域スペクトルを維持しながらサンプリング時間を短縮する。ただし、モードロックレーザーは、フェムト秒パルスの非同期問題を解決するために追加の高精度同期制御部と自己適応サンプリングアルゴリズムに依存しており、その結果、追加のシステムオーバーヘッドにつながる。 DCHI, based on a mode-locked laser, uses two synchronized femtosecond lasers with slightly different repetition rates to perform spectral detection and optical delay sampling. This method shortens the sampling time while maintaining a broadband spectrum. However, mode-locked lasers rely on additional high-precision synchronization control and self-adaptive sampling algorithms to solve the asynchrony problem of femtosecond pulses, resulting in additional system overhead.
QCLデュアルコムハイパースペクトルイメージングの主な利点は、以下の通りである。コンパクトな設計を持ち、高周波でQCLによって生成される各モードは通常、高い光パワーを有し、多くの場合、数十μWに達する。ただし、現在の技術とプロセスの制限により、QCLの同調範囲は限られており、低温で動作するため、追加の機械冷却機器が必要となり、長期安定性が低下する。 The main advantages of QCL dual-comb hyperspectral imaging are: they have a compact design and operate at high frequencies; each mode generated by a QCL typically has high optical power, often reaching tens of μW. However, due to current technology and process limitations, QCLs have a limited tuning range and operate at low temperatures, requiring additional mechanical cooling equipment and reducing long-term stability.
電気光学変調に基づく光子テラヘルツ源は、ハイパースペクトルイメージングの分野において独自の利点を持っている。電気光学変調により、絶対周波数精度と光コムの高い安定性が実現する。単一のレーザーを用いてデュアル周波数コムを生成する解決手段は、デュアルコム信号を無線周波数領域にダウンコンバートするための高いコヒーレンスを提供する。なお、EO-DCHIでは、テラヘルツ周波数と櫛の歯の間隔を柔軟に調整できるため、設計を追加変更することなく、スペクトルのカバー範囲や櫛の歯の精度を簡単に向上することができる。しかし、以前のデュアルコムシステムでは、テラヘルツデュアルコムのデバイスパワーと生成方法の制限により、スペクトル帯域幅と周波数分解能の間には逆の関係があり、その結果、広域スペクトルのイメージングと高精度スペクトルがトレードオフの関係になる。 Photon terahertz sources based on electro-optic modulation offer unique advantages in the field of hyperspectral imaging. Electro-optic modulation enables absolute frequency accuracy and high stability of the optical comb. A solution that generates a dual frequency comb using a single laser provides high coherence for downconverting the dual comb signal to the radio frequency domain. Furthermore, EO-DCHI allows for flexible adjustment of the terahertz frequency and comb tooth spacing, making it easy to improve spectral coverage and comb tooth accuracy without additional design changes. However, in previous dual comb systems, limitations in the device power and generation method of terahertz dual combs resulted in an inverse relationship between spectral bandwidth and frequency resolution, resulting in a trade-off between broad-spectrum imaging and high-precision spectrum.
上記を考慮して、本発明の目的は、周波数掃引型デュアル光コムに基づく光電子テラヘルツハイパースペクトルイメージングシステムを提供することである。このシステムは、同調可能なDFBレーザーを電気光学デュアルコムと光混合して、周波数掃引テラヘルツデュアルコム信号を生成し、ラスタースキャンを通じて物体のポイントバイポイントイメージングを実現する。先駆的な方法として、従来のデュアルコムシステムにおけるスペクトル帯域幅と周波数分解能の間のトレードオフ関係を打ち破り、220~320GHzのスペクトル帯域幅で50MHzの周波数分解能を実現した。走査型デュアルコムテラヘルツイメージングは、室温でのデータ取得速度が速く、スペクトル同調範囲がより柔軟で、周波数分解能がより高くなり、システムは柔軟で構成可能で、構造がシンプルで、検出効率が高い。 In view of the above, the objective of the present invention is to provide an optoelectronic terahertz hyperspectral imaging system based on a frequency-swept dual optical comb. This system optically mixes a tunable DFB laser with an electro-optical dual comb to generate a frequency-swept terahertz dual comb signal, enabling point-by-point imaging of an object through raster scanning. This pioneering method breaks the trade-off between spectral bandwidth and frequency resolution in conventional dual comb systems, achieving a frequency resolution of 50 MHz with a spectral bandwidth of 220-320 GHz. Scanning dual comb terahertz imaging offers faster data acquisition speeds at room temperature, a more flexible spectral tuning range, and higher frequency resolution. The system is flexible and configurable, has a simple structure, and high detection efficiency.
上記の発明の目的を実現するために、本発明の実施例は、周波数掃引型デュアル光コムに基づく光電子テラヘルツハイパースペクトルイメージングシステムを提供し、当該システムは、周波数掃引レーザー、分布帰還型レーザー、デュアル光コム生成モジュール、カップリングビームスプリッター、スペクトルアナライザ、調整可能な光減衰器、テラヘルツミキサー、軸外し放物面鏡群、ゼロバイアス検出器、電力増幅器、及び信号アナライザを含み、
前記周波数掃引レーザーによって発された連続波レーザー信号は、デュアル光コム生成モジュールに注入されて、デュアル光コム信号を生成し、
前記分布帰還型レーザーから発された同調可能レーザー信号とデュアル光コム信号は、カップリングビームスプリッターによって結合されて2つの出力信号を形成し、一方の出力信号に対してスペクトルアナライザを介してスペクトル分析を行い、他方の出力信号に対して、調整可能な光減衰器を介して光信号のパワーを制御した後、テラヘルツミキサーに出力し、テラヘルツミキサーでは、光と電気の混合を行って、光混合したテラヘルツデュアルコム信号を生成して、軸外し放物面鏡群に入力し、
前記軸外し放物面鏡群の前半は、入力されたテラヘルツデュアルコム信号をコリメートしてサンプルに収束し、鏡群の後半は、サンプルによって変調された信号をコリメートしてゼロバイアス検出器に収束し、
前記ゼロバイアス検出器は、入力されたテラヘルツデュアルコム信号を中間周波数デュアルコム信号に混合し、電力増幅器によってパワーを増幅した後、信号アナライザによってデュアルコムスペクトルをサンプリングして記録する。
In order to achieve the above object of the invention, an embodiment of the present invention provides an optoelectronic terahertz hyperspectral imaging system based on a frequency-swept dual optical comb, the system including: a frequency-swept laser, a distributed feedback laser, a dual optical comb generation module, a coupling beam splitter, a spectrum analyzer, an adjustable optical attenuator, a terahertz mixer, an off-axis parabolic mirror group, a zero-bias detector, a power amplifier, and a signal analyzer;
The continuous wave laser signal emitted by the frequency swept laser is injected into a dual optical comb generation module to generate a dual optical comb signal;
The tunable laser signal and the dual optical comb signal emitted from the distributed feedback laser are combined by a coupling beam splitter to form two output signals, one of which is subjected to spectrum analysis through a spectrum analyzer, and the other is subjected to optical signal power control through an adjustable optical attenuator, and then output to a terahertz mixer, which mixes light and electricity to generate an optically mixed terahertz dual comb signal, which is input to an off-axis parabolic mirror group;
The first half of the off-axis parabolic mirror group collimates the input terahertz dual comb signal and focuses it on the sample, and the second half of the mirror group collimates the signal modulated by the sample and focuses it on the zero-bias detector;
The zero-bias detector mixes the input terahertz dual comb signal into an intermediate frequency dual comb signal, amplifies the power using a power amplifier, and then samples and records the dual comb spectrum using a signal analyzer.
好ましくは、前記デュアル光コム生成モジュールは、ビームスプリッター、第1の位相変調器、第2の位相変調器、第1の無線周波数源、第2の無線周波数源、第1の同調可能光フィルタ、第2の同調可能光フィルタ、カプラー、及びエルビウム添加光ファイバ増幅器を含み、
周波数掃引レーザーによって発された連続波レーザー信号がビームスプリッターを通じて2つのビームに分割された後、それぞれ第1の無線周波数源によって駆動される第1の位相変調器及び第2の無線周波数源によって駆動される第2の位相変調器によって変調され、2つのコヒーレントな光周波数コム信号が生成され、2つのコヒーレントな光周波数コム信号が、それぞれ第1の同調可能光フィルタと第2の同調可能光フィルタを通過して、正の1次から5次までの光コムをフィルタリングしてから、カプラー及びエルビウム添加光ファイバ増幅器によって結合して増幅され、デュアル光コム信号を出力し、第1の無線周波数源と第2の無線周波数源には無線周波数の差があり、その差の範囲が100~500kHzである。
Preferably, the dual optical comb generation module includes a beam splitter, a first phase modulator, a second phase modulator, a first radio frequency source, a second radio frequency source, a first tunable optical filter, a second tunable optical filter, a coupler, and an erbium-doped optical fiber amplifier;
The continuous wave laser signal emitted by the frequency swept laser is split into two beams through a beam splitter, and then modulated by a first phase modulator driven by a first radio frequency source and a second phase modulator driven by a second radio frequency source, respectively, to generate two coherent optical frequency comb signals. The two coherent optical frequency comb signals pass through a first tunable optical filter and a second tunable optical filter, respectively, to filter out the positive first to fifth order optical combs, and then are combined and amplified by a coupler and an erbium-doped optical fiber amplifier to output a dual optical comb signal, and the first radio frequency source and the second radio frequency source have a radio frequency difference, which ranges from 100 to 500 kHz.
好ましくは、前記軸外し放物面鏡群は、順序に配列された第1の軸外し放物面鏡、第2の軸外し放物面鏡、第3の軸外し放物面鏡及び第4の軸外し放物面鏡を含み、第1の軸外し放物面鏡と第2の軸外し放物面鏡は、鏡群の前半を構成し、第3の軸外し放物面鏡と第4の軸外し放物面鏡は、鏡群の後半を構成する。 Preferably, the off-axis parabolic mirror group includes a first off-axis parabolic mirror, a second off-axis parabolic mirror, a third off-axis parabolic mirror, and a fourth off-axis parabolic mirror arranged in order, the first off-axis parabolic mirror and the second off-axis parabolic mirror constituting the first half of the mirror group, and the third off-axis parabolic mirror and the fourth off-axis parabolic mirror constituting the second half of the mirror group.
好ましくは、前記軸外し放物面鏡群の各軸外し放物面鏡の親焦点距離はいずれも50.8mmであり、反射有効焦点距離と中心オフセットはいずれも101.6mmであり、素子径は50.8mmである。 Preferably, the parent focal length of each off-axis parabolic mirror in the group of off-axis parabolic mirrors is 50.8 mm, the reflective effective focal length and center offset are both 101.6 mm, and the element diameter is 50.8 mm.
好ましくは、前記周波数掃引レーザーは、周波数掃引機能を備えた狭い線幅の外部共振器レーザーであり、
前記分布帰還型レーザーは、同調可能である。
Preferably, the frequency swept laser is a narrow linewidth external cavity laser with frequency sweep capability;
The distributed feedback laser is tunable.
好ましくは、前記テラヘルツミキサーは、単一走行キャリアフォトダイオードである。 Preferably, the terahertz mixer is a uni-traveling carrier photodiode.
好ましくは、前記カップリングビームスプリッターは、パワーが1:1のカップリングビームスプリッターである。 Preferably, the coupling beam splitter is a 1:1 power coupling beam splitter.
好ましくは、前記スペクトルアナライザは、最大150MHzの分解能を持つスペクトルアナライザである。 Preferably, the spectrum analyzer has a resolution of up to 150 MHz.
好ましくは、前記電力増幅器は、20dBの利得増幅器である。 Preferably, the power amplifier is a 20 dB gain amplifier.
上記の発明の目的を実現するために、本発明の実施例は、上記の光電子テラヘルツハイパースペクトルイメージングシステムを用いた光電子テラヘルツハイパースペクトルイメージング方法をさらに提供し、当該方法は、
サンプルを光電子テラヘルツハイパースペクトルイメージングシステムに配置し、機械式ラスタースキャン作業台を用いてサンプルをx、y方向に沿って移動させ、異なる位置でサンプルのデュアルコムスペクトルを取得するステップと、
デュアルコムスペクトル分析に基づいて、各ピクセルに対応し、複数の5次無線周波数コムスペクトルを含むうなり(ビート)のピーク値パワー配列を取得し、それにより光電子テラヘルツハイパースペクトルイメージングを実現するステップと、を含む。
In order to achieve the above object of the invention, an embodiment of the present invention further provides an optoelectronic terahertz hyperspectral imaging method using the above optoelectronic terahertz hyperspectral imaging system, the method including:
placing the sample in an optoelectronic terahertz hyperspectral imaging system and using a mechanical raster scanning stage to move the sample along x and y directions to acquire dual comb spectra of the sample at different positions;
and obtaining a beat peak power sequence corresponding to each pixel and including multiple fifth-order radio frequency comb spectra based on the dual comb spectrum analysis, thereby realizing optoelectronic terahertz hyperspectral imaging.
従来の技術と比較して、本考案の有益な効果は、少なくとも次の点を含む。
(1)本発明は、テラヘルツデュアルコム技術を周波数掃引モードに拡張し、100GHzの帯域幅内で50MHzの周波数分解能を達成し、テラヘルツハイパースペクトルイメージングの分野に適用し、これは初めての試みである。この画期的な進歩により、テラヘルツイメージングの精度と同調の自由度を高めるためのさらなる研究を推進する可能性があり、この技術を産業用途に向けて推進する可能性がある。
(2)本発明は、デュアルコムスペクトルシステムにおけるスペクトル帯域幅と周波数分解能との間の逆比例関係を打破する。周波数掃引レーザーの変調周波数と同調可能な分布帰還型レーザーのスキャン精度を調整することで、スペクトル帯域幅と周波数分解能を同時に向上させることが容易であり、広帯域高精度分光法とハイパースペクトルイメージングの研究に新たな方向をもたらす。
(3)本発明により、システムコストを削減することができる。本発明で用いられる分布帰還型レーザーは、バッチ生産が可能であり、低コストであると同時に、システムアーキテクチャがより単純であり、様々な分野での普及及び応用に寄与する。
Compared with the prior art, the beneficial effects of the present invention include at least the following:
(1) This invention extends terahertz dual-comb technology to a frequency sweep mode, achieving a frequency resolution of 50 MHz within a 100 GHz bandwidth, and applying it to the field of terahertz hyperspectral imaging for the first time. This breakthrough may encourage further research to improve the precision and tuning flexibility of terahertz imaging, potentially propelling this technology toward industrial applications.
(2) This invention breaks the inverse relationship between spectral bandwidth and frequency resolution in dual-comb spectrum systems. By adjusting the modulation frequency of the frequency-swept laser and the scanning accuracy of the tunable distributed feedback laser, it is easy to simultaneously improve spectral bandwidth and frequency resolution, bringing new directions to the research of broadband high-precision spectroscopy and hyperspectral imaging.
(3) The present invention can reduce system costs. The distributed feedback laser used in the present invention can be batch-produced, is low-cost, and has a simpler system architecture, which contributes to its widespread use and application in various fields.
本発明の実施例又は従来の技術における技術的解決手段をより明確に説明するために、実施例又は従来技術の説明に使用する必要がある図面を以下に簡単に紹介する。明らかに、以下の説明における図面は、本発明のいくつかの実施例にすぎず、当業者であれば、創造的な努力をすることなく、これらの図面に基づいて他の図面を得ることができる。 In order to more clearly explain the technical solutions in the embodiments of the present invention or the prior art, the drawings that need to be used in the description of the embodiments or the prior art are briefly introduced below. Obviously, the drawings in the following description are only some embodiments of the present invention, and those skilled in the art can derive other drawings based on these drawings without any creative efforts.
1、周波数掃引レーザー、2、分布帰還型レーザー、3、デュアル光コム生成モジュール、4、カップリングビームスプリッター、5、スペクトルアナライザ、6、調整可能な光減衰器、7、テラヘルツミキサー、8、第1の軸外し放物面鏡、9、第2の軸外し放物面鏡、10、サンプル、11、第3の軸外し放物面鏡、12、第4の軸外し放物面鏡、13、ゼロバイアス検出器、14、電力増幅器、15、信号アナライザ、31、ビームスプリッター、32、第1の位相変調器、33、第2の位相変調器、34、第1の無線周波数源、35、第2の無線周波数源、36、第1の同調可能光フィルタ、37、第2の同調可能光フィルタ、38、カプラー、39、エルビウム添加ファイバ増幅器。 1. Frequency-swept laser, 2. Distributed feedback laser, 3. Dual optical comb generation module, 4. Coupling beam splitter, 5. Spectrum analyzer, 6. Adjustable optical attenuator, 7. Terahertz mixer, 8. First off-axis parabolic mirror, 9. Second off-axis parabolic mirror, 10. Sample, 11. Third off-axis parabolic mirror, 12. Fourth off-axis parabolic mirror, 13. Zero-bias detector, 14. Power amplifier, 15. Signal analyzer, 31. Beam splitter, 32. First phase modulator, 33. Second phase modulator, 34. First radio frequency source, 35. Second radio frequency source, 36. First tunable optical filter, 37. Second tunable optical filter, 38. Coupler, 39. Erbium-doped fiber amplifier.
本発明の目的、技術的解決手段及び利点をより明確にするために、添付の図面及び実施例を参照して、以下で本発明をさらに詳細に説明する。ここで説明される具体的な実施形態は、本発明を説明するためにのみ使用され、本発明の保護範囲を限定することを意図するものではないことを理解されたい。 In order to make the objectives, technical solutions and advantages of the present invention clearer, the present invention will be described in more detail below with reference to the accompanying drawings and examples. It should be understood that the specific embodiments described herein are only used to illustrate the present invention and are not intended to limit the scope of protection of the present invention.
本発明の技術的概念は、次の通りである。本発明の実施例は、電気光学変調及び同調可能な分布帰還型レーザーを用いて実現された、周波数掃引型デュアル光コムに基づく光電子テラヘルツハイパースペクトルイメージングシステムを初めて提供する。当該システムは、デュアルコム同調の高度な柔軟性を実現するだけでなく、周波数掃引レーザーによりスペクトル範囲と周波数精度をさらに向上する。当該システムは、スペクトル帯域幅と周波数分解能の間のトレードオフ関係を打破し、270GHzの中心波長付近で50MHzのスペクトル精度と、100Ghzを超えたスペクトルカバー範囲を達成し、これは、主にゼロバイアス検出器の帯域幅によって制限され、より高い周波数とより広い帯域幅のZBDを用いることで改善できる。 The technical concept of the present invention is as follows: An embodiment of the present invention provides, for the first time, an optoelectronic terahertz hyperspectral imaging system based on a frequency-swept dual optical comb, realized using electro-optic modulation and a tunable distributed feedback laser. The system not only achieves high flexibility in dual-comb tuning, but also further improves spectral coverage and frequency accuracy through the use of frequency-swept lasers. The system breaks the trade-off between spectral bandwidth and frequency resolution, achieving 50 MHz spectral accuracy around a center wavelength of 270 GHz and spectral coverage exceeding 100 GHz, which is primarily limited by the bandwidth of the zero-bias detector and can be improved by using a higher-frequency, wider-bandwidth ZBD.
上記の技術的概念に基づいて、図1に示すように、本発明の実施例によって提供される光電子テラヘルツハイパースペクトルイメージングシステムは、周波数掃引レーザー1、分布帰還型レーザー2、デュアル光コム生成モジュール3、カップリングビームスプリッター4、スペクトルアナライザ5、調整可能な光減衰器6、テラヘルツミキサー7、軸外し放物面鏡群、ゼロバイアス検出器13、電力増幅器14、及び信号アナライザ15を含む。軸外し放物面鏡群は、第1の軸外し放物面鏡8、第2の軸外し放物面鏡9、第3の軸外し放物面鏡11、及び第4の軸外し放物面鏡12を含む。 Based on the above technical concept, as shown in FIG. 1, an optoelectronic terahertz hyperspectral imaging system provided by an embodiment of the present invention includes a frequency-swept laser 1, a distributed feedback laser 2, a dual optical comb generation module 3, a coupling beam splitter 4, a spectrum analyzer 5, an adjustable optical attenuator 6, a terahertz mixer 7, an off-axis parabolic mirror group, a zero-bias detector 13, a power amplifier 14, and a signal analyzer 15. The off-axis parabolic mirror group includes a first off-axis parabolic mirror 8, a second off-axis parabolic mirror 9, a third off-axis parabolic mirror 11, and a fourth off-axis parabolic mirror 12.
周波数掃引レーザー1は、外部共振器レーザー(ECL)を用いることができる。外部共振器レーザー(ECL)は、回折格子などの光帰還型素子を導入することで、レーザーの出力周波数を選別するとともに、線幅をMHzからKHzまで狭めることができる。外部共振器レーザーによって発された連続波(CW)光信号は、デュアル光コム生成モジュール(DCG)3に注入されて、デュアル光コム信号を生成する。 The frequency-swept laser 1 can be an external cavity laser (ECL). By incorporating an optical feedback element such as a diffraction grating, the external cavity laser (ECL) can select the laser's output frequency and narrow the linewidth from MHz to kHz. The continuous wave (CW) optical signal emitted by the external cavity laser is injected into a dual optical comb generation module (DCG) 3 to generate a dual optical comb signal.
図2に示すように、デュアル光コム生成モジュール3は、ビームスプリッター(OS)31、第1の位相変調器(PM1)32、第2の位相変調器(PM2)33、第1の無線周波数源(RF1)34、第2の無線周波数源(RF2)35、第1の同調可能光フィルタ(OBPF1)36、第2の同調可能光フィルタ(OBPF2)37、カプラー(OC)38、及びエルビウム添加光ファイバ増幅器(EDFA)39を含む。デュアル光コム生成モジュール3において、周波数掃引レーザー1によって発された連続波レーザー信号がビームスプリッター31を通じて2つのビームに分割された後、それぞれ第1の位相変調器32及び第2の位相変調器33に入力され、2つのコヒーレントな光周波数コム信号が生成され、当該光周波数コム信号の周波数間隔は、無線周波数源によって決まる。第1の位相変調器32は、第1の無線周波数源34によって発される20GHzの無線周波数信号によって駆動され、第2の位相変調器33は、第2の無線周波数源35によって発される19.9999GHzの無線周波数信号によって駆動される。この2つのRF信号はいずれも、無線周波数源によって生成され、38dB利得の電力増幅器によって増幅される。2つのコヒーレントな光周波数コム信号がそれぞれ第1の同調可能光フィルタ36及び第2の同調可能光フィルタ37を通過して、正の1次から5次までの高調波をフィルタリングした後、2つのコムをカプラー38によって一緒に結合させ、デュアル光コム信号を形成する。 2, the dual optical comb generation module 3 includes a beam splitter (OS) 31, a first phase modulator (PM1) 32, a second phase modulator (PM2) 33, a first radio frequency source (RF1) 34, a second radio frequency source (RF2) 35, a first tunable optical filter (OBPF1) 36, a second tunable optical filter (OBPF2) 37, a coupler (OC) 38, and an erbium-doped optical fiber amplifier (EDFA) 39. In the dual optical comb generation module 3, the continuous-wave laser signal emitted by the frequency-swept laser 1 is split into two beams through the beam splitter 31, which are then input to the first phase modulator 32 and the second phase modulator 33, respectively, to generate two coherent optical frequency comb signals, the frequency spacing of which is determined by the radio frequency source. The first phase modulator 32 is driven by a 20 GHz radio frequency signal emitted by a first radio frequency source 34, and the second phase modulator 33 is driven by a 19.9999 GHz radio frequency signal emitted by a second radio frequency source 35. Both RF signals are generated by the radio frequency source and amplified by a power amplifier with 38 dB gain. The two coherent optical frequency comb signals pass through a first tunable optical filter 36 and a second tunable optical filter 37, respectively, to filter out the positive first through fifth harmonics, after which the two combs are combined together by a coupler 38 to form a dual optical comb signal.
デュアル光コム信号における光コム歯の周波数間隔は、無線周波数信号の周波数に等しい。2つの無線周波数信号の周波数間にはわずかな差があるため、第1の位相変調器32と第2の位相変調器33によって生成される光コムの間にも同じ周波数差がある。電気光学変調に基づく方法は、コム歯の絶対周波数精度と同調可能なコム歯の間隔を実現し、ハイパースペクトル分解能イメージングにとって理想的なアーキテクチャを表す。次に、デュアル光コム信号は、エルビウム添加ファイバ増幅器(EDFA)39によって増幅され、分布帰還型レーザー(DFB)2によって発された別の連続レーザー信号とともにカップリングビームスプリッター4によって結合される。 The frequency spacing of the optical comb teeth in the dual optical comb signal is equal to the frequency of the radio frequency signal. Because there is a small difference between the frequencies of the two radio frequency signals, there is also the same frequency difference between the optical combs generated by the first phase modulator 32 and the second phase modulator 33. The electro-optic modulation-based method achieves absolute frequency precision and tunable comb tooth spacing, representing an ideal architecture for hyperspectral resolution imaging. The dual optical comb signal is then amplified by an erbium-doped fiber amplifier (EDFA) 39 and combined with another continuous laser signal emitted by a distributed feedback laser (DFB) 2 via a coupling beam splitter 4.
カップリングビームスプリッター4は、パワーが1:1で結合及び分割し、分割された出力信号の一部は、調整可能な光減衰器(VOA)によって光信号のパワーが制御された後、テラヘルツミキサー7に出力されて、光と電気の混合が行われ、テラヘルツデュアルコム信号が出力され、テラヘルツデュアルコム信号の周波数は、周波数掃引レーザー1と分布帰還型レーザー2の差周波数によって決まる。テラヘルツミキサー7は、単一走行キャリアフォトダイオード(UTC-PD)を用いる。残りの一部の出力信号は、スペクトルアナライザ5、具体的には、最大150MHzの分解能を持つスペクトルアナライザによってスペクトル分析される。図3(a)は、分析されたデュアルコムスペクトルを示す。 The coupling beam splitter 4 combines and splits the power at a 1:1 ratio. A portion of the split output signal is output to the terahertz mixer 7, where the optical signal power is controlled by a variable optical attenuator (VOA), and the output signal is mixed optically and electrically to produce a terahertz dual comb signal. The frequency of the terahertz dual comb signal is determined by the difference frequency between the frequency-swept laser 1 and the distributed feedback laser 2. The terahertz mixer 7 uses a uni-traveling-carrier photodiode (UTC-PD). The remaining portion of the output signal is spectrally analyzed by the spectrum analyzer 5, specifically, a spectrum analyzer with a maximum resolution of 150 MHz. Figure 3(a) shows the analyzed dual comb spectrum.
デュアルコムスペクトルでは、電気光学変調によって生成されたテラヘルツデュアルコム信号と、分布帰還型レーザー2によって生成された連続波レーザー信号がはっきりと見える。ただし、スペクトルアナライザ5の分解能(150MHz)の制限により、スペクトルでは、0.1MHzの周波数差を持つ2つの光コムを区別することは不可能である。具体的な実験中に、UTC-PDの最大の光電混合効率を確保するために、テラヘルツデュアルコム信号と連続波レーザー信号の間でパワーマッチングを実行した。UTC-PDによって発されるテラヘルツデュアルコム信号の周波数は、デュアル光コム信号と、分布帰還型レーザー2から出力される連続波レーザー信号との周波数差に等しい。分布帰還型レーザー2の波長は、温度電子制御部によりMHzの精度で柔軟に調整できるため、テラヘルツ信号の周波数は、800GHzの広いスペクトル範囲をカバーすることができる。 The dual-comb spectrum clearly shows the terahertz dual-comb signal generated by electro-optic modulation and the continuous-wave laser signal generated by the distributed feedback laser 2. However, due to the limited resolution (150 MHz) of the spectrum analyzer 5, it is impossible to distinguish the two optical combs, which have a frequency difference of 0.1 MHz, in the spectrum. During the specific experiment, power matching was performed between the terahertz dual-comb signal and the continuous-wave laser signal to ensure maximum photoelectric mixing efficiency of the UTC-PD. The frequency of the terahertz dual-comb signal emitted by the UTC-PD is equal to the frequency difference between the dual-comb signal and the continuous-wave laser signal output from the distributed feedback laser 2. The wavelength of the distributed feedback laser 2 can be flexibly adjusted with MHz accuracy using a temperature electronic control unit, allowing the terahertz signal frequency to cover a wide spectral range of 800 GHz.
UTC-PDから発された後、テラヘルツデュアルコム信号は、第1の軸外し放物面反射鏡(OPM1)8によってコリメートされ、第2軸外し放物面反射鏡(OPM2)9によってサンプル10上に集束される。テラヘルツデュアルコム信号がサンプル10に伝送されると、サンプル10によって引き起こされる振幅と位相の変化が生じ、その後、第3の軸外し放物面反射鏡(OPM3)11によって再度コリメートされ、続いて第4の軸外し放物面反射鏡(OPM3)12によって、ゼロバイアス検出器(ZBD)13に再集束され、二乗検波を実現する。ゼロバイアス検出器13では、2つのテラヘルツコム信号の同じ高調波が互いに干渉し、最終的に中間周波数デュアルコム信号にダウンコンバートされる。図3の(b)に示すように、中間周波数デュアルコム信号は、電力増幅器(EA)14によって増幅された後、信号アナライザ(FA)15によってデュアルコムスペクトルをサンプリングして記録する。電力増幅器は、20dBの利得増幅器であってもよい。 After being emitted from the UTC-PD, the terahertz dual comb signal is collimated by a first off-axis parabolic reflector (OPM1) 8 and focused onto a sample 10 by a second off-axis parabolic reflector (OPM2) 9. When the terahertz dual comb signal is transmitted to the sample 10, it experiences amplitude and phase changes induced by the sample 10. It is then recollimated by a third off-axis parabolic reflector (OPM3) 11 and subsequently refocused by a fourth off-axis parabolic reflector (OPM3) 12 onto a zero-bias detector (ZBD) 13, achieving square-law detection. In the zero-bias detector 13, the same harmonics of the two terahertz comb signals interfere with each other and are ultimately downconverted to an intermediate-frequency dual comb signal. As shown in Figure 3(b), the intermediate frequency dual comb signal is amplified by a power amplifier (EA) 14, and then the dual comb spectrum is sampled and recorded by a signal analyzer (FA) 15. The power amplifier may be a 20 dB gain amplifier.
なお、軸外し放物面鏡群における各軸外し放物面鏡の親焦点距離はいずれも50.8mmであり、反射有効焦点距離及び中心オフセットはいずれも101.6mmであり、素子径は50.8mmである。本発明は、軸外し放物面鏡のパラメータ選択を制限せず、このパラメータを構成に用いる主な理由は、減衰全反射プリズムを配置するのに十分なスペースを確保し、より小さなテラヘルツのスポット直径を実現することである。 The parent focal length of each off-axis parabolic mirror in the off-axis parabolic mirror group is 50.8 mm, the reflective effective focal length and center offset are both 101.6 mm, and the element diameter is 50.8 mm. The present invention does not limit the parameter selection of the off-axis parabolic mirror, and the main reason for using this parameter in the configuration is to ensure enough space to arrange an attenuated total reflection prism and achieve a smaller terahertz spot diameter.
この実施例は、上記の光電子テラヘルツハイパースペクトルイメージングシステムを用いた光電子テラヘルツハイパースペクトルイメージング方法をさらに提供する。具体的なイメージングでは、機械式ラスタースキャン作業台を用いてサンプル10をx、y方向に沿って移動させ、異なる位置でのサンプル10のデュアルコムスペクトルを取得し、デュアルコムスペクトル分析に基づいて、各ピクセルに対応するうなりのピーク値パワー配列を取得し、周波数間隔が自己設定された2GHzのDFBレーザースキャンとして記録し、周波数間隔を0.1~10Ghzで設定するだけでよい。上記のイメージングステップに関連して、50個の周波数ポイントを含むTHzハイパースペクトル画像キューブを取得し、ガウスフィルタを用いて正規化及びノイズ除去を行う。画像内のピクセル数は、ラスタースキャンの分解能とサンプルのサイズによって決まる。具体的には、1951年自製の4.5×5.5cmの標準分解能テストチャート上でイメージングテストを実施し、結果を図4に示す。結果から分かるように、S-DCHIは、セキュリティスクリーニング、化学物質検出、生物医学研究におけるテラヘルツハイパースペクトルイメージングシステムの将来の応用に有望なアプローチを提供した。 This example further provides a photoelectron terahertz hyperspectral imaging method using the above-described photoelectron terahertz hyperspectral imaging system. In specific imaging, a mechanical raster-scanning worktable is used to move the sample 10 along the x and y directions to acquire dual-comb spectra of the sample 10 at different positions. Based on the dual-comb spectral analysis, a beat peak power array corresponding to each pixel is obtained and recorded as a 2 GHz DFB laser scan with a self-configured frequency interval. The frequency interval can be set between 0.1 and 10 GHz. In connection with the above imaging step, a THz hyperspectral image cube containing 50 frequency points is acquired, and normalization and noise removal are performed using a Gaussian filter. The number of pixels in the image depends on the raster-scan resolution and the size of the sample. Specifically, an imaging test was conducted on a 4.5 x 5.5 cm standard resolution test chart made in 1951. The results are shown in Figure 4. As can be seen from the results, S-DCHI provides a promising approach for future applications of terahertz hyperspectral imaging systems in security screening, chemical substance detection, and biomedical research.
以上、同調可能な分布帰還型レーザーは、電気光学デュアルコムと光混合して周波数掃引テラヘルツデュアルコム信号を生成し、ラスタースキャンによって物体のポイントバイポイントのイメージングを実現し、周波数掃引デュアルコムが、デュアルコムシステムにおけるスペクトル帯域幅と周波数分解能の間のトレードオフ関係を打破し、220~320GHzのスペクトル帯域幅で50MHzの周波数分解能を実現する。走査型デュアルコムテラヘルツイメージングは、室温でのデータ取得速度が速く、スペクトル同調範囲がより柔軟で、周波数分解能がより高くなり、システムは柔軟で構成可能で、構造がシンプルで、検出効率が高い。 As described above, a tunable distributed feedback laser is optically mixed with an electro-optical dual comb to generate a frequency-swept terahertz dual comb signal, enabling point-by-point imaging of an object through raster scanning. The frequency-swept dual comb breaks the trade-off between spectral bandwidth and frequency resolution in dual comb systems, achieving a frequency resolution of 50 MHz over a spectral bandwidth of 220-320 GHz. Scanning dual comb terahertz imaging offers faster data acquisition speeds at room temperature, a more flexible spectral tuning range, and higher frequency resolution. The system is flexible and configurable, has a simple structure, and high detection efficiency.
上述の具体的な実施形態は、本発明の技術的解決手段及び有益な効果を詳細に説明するものであるが、上記は本発明の最も好ましい実施例にすぎず、本発明を限定するものではなく、本発明の原理の範囲内で行われるあらゆる修正、追加、等価置換などは、本発明の保護範囲に含まれるものとする。 The above-mentioned specific embodiments illustrate in detail the technical solutions and beneficial effects of the present invention, but the above are merely the most preferred embodiments of the present invention and do not limit the present invention. Any modifications, additions, equivalent substitutions, etc. made within the scope of the principles of the present invention shall be included in the protection scope of the present invention.
Claims (10)
周波数掃引レーザー、分布帰還型レーザー、デュアル光コム生成モジュール、カップリングビームスプリッター、スペクトルアナライザ、調整可能な光減衰器、テラヘルツミキサー、軸外し放物面鏡群、ゼロバイアス検出器、電力増幅器、及び信号アナライザとを含み、
前記周波数掃引レーザーによって発された連続波レーザー信号は、デュアル光コム生成モジュールに注入されて、デュアル光コム信号を生成し、
前記分布帰還型レーザーから発された同調可能レーザー信号とデュアル光コム信号は、カップリングビームスプリッターによって結合されて2つの出力信号を形成し、一方の出力信号に対してスペクトルアナライザを介してスペクトル分析を行い、他方の出力信号に対して、調整可能な光減衰器を介して光信号のパワーを制御した後、テラヘルツミキサーに出力し、テラヘルツミキサーでは、光と電気の混合を行って、光混合したテラヘルツデュアルコム信号を生成して、軸外し放物面鏡群に入力し、
前記軸外し放物面鏡群の前半は、入力されたテラヘルツデュアルコム信号をコリメートしてサンプルに収束し、鏡群の後半は、サンプルによって変調された信号をコリメートしてゼロバイアス検出器に収束し、
前記ゼロバイアス検出器は、入力されたテラヘルツデュアルコム信号を中間周波数デュアルコム信号に混合し、電力増幅器によってパワーを増幅した後、信号アナライザによってデュアルコムスペクトルをサンプリングして記録する、ことを特徴とする周波数掃引型デュアル光コムに基づく光電子テラヘルツハイパースペクトルイメージングシステム。 1. A frequency-swept dual optical comb-based optoelectronic terahertz hyperspectral imaging system, comprising:
The present invention includes a frequency swept laser, a distributed feedback laser, a dual optical comb generation module, a coupling beam splitter, a spectrum analyzer, an adjustable optical attenuator, a terahertz mixer, an off-axis parabolic mirror group, a zero bias detector, a power amplifier, and a signal analyzer.
The continuous wave laser signal emitted by the frequency swept laser is injected into a dual optical comb generation module to generate a dual optical comb signal;
The tunable laser signal and the dual optical comb signal emitted from the distributed feedback laser are combined by a coupling beam splitter to form two output signals, one of which is subjected to spectrum analysis through a spectrum analyzer, and the other is subjected to optical signal power control through an adjustable optical attenuator, and then output to a terahertz mixer, which mixes light and electricity to generate an optically mixed terahertz dual comb signal, which is input to an off-axis parabolic mirror group;
The first half of the off-axis parabolic mirror group collimates the input terahertz dual comb signal and focuses it on the sample, and the second half of the mirror group collimates the signal modulated by the sample and focuses it on the zero-bias detector;
The zero-bias detector mixes the input terahertz dual comb signal into an intermediate frequency dual comb signal, amplifies the power of the signal using a power amplifier, and then samples and records the dual comb spectrum using a signal analyzer.
周波数掃引レーザーによって発された連続波レーザー信号がビームスプリッターを通じて2つのビームに分割された後、それぞれ第1の無線周波数源によって駆動される第1の位相変調器及び第2の無線周波数源によって駆動される第2の位相変調器によって変調され、2つのコヒーレントな光周波数コム信号が生成され、2つのコヒーレントな光周波数コム信号が、それぞれ第1の同調可能光フィルタと第2の同調可能光フィルタを通過して、正の1次から5次までの光コムをフィルタリングしてから、カプラー及びエルビウム添加光ファイバ増幅器によって結合して増幅され、デュアル光コム信号を出力し、第1の無線周波数源と第2の無線周波数源には無線周波数の差があり、その差の範囲が100~500kHzである、ことを特徴とする請求項1に記載の周波数掃引型デュアル光コムに基づく光電子テラヘルツハイパースペクトルイメージングシステム。 the dual optical comb generation module includes a beam splitter, a first phase modulator, a second phase modulator, a first radio frequency source, a second radio frequency source, a first tunable optical filter, a second tunable optical filter, a coupler, and an erbium-doped optical fiber amplifier;
2. The frequency-swept dual optical comb-based optoelectronic terahertz hyperspectral imaging system of claim 1, wherein the continuous-wave laser signal emitted by the frequency-swept laser is split into two beams through a beam splitter, and then modulated by a first phase modulator driven by a first radio frequency source and a second phase modulator driven by a second radio frequency source, respectively, to generate two coherent optical frequency comb signals. The two coherent optical frequency comb signals pass through a first tunable optical filter and a second tunable optical filter, respectively, to filter out the positive first to fifth order optical combs, and are then combined and amplified by a coupler and an erbium-doped optical fiber amplifier to output a dual optical comb signal. The first and second radio frequency sources have a radio frequency difference ranging from 100 kHz to 500 kHz.
前記分布帰還型レーザーは、同調可能である、ことを特徴とする請求項1に記載の周波数掃引型デュアル光コムに基づく光電子テラヘルツハイパースペクトルイメージングシステム。 the frequency swept laser is a narrow linewidth external cavity laser with frequency sweep capability;
The frequency-swept dual optical comb-based optoelectronic terahertz hyperspectral imaging system of claim 1 , wherein the distributed feedback laser is tunable.
サンプルを光電子テラヘルツハイパースペクトルイメージングシステムに配置して、機械式ラスタースキャン作業台を用いてサンプルをx、y方向に沿って移動し、異なる位置でのサンプルの周波数掃引デュアルコムスペクトルを取得するステップと、
デュアルコムスペクトル分析に基づいて、各ピクセルに対応し、複数の5次無線周波数コムスペクトルを含むうなりのピーク値パワー配列を取得し、それにより光電子テラヘルツハイパースペクトルイメージングを実現するステップとを含む、ことを特徴とする光電子テラヘルツハイパースペクトルイメージング方法。 10. An optoelectronic terahertz hyperspectral imaging method using an optoelectronic terahertz hyperspectral imaging system according to any one of claims 1 to 9, the method comprising:
placing the sample in an optoelectronic terahertz hyperspectral imaging system and moving the sample along x and y directions using a mechanical raster scanning stage to acquire frequency-swept dual-comb spectra of the sample at different positions;
and obtaining a beat peak power array corresponding to each pixel and including a plurality of fifth-order radio frequency comb spectra based on the dual comb spectrum analysis, thereby realizing photonic terahertz hyperspectral imaging.
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