Large plage dynamique et réelle

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 12743 (2023) Citer cet article

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Dans cette étude, nous proposons une technique d'identification et d'imagerie des réactifs par blindage sur une large plage dynamique à l'aide d'un système de spectroscopie térahertz (THz) en temps réel avec génération/détection paramétrique THz multi-longueurs d'onde et apprentissage automatique. Pour identifier rapidement les réactifs grâce au blindage, les informations spectrales du « faisceau Stokes de détection » sont utilisées pour la reconnaissance des réactifs via l'apprentissage automatique. Dans l'identification générale des réactifs basée sur les ondes THz, les spectres continus sont acquis et analysés quantitativement par post-traitement. Cependant, dans les applications réelles, telles que le dépistage des drogues illicites par courrier, la technologie doit être capable d'identifier rapidement les réactifs plutôt que de quantifier la quantité présente. Dans la génération/détection paramétrique THz multi-longueurs d'onde, les informations spectrales THz peuvent être mesurées instantanément à l'aide d'un « faisceau Stokes de détection multi-longueurs d'onde » et d'une caméra proche infrarouge (NIR). De plus, l’apprentissage automatique permet l’identification des réactifs en temps réel et sur une large plage dynamique. De plus, en traçant les résultats d’identification sous forme de valeurs de pixels, la distribution spatiale des réactifs peut être imagée à grande vitesse sans nécessiter de post-traitement.

Étant donné que les ondes térahertz (THz) possèdent à la fois le spectre d'empreintes digitales des réactifs et la transparence des matériaux, elles devraient être particulièrement utiles pour l'identification d'objets cachés (par exemple, tests de drogues illicites ou d'explosifs cachés dans le courrier)1,2,3. Cependant, comme la transparence des ondes THz n’est pas très élevée, un spectromètre en temps réel4,5 avec une plage dynamique élevée est nécessaire. Il est également essentiel que les performances spectroscopiques ne soient pas affectées par la diffusion des ondes THz par le blindage.

Les méthodes proposées pour la mesure en temps réel incluent l'utilisation d'une source à fréquence unique6,7,8, la spectroscopie dans le domaine temporel THz (THz-TDS)9,10,11 et la spectroscopie injectée à commutation rapide multi-longueurs d'onde. Génération paramétrique THz12,13,14,15,16.

Nos recherches se sont concentrées sur le développement de spectromètres THz, principalement basés sur le générateur paramétrique THz à injection (is-TPG)16,17. L'is-TPG étant une source accordable en longueur d'onde, le temps de mesure augmente avec le nombre de longueurs d'onde impliquées. De plus, l’imagerie spectroscopique nécessite plusieurs heures de mesure, ainsi qu’un post-traitement des images obtenues. Par conséquent, il existe un besoin en spectroscopie ponctuelle et en identification en temps réel, capables de réduire considérablement le temps de mesure. Nous avons proposé un système is-TPG de génération/détection à plusieurs longueurs d'onde et avons réussi à obtenir des spectres en une seule fois ; cependant, l’identification automatique en temps réel n’a pas encore été réalisée. Par conséquent, dans cette étude, nous avons appliqué l’apprentissage automatique18 pour l’identification des spectres obtenus en une seule fois. L'objectif était de concevoir un système pratique permettant d'identifier rapidement les réactifs, même à travers des écrans épais avec des taux d'atténuation de - 60 dB. De plus, en utilisant ce système pour l’imagerie spectroscopique, les informations de chaque pixel peuvent être identifiées instantanément, permettant de déterminer la répartition spatiale des réactifs dans une zone de 40 × 40 mm2 en quelques dizaines de secondes.

Un aperçu d'un système de spectroscopie THz utilisant un is-TPG est présenté sur la figure 1. Lorsque les faisceaux germes à plusieurs longueurs d'onde sont injectés dans le cristal avec le faisceau de pompe, des ondes THz à plusieurs longueurs d'onde sont générées . La détection paramétrique THz19 est également possible via la séquence de génération inverse, dans laquelle des ondes multi-THz sont utilisées comme faisceaux de départ, et des « faisceaux Stokes de détection » NIR sont générés puis capturés par une caméra. Les angles de génération des faisceaux Stokes de détection sont déterminés par les ondes THz détectées selon la condition d'adaptation de phase non colinéaire. Par conséquent, la spectroscopie ponctuelle est obtenue en convertissant les angles de génération des faisceaux Stokes de détection en fréquences d’ondes THz. Puisqu'une fréquence peut être sélectionnée pour éviter la ligne d'absorption de la vapeur d'eau dans la génération multi-longueurs d'onde, la purge avec de l'air sec n'est pas effectuée.