넓은 다이내믹 레인지와 실제

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 12743(2023) 이 기사 인용

287 액세스

측정항목 세부정보

본 연구에서는 다파장 THz 파라메트릭 생성/검출 및 기계 학습을 갖춘 실시간 테라헤르츠(THz) 분광 시스템을 사용하여 넓은 동적 범위에 대한 차폐를 통해 시약을 식별하고 이미징하는 기술을 제안합니다. 차폐를 통해 시약을 신속하게 식별하기 위해 "검출 스톡스 빔"의 스펙트럼 정보를 기계 학습을 통한 시약 인식에 사용합니다. 일반적인 THz 파 기반 시약 식별에서는 후처리를 통해 연속 스펙트럼을 획득하고 정량적으로 분석합니다. 그러나 우편으로 배송된 불법 약물 테스트와 같은 실제 응용 분야에서는 기술이 존재하는 양을 정량화하는 것이 아니라 시약을 신속하게 식별할 수 있어야 합니다. 다중 파장 THz 파라메트릭 생성/검출에서 THz 스펙트럼 정보는 "다중 파장 검출 스톡스 빔" 및 근적외선(NIR) 카메라를 사용하여 즉시 측정할 수 있습니다. 또한, 기계 학습을 통해 실시간으로 넓은 동적 범위에서 시약을 식별할 수 있습니다. 또한 식별 결과를 픽셀 값으로 표시함으로써 후처리 없이 시약의 공간적 분포를 고속으로 이미지화할 수 있습니다.

테라헤르츠(THz) 파는 시약의 지문 스펙트럼과 물질 투명성을 모두 갖고 있기 때문에 숨겨진 물건을 식별하는 데 특히 유용할 것으로 예상됩니다(예: 우편물에 숨겨진 불법 약물이나 폭발물 테스트)1,2,3. 그러나 THz파의 투명도는 그다지 높지 않기 때문에 동적 범위가 높은 실시간 분광계4,5가 필요합니다. 분광 성능이 차폐에 의한 THz파 산란에 영향을 받지 않는 것도 중요합니다.

실시간 측정을 위해 제안된 방법에는 단일 주파수 소스6,7,8, THz 시간 영역 분광법(THz-TDS)9,10,11 및 다중 파장 고속 스위칭 주입 시드 사용이 포함됩니다. THz 매개변수 생성12,13,14,15,16.

우리의 연구는 주로 주입 시드 THz 매개변수 생성기(is-TPG)를 기반으로 하는 THz 분광기 개발에 중점을 두었습니다. is-TPG는 파장 조정이 가능한 소스이기 때문에 관련된 파장의 수에 따라 측정 시간이 늘어납니다. 또한 분광 이미징에는 몇 시간의 측정과 획득된 이미지의 후처리가 필요합니다. 따라서 측정 시간을 획기적으로 단축할 수 있는 One-Shot 분광법과 실시간 식별이 필요합니다. 우리는 다중 파장 생성/검출 is-TPG 시스템을 제안하고 한 번에 스펙트럼을 성공적으로 얻었습니다. 그러나 실시간 자동 식별은 아직 구현되지 않았습니다. 따라서 본 연구에서는 한 번에 얻은 스펙트럼을 식별하기 위해 기계 학습18을 적용했습니다. 목표는 감쇠율이 -60dB인 두꺼운 차폐물을 통해서도 시약을 신속하게 식별할 수 있는 실용적인 시스템을 고안하는 것이었습니다. 또한 이 시스템을 분광 이미징에 사용하면 각 픽셀의 정보를 즉시 식별할 수 있어 수십 초 내에 40 x 40 mm2 영역에서 시약의 공간적 분포를 확인할 수 있습니다.

is-TPG를 사용하는 THz 분광 시스템의 개요가 그림 1에 나와 있습니다. 다중 파장 시드 빔이 펌프 빔과 함께 결정에 주입되면 다중 파장 THz 파가 생성됩니다. THz 매개변수 감지19는 다중 THz파가 시드 빔으로 사용되고 NIR "감지 스톡스 빔"이 생성된 후 카메라로 캡처되는 역 생성 시퀀스를 통해 가능합니다. 검출 스톡스 빔의 생성 각도는 비공선형 위상 정합 조건에 따라 검출된 THz파에 의해 결정됩니다. 따라서 원샷 분광법은 검출 스톡스 빔의 생성 각도를 THz 파 주파수로 변환하여 달성됩니다. 다파장 발생시 수증기의 흡수선을 피하는 주파수를 선택할 수 있으므로 건조공기에 의한 퍼지는 하지 않습니다.