[发明专利]用于成像和材料分析的激光器系统

说明书

技术领域

本发明涉及用于材料分析和成像的基于激光的方法和系统。

背景技术

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THz TDS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THz TDS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，THz TDS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THz QCL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。

本发明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。

发明内容

根据本发明的第一方面，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，以得到目标的折射率(n)和消光系数(k)。

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，在本发明优选实施例中，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。

在本发明优选实施例中，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。

在本发明的替换实施例中，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。