KR20190004689A - 테라헤르츠 이미지의 고 콘트라스트 근실시간 획득을 위한 시스템 및 방법 - Google Patents
테라헤르츠 이미지의 고 콘트라스트 근실시간 획득을 위한 시스템 및 방법 Download PDFInfo
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Abstract
연속파 테라헤르츠 이미지 빔은 비선형 광학 프로세스(예를 들어, 근 IR 연속파 상향변환 빔에 의한 합-주파수 또는 차-주파수 발생)에 의해 상향변환된다. 상향변환된 이미지는 근 IR 이미지 검출기에 의해 획득된다. 테라헤르츠 이미지 빔과 상향변환 빔의 대역폭과 중심 파장은, 파장 필터링을 사용하여 상향변환 빔을 차단하거나 실질적으로 감쇠시키면서 상향변환된 이미지 빔이 검출기에 도달할 수 있도록 한다.
Description
우선권 주장
본원은, Vladimir G. Kozlov와 Patrick F. Tekavec이 2016년 6월 3일자로 출원한 미국 정규출원번호 제15/173,504호의 우선권을 주장한다. 상기 출원은, 그 전체 내용이 본원에 개시된 것처럼 본원에 참고로 원용된다.
본 발명은 테라헤르츠 주파수 방사를 이용한 이미징에 관한 것이다. 구체적으로, 테라헤르츠 이미지의 고 콘트라스트 근실시간 획득을 위한 시스템 및 방법을 개시한다.
테라헤르츠 주파수 방사를 이용한 생성, 검출, 또는 이미징을 위한 다수의 시스템 및 방법이 기존에 개시되었다. 이들 중 일부는 아래와 같다.
- Nuss의 1997년 4월 22일에 발행된 "Method and apparatus for terahertz imaging"이라는 명칭의 미국 특허번호 제5,623,145호(Lucent Technologies Inc.);
- Nuss의 1998년 1월 20일에 발행된 "Method and apparatus for terahertz imaging"이라는 명칭의 미국 특허번호 제5,710,430호(Lucent Technologies Inc.);
- Nuss의 1998년 8월 4일에 발행된 "Optical system employing terahertz radiation"이라는 명칭의 미국특허번호 제5,789,750호(Lucent Technologies Inc.);
- Brener 등의 1997년 8월 18일에 발행된 "Near field terahertz imaging"이라는 명칭의 미국특허번호 제5,894,125호(Lucent Technologies Inc.);
- Jacobsen 등의 1999년 8월 17일에 발행된 "Systems and methods for processing and analyzing terahertz waveforms"이라는 명칭의 미국특허번호 제5,939,721호(Lucent Technologies Inc.);
- Zhang 등의 1999년 9월 14일에 발행된 "Electro-optical sensing apparatus and method for characterizing free-space electromagnetic radiation"이라는 명칭의 미국특허번호 제5,952,721호(Rensselaer Polytechnic Institute);
- Mittleman 등의 2000년 6월 20일에 발행된 "Method and apparatus for terahertz tomographic imaging"이라는 명칭의 미국특허번호 제6,078,047호(Lucent Technologies Inc.);
- Zhang 등의 2002년 7월 2일에 발행된 "electro-optic/magneto-optic measurement of electromagnetic radiation using chirped optical pulse"이라는 명칭의 미국특허번호 제6,414,473호(Rensselaer Polytechnic Institute);
- Ferguson 등의 이름으로 2003년 5월 22일에 공개된 "Method and system for performing three-dimensional terahertz imaging on an object"이라는 명칭의 국제 공개번호 WO2003/042670(Rensselaer Polytechnic Institute);
- Hayes 등의 2007년 9월 18일에 발행된 "Highly efficient waveguide pulsed THz electromagnetic radiation source and group-matched waveguide THz electromagnetic radiation source"이라는 명칭의 미국특허번호 제7,272,158호;
- Vodopyanov 등의 2008년 3월 4일에 발행된 "Generation of terahertz radiation in orientation-patterned semiconductors"이라는 명칭의 미국특허번호 제7,339,718호(Microtech Instruments, Oregon State University, Stanford University);
- Vodopyanov 등의 2008년 3월 25일에 발행된 "Terahertz radiation generation and methods therefor"이라는 명칭의 미국특허번호 제7,349,609호;
- Moeller의 2011년 4월 19일에 발행된 "Inexpensive Terahertz Pulse Wave Generator"이라는 명칭의 미국특허번호 제7,929,580호(Alcatel-Lucent USA Inc.);
- Kozlov 등의 2011년 10월 11일에 발행된 "Terahertz tunable sources, spectrometers, and imaging systems"이라는 명칭의 미국특허번호 제8,035,083호(Microtech Instruments Inc.);
- Khan 등의 이름으로 2012년 1월 12일에 공개된 "Terahertz sensing system and method"이라는 명칭의 미국특허출원 공개번호 제2012/0008140호(Massachusetts Institute of Technology; 현재는 2013년 8월 20일자로 발행된 특허번호 제8,514,393호);
- Kozlov 등의 2013년 12월 3일에 발행된 "Alignment and optimization of a synchronously pumped optical parametric oscillator for nonlinear optical generation"이라는 명칭의 미국특허번호 제8,599,474호(Microtech Instruments);
- Kozlov 등의 2013년 12월 3일에 발행된 "Alignment and optimization of a synchronously pumped optical parametric oscillator for nonlinear optical generation"이라는 명칭의 미국특허번호 제8,599,475호(Microtech Instruments);
- Kozlov 등의 2013년 12월 3일에 발행된 "Alignment and optimization of a synchronously pumped optical parametric oscillator for nonlinear optical generation"이라는 명칭의 미국특허번호 제8,599,476호(Microtech Instruments);
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- Vodopyanov 등의 "Resonantly-enhanced THz-wave generation via multispectral mixing inside a ring-cavity optical parametric oscillator"; Conference on Lasers and Electro-Optics, Paper No. CTuG1 (2009);
- Pedersen 등의 "Enhanced 2D-image upconversion using solid-state lasers"; Optics Express Vol. 17 No. 23 p. 20885 (2009);
- Hurlbut 등의 "THz-wave generation inside a high-finesse ring-cavity OPO pumped by a fiber laser"; Conference on Lasers and Electro-Optics, Paper No. CWF3 (2010);
- Tekavec 등의 "Efficient high-power tunable terahertz sources based on intracavity difference frequency generation"; Paper No. IRMMW-THz in 36th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (2011);
- Tekavec 등의 "Terahertz generation from quasi-phase matched gallium arsenide using a type II ring cavity optical parametric oscillator"; Proc. SPIE 8261, Terahertz Technology and Applications V, 82610V; doi:10.1117/12.909529 (2012);
- Clerici 등의 "CCD-based imaging and 3D space-time mapping of terahertz fields via Kerr frequency conversion"; Optics Letters Vol. 38 No. 11 p. 1899 (June 1, 2013);
- Fan 등의 "Room temperature terahertz wave imaging at 60 fps by frequency up-conversion in DAST crystal"; Proc. SPIE 8964, Nonlinear Frequency Generation and Conversion: Materials, Devices, and Applications XIII, 89640B (February 20, 2014); doi:10.1117/12.2038685;
- Fan 등의 "Real-time terahertz wave imaging by nonlinear optical frequency up-conversion in a 4-dimethylamino-N′-methyl-4'-stilbazolium tosylate crystal"; Applied Physics Letters, 104, 101106 (2014); doi:10.1063/1.4868134; 및
- Tekavec 등의 "Video Rate 3D THz tomography': post-deadline paper, Conference on Lasers and Electro-optics (June 8-13, 2014, San Jose, California); 본원에 전체적으로 개시된 바와 같이 참고로 원용된다.
테라헤르츠 이미지 빔은, 비선형 광학 프로세스(예를 들어, 가시광선 또는 근적외선 상향변환 빔을 이용한 합 주파수 또는 차 주파수 발생)에 의해 상향변환된다. 상향변환된 이미지는 가시광선 또는 근적외선 이미지 검출기에 의해 수집된다. 테라헤르츠 이미지 빔과 상향변환 빔은 연속파(cw) 빔을 포함한다. 테라헤르츠 이미지 빔과 상향변환 빔의 대역폭과 중심 파장은, 파장 필터링을 사용하여 상향변환 빔을 차단하거나 실질적으로 감쇠시키면서 상향변환된 이미지 빔이 검출기에 도달할 수 있도록 한다.
테라헤르츠 이미지의 상향변환 및 상향변환된 이미지의 검출에 관한 목적 및 이점은, 도면에 도시되고 다음에 따르는 설명에 개시된 예시적인 실시예들을 참조함으로써 명백해질 수 있다.
이 개요는, 이하의 상세한 설명에서 더 설명되는 간략화된 형태의 개념의 선택을 도입하도록 제공된 것이다. 이 개요는, 공개되거나 청구되는 주제의 주요 특징이나 필수 특징을 식별하고자 하는 것이 아니며, 청구되는 주제의 범위를 결정하는 데 도움을 주고자 하는 것도 아니다.
도 1은 상향변환된 테라헤르츠 이미지를 획득하기 위한 장치의 제1 예를 개략적으로 도시한다.
도 2는 상향변환된 테라헤르츠 이미지를 획득하기 위한 장치의 제2 예를 개략적으로 도시한다.
도 3a 내지 도 3d 및 도 3f는 상향변환 광 빔 및 상향변환된 테라헤르츠 이미지 빔의 스펙트럼의 예들로서, (i) 양측 빔은 펨토초 펄스의 트레인을 포함하고(도 3a), (ii) 테라헤르츠 이미징 빔은 cw 빔이고, 상향변환 빔은 나노초 펄스의 트레인이고(도 3b), (iii) 양측 빔은 연속파(cw) 빔을 포함하거나(도 3b 및 도 3f), (iv) 양측 빔은 최대 편광 또는 파장 기반 필터링 전의 피코초 펄스의 트레인을 포함하고(도 3c 및 도 3d), 도 3e는 피코초 펄스를 사용하여 상향변환된 테라헤르츠 이미지 빔과 잔류 상향변환 광 빔의 편광 및 파장 필터링된 스펙트럼의 일례이다.
도 4는, 나노초, 피코초, 또는 펨토초 펄스의 트레인, 또는 연속파(cw) 빔을 사용하여 테라헤르츠 이미지를 획득하기 위한 여러 기술의 추정된 신호 강도를 비교하는 표이다.
도 5는, 샘플로부터 반사되고 cw 상향변환 빔에 의해 상향변환된 cw 테라헤르츠 이미징 빔의 예시적인 배치를 개략적으로 도시한다.
도 6a 내지 6c는 3개의 테스트 객체의 가시적 이미지이며, 도 7a 내지 도 7c는 투과 중에 이들 객체의 미처리 상향변환된 테라헤르츠 이미지이고, 도 8a 내지 도 8c는 투과되는 이들 객체의 정규화되고 상향변환된 테라헤르츠 이미지이다.
도 9a 내지 9c는 3개의 다른 테스트 객체의 가시적 이미지이며, 도 10a 내지 도 10c는 투과 중에 이들 객체의 미처리 상향변환된 테라헤르츠 이미지이고, 도 11a 내지 도 11c는 투과 중에 이들 객체의 정규화되고 상향변환된 테라헤르츠 이미지이다.
도 12는 cw 테라헤르츠 이미징 빔과 cw 상향변환 빔을 사용하여 상향변환된 테라헤르츠 이미지를 획득하기 위한 장치의 다른 일례를 개략적으로 도시한다.
도시된 실시예들은 단지 개략적으로 도시된 것이며, 모든 특징이 완전히 상세하게 또는 적절한 비율로 도시되지 않을 수 있으며, 일부 특징 또는 구조는 명료함을 위해 다른 것들에 비해 과장될 수 있으며 도면은 축척대로 그려진 것으로서 간주해서는 안 된다. 도시된 실시예들은, 예일 뿐이며, 본 개시 내용 또는 첨부된 청구범위의 범주를 한정하는 것으로서 해석해서는 안 된다.
도 2는 상향변환된 테라헤르츠 이미지를 획득하기 위한 장치의 제2 예를 개략적으로 도시한다.
도 3a 내지 도 3d 및 도 3f는 상향변환 광 빔 및 상향변환된 테라헤르츠 이미지 빔의 스펙트럼의 예들로서, (i) 양측 빔은 펨토초 펄스의 트레인을 포함하고(도 3a), (ii) 테라헤르츠 이미징 빔은 cw 빔이고, 상향변환 빔은 나노초 펄스의 트레인이고(도 3b), (iii) 양측 빔은 연속파(cw) 빔을 포함하거나(도 3b 및 도 3f), (iv) 양측 빔은 최대 편광 또는 파장 기반 필터링 전의 피코초 펄스의 트레인을 포함하고(도 3c 및 도 3d), 도 3e는 피코초 펄스를 사용하여 상향변환된 테라헤르츠 이미지 빔과 잔류 상향변환 광 빔의 편광 및 파장 필터링된 스펙트럼의 일례이다.
도 4는, 나노초, 피코초, 또는 펨토초 펄스의 트레인, 또는 연속파(cw) 빔을 사용하여 테라헤르츠 이미지를 획득하기 위한 여러 기술의 추정된 신호 강도를 비교하는 표이다.
도 5는, 샘플로부터 반사되고 cw 상향변환 빔에 의해 상향변환된 cw 테라헤르츠 이미징 빔의 예시적인 배치를 개략적으로 도시한다.
도 6a 내지 6c는 3개의 테스트 객체의 가시적 이미지이며, 도 7a 내지 도 7c는 투과 중에 이들 객체의 미처리 상향변환된 테라헤르츠 이미지이고, 도 8a 내지 도 8c는 투과되는 이들 객체의 정규화되고 상향변환된 테라헤르츠 이미지이다.
도 9a 내지 9c는 3개의 다른 테스트 객체의 가시적 이미지이며, 도 10a 내지 도 10c는 투과 중에 이들 객체의 미처리 상향변환된 테라헤르츠 이미지이고, 도 11a 내지 도 11c는 투과 중에 이들 객체의 정규화되고 상향변환된 테라헤르츠 이미지이다.
도 12는 cw 테라헤르츠 이미징 빔과 cw 상향변환 빔을 사용하여 상향변환된 테라헤르츠 이미지를 획득하기 위한 장치의 다른 일례를 개략적으로 도시한다.
도시된 실시예들은 단지 개략적으로 도시된 것이며, 모든 특징이 완전히 상세하게 또는 적절한 비율로 도시되지 않을 수 있으며, 일부 특징 또는 구조는 명료함을 위해 다른 것들에 비해 과장될 수 있으며 도면은 축척대로 그려진 것으로서 간주해서는 안 된다. 도시된 실시예들은, 예일 뿐이며, 본 개시 내용 또는 첨부된 청구범위의 범주를 한정하는 것으로서 해석해서는 안 된다.
본원에서 개시하는 주제는, (i) Vladimir G. Kozlov 및 Patrick F. Tekavec이 2014년 12월 4일에 출원한 미국 정규특허출원번호 제14/561,141호(이제는 미국 특허번호 제9,377,362호임), (ii) Vladimir G. Kozlov 및 Patrick F. Tekavec이 2013년 12월 4일에 출원한 미국 가특허출원번호 제61/912,004호, 및 (iii) Vladimir G. Kozlov 및 Patrick F. Tekavec이 2014년 6월 4일에 출원한 미국 가특허출원번호 제62/007,904호의 주제에 관한 것일 수 있다. 상기 출원들의 각각의 전문은 본 개시에 완전히 전개되듯이 본원에 참고로 원용된다.
본 개시 내용 및 첨부된 청구범위에 대하여, 그리고 본원에서 열거되는 임의의 인용된 또는 원용된 참조 문헌에서의 사용과 상관없이, ＂연속파" 및 "cw"라는 용어는, "모드동기화된"(modelocked)이라는 용어가 후속하지 않는 경우, 평균 전력과 피크 전력이 서로 실질적으로 동일한 광 빔 또는 테라헤르츠 빔을 나타낸다. 즉, 연속파 또는 cw 빔은, 평균 전력보다 (흔히 자릿수가 큰) 높은 피크 전력을 갖는 펄스의 트레인을 포함하지 않는다. 역으로, ＂연속파 모드동기화된" 및 "cw 모드동기화된"이라는 용어는, 평균 전력보다 높은 피크 전력을 가지며 통상적으로 광학 공진기 캐비티의 왕복 시간에 해당하는 펄스 반복률을 갖는 펄스 트레인을 포함하는 광 빔 또는 테라헤르츠 빔을 나타낸다.
전자기 스펙트럼의 테라헤르츠(THz)파 영역(즉, 약 0.05THz 내지 약 10THz)은, 마이크로파와 장파 적외선 스펙트럼 영역들 사이의 상대적 저 개발 스펙트럼 "갭"으로서, 몇 가지 이유로 인해 흥미롭다. 많은 생물학적 및 화학적 화합물은, 이 스펙트럼 영역에서 고유한 흡수 특성을 가지므로, 테라헤르츠 방사선을 국방, 보안, 생체의학, 및 산업 환경에서의 이미징에 적합하게 한다. 테라헤르츠 방사선은, 감쇠가 거의 없는 광학, 자외선, 또는 적외선 방사선에 대하여 불투명한 많은 물질(예를 들어, 세라믹, 패브릭, 건식 유기 물질, 플라스틱, 종이, 또는 다양한 포장 물질)을 거의 또는 전혀 감쇠시키지 않고 통과할 수 있다. 테라헤르츠 방사를 이용한 이미징은, 서브밀리미터 공간 해상도를 가능하게 하여, 잠재적으로 더 긴 파장(예를 들어, 밀리미터파 사용)에서 취득되는 이미지보다 높은 품질의 이미지를 제공할 수 있다.
테라헤르츠 주파수에서 이미지를 직접 획득하거나 검출하는 것은, 통상적으로 적절한 검출기(예를 들어, 볼로미터, 골레이 셀, 또는 마이크로볼로미터 어레이)의 저 감도 또는 저 공간 해상도에 의해, 단일 채널 검출기가 사용되는 경우에는 2차원 이미지를 취득하도록 래스터 스캐닝의 필요에 의해, 또는 볼로메트릭 검출기 또는 어레이의 극저온 냉각의 필요에 의해 방해받는다. 실온에서 동작할 수 있는 높은 공간 해상도를 갖는 민감한 2차원 검출기 어레이(예를 들어, CCD 어레이, CMOS 어레이, 또는 InGaAs 어레이)는, 전자기 스펙트럼의 가시광선 및 근적외선(근 IR) 부분(즉, 약 400nm 내지 약 3000nm의 파장)에서 이미지를 검출하도록 쉽게 이용가능하며, 이러한 검출기를 사용함으로써 테라헤르츠 주파수 이미지의 직접 검출에 대해 전술한 문제점을 피할 수 있지만, 이러한 검출기는 테라헤르츠 방사선에 민감하지 않다. 다양한 비선형 광학 효과를 이용하여 테라헤르츠 이미지를 획득하기 위한 가시광선 또는 근적외선 검출기 또는 어레이를 사용할 수 있다.
가시광선 또는 근적외선 검출기를 사용하여 테라헤르츠 이미지를 획득하도록 소위 코히어런트(coherent) 검출을 이용할 수 있으며, 그 예는 Wu 등, Yonera 등, Jiang 등, Zhang 등의 상기 문헌들에 개시되어 있다. 코히어런트 검출 방법은, 통상적으로 짧은 광 펌프 펄스(예를 들어, 가시광선 또는 근적외선 파장에서 <100 펨토초(fs))를 사용하여 광대역 THz 펄스를 생성한다. THz 펄스의 코히어런트 검출은, 이것을 전기광학 결정 내에서 짧은 광 프로브 펄스(예를 들어, 가시광선 또는 근적외선 파장에서 <100fs, 통상적으로는 펌프 펄스의 진폭 규모 레플리카)와 혼합함으로써 달성될 수 있다. 광 프로브 펄스의 편광은 포켈 효과로 인해 THz 펄스 전계에 의해 회전되며, 회전량은, THz 필드 진폭에 비례하며, 분석기 편광자를 통한 검출에 의해 측정될 수 있다. 코히어런트 검출은, 객체 또는 THz 이미지의 래스터 스캐닝과 결합된 단일 검출기 요소를 사용하여 구현될 수 있고, 또는 가시광선 또는 근적외선 검출기 어레이(예를 들어, CCD 카메라 또는 CMOS 어레이)를 사용할 수 있으며, 이에 따라 래스터 스캐닝이 필요 없다. 그러나, 획득된 이미지의 이미지 콘트라스트는 통상적으로 낮은 신호 대 잡음비에 의해 제한된다. 또한, 짧은 광 펄스에 의해 생성되는 THz 방사선의 넓은 광 주파수 대역폭(통상적으로 약 2THz 내지 3THz)은, 그 대역폭 내에서의 소정의 주파수의 상당한 대기 흡수를 종종 초래하여, THz 전력의 손실 및 THz 주파수 스펙트럼의 왜곡을 초래한다.
본원에서는, (i) 이러한 이미지의 광학 또는 근적외선 파장(즉, 약 400nm 내지 약 3000nm)으로의 비선형 광학 상향변환 및 (ii) 검출기 또는 어레이를 사용한 상향변환된 이미지의 검출에 의해 THz 이미지를 획득하도록 가시광선 또는 근적외선 검출기 또는 어레이가 사용될 수 있는 코히어런트 검출의 대안을 개시한다. 예들은, 상향변환된 테라헤르츠 이미지를 생성 및 획득하기 위한 시스템의 도 1 및 도 2에 개략적으로 도시되어 있다. 각각의 예에서, 객체(10)는, 
(c는 광속)의 파장에서 테라헤르츠 방사선의 빔(즉, 테라헤르츠 이미징 빔(21))에 의해 조명된다. 테라헤르츠 이미지는, 객체(10)로부터의 반사 또는 산란에 의해 또는 객체(10)를 통한 또는 객체 주위의 투과에 의해 생성될 수 있다. 반사 또는 투과된 테라헤르츠 이미지 빔(20)은, 제1 포커싱 요소(31)(도 1 및 도 2에서 단일 렌즈로서 도시되며, 축외(off-axis) 포물선 반사기 또는 테라헤르츠 방사에 적합한 다른 하나 이상의 투과 또는 반사 포커싱 요소를 사용할 수 있음)에 의해 수집되고, 상향변환 비선형 광학 매질(36)로 중계된다. 가시광선 또는 근적외선 파장(λUC)에서의 상향변환 빔(22)은, 빔 결합기(34)에 의해 테라헤르츠 이미지 빔(20)과 (일반적으로 실질적으로 동일직선 상으로) 결합되고, 빔 결합기는, 임의의 적합한 유형 또는 구성(예를 들어, 펠리클)일 수 있고, (도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이) 테라헤르츠 이미지 빔(20)을 투과시키면서 상향변환 빔(22)을 반사할 수 있고, 또는 테라헤르츠 이미지 빔(20)을 반사하면서 상향변환 빔(22)을 투과시킬 수 있다(이는 도시되어 있지 않다).
테라헤르츠 이미지 빔(20)과 상향변환 빔(22)은, 하나 이상의 상향변환된 이미지 빔(24)이 테라헤르츠 이미지 빔(20)과 상향변환 빔(22) 사이에서 비선형 광학적 상호작용(합-주파수 발생 또는 차-주파수 발생, 각각 SFG 또는 DFG)에 의해 생성되는 상향변환 비선형 광학 매질(36)을 통해 공동 전파된다. 상향변환 빔(22)으로부터의 잔류 방사선은, (이미지 필터링 요소를 집합적으로 구성하는) 하나 이상의 파장 의존형 필터(38) 또는 하나 이상의 편광자(39)에 의해 감쇠되거나 차단된다. (
또는 
또는 둘 다에서의) 하나 이상의 상향변환된 이미지 빔(24)은, (도 1과 도 2에서 단일 렌즈로서 도시되며, 상향변환된 이미지 빔(들)의 파장(들)에 적절한 임의의 하나 이상의 투과형 또는 반사형 포커싱 요소가 사용될 수 있는) 제2 포커싱 요소(32)에 의해 수집되고, 상향변환된 이미지의 검출을 위한 가시광선 또는 근적외선 검출기 어레이(40)로 중계된다. 통상적으로 테라헤르츠 방사선이 가시광선 또는 근적외선 검출기 어레이(40)에 대해 인식될 수 있는 영향을 미치지 않기 때문에, 테라헤르츠 이미지 빔(20)으로부터의 임의의 잔류 방사선이 검출기 어레이(40)에 도달하는지 여부는 거의 무의미하다. 그러나, 검출기 어레이(40)는 상향변환 빔(22)으로부터의 잔류 방사선에 민감하고, 검출기 어레이(40)에 도달하는 이러한 임의의 잔류 상향변환 방사선은, 하나 이상의 상향변환된 이미지 빔(24)(이하에서 더 설명됨)의 검출에 있어서 바람직하지 않은 배경 신호를 나타낸다.
검출기 어레이(40)는, 예들에서 도시 및 설명되어서, 검출기 어레이의 다수의 대응하는 검출기 소자들에서 상향변환된 이미지 빔의 상이한 공간 부분들을 동시에 수신함으로써 전체 이미지의 획득을 가능하게 한다. 그러나, 본 개시 내용 또는 첨부된 청구범위는, 또한, 상향변환된 이미지 빔의 상이한 공간 부분들을 단일 검출기 요소 상에서 순차적으로 수신하도록 상향변환된 이미지 빔을 가로질러 스캐닝되는 단일 검출기 요소의 사용을 포함할 수 있다.
제1 포커싱 요소(31)의 유효 초점 길이(예를 들어, 단일 렌즈 또는 단일 곡면 미러의 초점 길이 또는 다성분 포커싱 요소의 유효 초점 길이)는 f1이고, 제2 포커싱 요소(32)의 유효 초점 길이는 f2이다. 도 1의 구성에서, 객체(10)와 제1 포커싱 요소(31) 사이의 거리는 do1이고, 제1 포커싱 요소(31)와 비선형 광학 매질(36) 사이의 거리는 di1이고, 객체(10), 제1 포커싱 요소(31), 및 비선형 광학 매질(36)은, 
이도록 위치결정되고, 즉, 객체(10)와 비선형 광학 매질(36)은, 객체(10)의 테라헤르츠 이미지가 비선형 광학 매질(36)에서 
의 배율로 형성되도록 포커싱 요소(31)에 의해 정의되는 공액면에 위치결정된다. 그 테라헤르츠 이미지는, SFG 또는 DFG에 의해 비선형 광학 매질(36)에서 상향변환 빔(22)을 이용하여 상향변환된다. 비선형 광학 매질(36)과 제2 포커싱 요소(32) 사이의 거리는 do2이고, 제2 포커싱 요소(32)와 검출기 어레이(40) 사이의 거리는 di2이고, 비선형 광학 매질(36), 제2 포커싱 요소(32), 및 검출기 어레이(40)는 
이도록 위치결정되고, 즉, 비선형 광학 매질(36)과 검출기 어레이(40)는, 비선형 광학 매질(36)에서 생성되는 상향변환된 이미지가 
의 배율로 검출기 어레이(40)에서 리이미징(reimaged)되도록 포커싱 요소(32)에 의해 정의되는 공액면에 위치결정된다. 객체(10)에 대한 검출기 어레이(40) 상에 형성된 이미지의 전체 배율은 
이다.
도 2의 구성에서, 객체(10)와 제1 포커싱 요소(31) 사이의 거리가 f1이고, 제1 포커싱 요소(31)와 비선형 광학 매질(36) 사이의 거리도 f1이다. 그 결과, 비선형 광학 매질(36)에서 테라헤르츠 이미지의 공간 푸리에 변환이 형성되고, 테라헤르츠 이미지의 상향변환된 공간 푸리에 변환(들)을 생성하도록 비선형 광학 매질(36)에서 상향변환 빔(22)으로 SFG 또는 DFG에 의해 상향변환되는 것은 그 공간 푸리에 변환이다. 비선형 광학 매질(36)과 제2 포커싱 요소(32) 사이의 거리는 f2이고, 제2 포커싱 요소(32)와 검출기 어레이(40) 사이의 거리도 f2이다. 그 결과, 비선형 광학 매질(36)에서 생성되는 상향변환된 공간 푸리에 변환으로부터 검출기 어레이(40)에서 상향변환된 이미지가 형성된다. 객체(10)에 대한 검출기 어레이(40) 상에 형성된 이미지의 전체 배율은 
이다. 도 2의 구성은, 일부 경우에, 
가 
보다 크기 때문에, 이미지 상향변환 시스템의 더욱 컴팩트한 배치를 유도할 수 있다.
임의의 실제 시스템에서, 객체(10), 포커싱 요소(31, 32), 비선형 광학 매질(36), 또는 검출기 어레이(40)의 위치는 전술한 두 개 구성에 대해 주어진 정확한 위치로부터 벗어날 수 있다. 본 개시 내용 또는 첨부된 청구범위에 대하여, 검출기 어레이(40)에서 주어진 애플리케이션에 대하여 충분히 양호한 품질의 상향변환된 이미지가 형성된다면, 주어진 이미징 장치가 그러한 구성들 중 하나에 부합하는 것으로 간주해야 한다.
전술한 두 개의 구성에서, 상향변환 포커싱 요소(33)는, 상향변환 빔(22)을 비선형 광학 매질(36)로 전달하여 테라헤르츠 이미지 빔(20)과 상호 작용한다. 상향변환 빔(22)은, 여전히 테라헤르츠 이미지 빔(20) 전체와 공간적으로 실질적으로 겹치고 실질적으로 평평한 파면 및 테라헤르츠 이미지 또는 푸리에 변환의 공간 범위에 걸쳐 충분히 작은 공간 강도 변동을 나타내면서 (상향변환 빔의 강도를 증가시켜 상향변환 효율을 증가시키도록) 바람직하게 비선형 광학 매질(36)에서 가능한 한 작게 만들어진다. 이를 위해, 통상적으로 포커싱 요소(33)(예를 들어, 단일 렌즈, 단일 곡면 미러, 망원경, 또는 하나 이상의 투과형 또는 반사형 포커싱 요소들의 적절한 조합)는, 비선형 광학 매질(36)에서 상향변환 빔(22)의 비교적 완만하게 포커싱된 빔 웨이스트를 형성하도록 배치된다. 예를 들어, 포커싱 요소(33)는, 비선형 광학 매질(36)에서 약 7mm 폭(반치전폭, 즉 FWHM)의 빔 웨이스트를 생성하도록 배치될 수 있으며, 다른 적절한 폭이 사용될 수 있다. 너무 작은 상향변환 빔 크기의 영향은 이미징 시스템의 구성에 의존한다. 도 1의 구성에서, 작은 상향변환 빔(22)은, 테라헤르츠 이미지의 주변 부분이 상향변환되지 않으면 상향변환된 이미지의 주변 부분의 손실을 초래할 수 있다. 도 2의 구성에서, 작은 상향변환 빔(22)은, 테라헤르츠 이미지의 큰 웨이브벡터 성분(즉, 공간 푸리에 변환의 주변 부분)이 상향변환되지 않으면 상향변환된 이미지의 선명도 손실을 초래할 수 있다. 어느 구성이든, 상향변환 빔(22)의 평평한 파면 또는 균일한 강도로부터의 편차가 통상적으로 허용될 수 있으며, 허용될 수 있는 이러한 편차의 크기는, 변할 수 있고, 통상적으로 상향변환된 이미지에 대해 필요하거나 요구되는 이미지 품질에 의존한다.
상향변환 빔(22) 및 1개 또는 2개의 상향변환된 이미지 빔(24)의 파장 스펙트럼의 예들은 도 3a 내지 도 3f에 도시되어 있다. 각각의 예에서, 상향변환된 이미지 빔들(24) 중 1개 또는 2개 모두는, (
에 중심을 두는) THz 이미지 빔(20)과 (도 3a에서는 
에 중심을 두고, 도 3b 내지 도 3e에서는 
에 중심을 두고, 도 3f에서는 
에 중심을 두는) 상향변환 빔(22) 간의 합-주파수 및 차-주파수 발생(각각 SFG 및 DFG)에 의해 1개 또는 2개 모두에 의해 비선형 광학 매질(36)에 형성된다. SFG 및 DFG 비선형 광학 프로세스의 성질에 따라, 일부 경우에는, 이들 프로세스 중 하나만이 대응하는 상향변환된 이미지 빔(24)을 생성한다.
도 3a의 스펙트럼과 유사한 스펙트럼을 나타내는 (예를 들어, Wu 등, Yonera 등, Jiang 등, Zhang 등의 상기 인용 문헌에 개시된 바와 같은) 이전 예들에서, 상향변환 빔(22)은, 
에 중심을 두는 약 15nm의 대응 스펙트럼 대역폭을 갖는 약 100fs의 지속 시간으로 펄스들의 트레인을 포함한다. 상향변환된 이미지 빔(24)은, 유사한 스펙트럼 대역폭을 갖는 
및 
의 대응하는 중심 파장을 갖는다. 이 예에서, 상향변환된 이미지 빔(24)은, 비선형 광학 매질(36)에서 SFG 및 DFG에 대해 채용되는 비선형 광학 프로세스(예를 들어, 유형 I 또는 유형 II 비선형 광학 프로세스)의 성질로 인해 상향변환 빔(22)에 대해 직교 편광된다. 전술한 테라헤르츠 이미지 빔(20)과 상향변환 빔(22)의 공간 겹침에 추가하여, 테라헤르츠 이미지의 상향변환의 원하는 효율을 달성하기 위해서는 이들 빔의 각 펄스 트레인의 상당한 시간 겹침도 필요하다. 적절한 지연 라인은 테라헤르츠 이미지 빔(20) 또는 상향변환 빔(22) 중 하나 또는 모두의 빔 경로에 삽입되며, 지연 라인은 상향변환 효율의 최적화를 가능하게 하도록 조정될 수 있다. 짧은 펄스 지속 시간(약 100fs)은 SFG 및 DFG 프로세스의 효율을 향상시키지만, 수반되는 큰 대역폭(약 15nm)으로 인해 상향변환 빔(22) 및 상향변환된 이미지 빔(24)의 스펙트럼이 상당히 겹쳐진다. 그 겹침 때문에, 파장 의존형 필터(38)는 통상적으로 잔류 상향변환 빔(22)을 감쇠시키기 위한 이미지 필터링 요소의 일부로서 사용될 수 없다. 상향변환 빔(22)과 상향변환된 이미지 빔(24)의 직교 편광은, 편광자(39)를 잔류 상향변환 빔(22)을 감쇠시키기 위한 이미지 필터링 요소로서 사용할 수 있게 한다. 그러나, 편광자는 차단된 편광 상태에 대해 기껏해야 약 10-6의 감쇠(10-4 내지 10-5가 더욱 현실적임)를 나타내며，잔류 상향변환 빔(22)은 통상적으로 비선형 광학 매질(36)과 다양한 다른 광학 구성요소를 통하는 경로로 인해 순수한 선형 편광 상태에 있지 않다. 편광자(39)를 통해 누설되는 잔류 상향변환 빔(22)의 부분은 상향변환된 이미지 빔(24)보다 실질적으로 종종 강할 수 있다. 또한, THz 이미지 빔(20)의 넓은 광학 주파수 대역폭은 상술한 바와 같이 소정의 주파수 성분의 상당한 대기 흡수를 겪는다. 이러한 모든 이유 때문에, 이러한 짧은 지속 시간의 펄스들(이에 대응하여 큰 스펙트럼 대역폭을 갖는 수백 펨토초 이하)은 특히 테라헤르츠 이미지의 상향 변환에 적합하지 않다.
전술한 다양한 다른 예(예를 들어, 
, 
, 
와 함께 도 3b에 도시한 전형적인 스펙트럼을 나타내는, Khan 등, Nahata 등, Cao 등, Ding 등의 상기 문헌에 개시된 예)에서는, 연속파 테라헤르츠 빔, 및 대응하는 좁은 스펙트럼 대역폭(예를 들어, <0.1nm)을 갖는 수 나노초(ns)의 지속 시간인 펄스들을 포함하는 상향변환 빔이 사용되며, 이에 따라 상향변환된 신호의 검출 전에 잔류 상향변환 방사선을 감쇠시키기 위한 이미지 필터링 요소에서 파장 의존형 필터를 사용할 수 있다. 그러나, 긴 펄스는, 테라헤르츠 이미지의 검출가능한 상향변환을 달성하도록 상향변환 빔의 펄스 에너지가 비선형 광학 매질(36)의 손상 임계값에 가까울 것을 필요로 한다. 이러한 펄스 에너지는 통상적으로 저 반복률 펄스화 레이저(예를 들면, 10헤르츠 정도의 펄스 반복률)에서만 이용가능할 수 있지만, 펄스간 변동은 상향변환된 이미지의 작은 신호 레벨의 검출을 모호하게 하는 경향이 있다. 대부분의 검출기 어레이는, 이러한 낮은 반복률에서 매우 작은 평균 전력에 민감하다. 반복률은, 또한, 근실시간 비디오 이미징을 위한 원하는 프레임률에 필적하므로, 그 애플리케이션에 적합하지 않으며, 비디오 레이트 이미징은 프레임당 단일 샷을 필요로 한다. 또한, 상향변환 빔은 통상적으로 상향변환된 이미지를 검출할 수 있도록 원하는 DFG 파장에서의 방사선을 포함해야 해서, (예를 들어, Cao 등의 문헌에서와 같이) 그러한 검출을 본질적으로 넌제로인 배경 프로세스로 되게 된다. 이러한 모든 이유 때문에, 이러한 긴 지속 시간(이에 대응하는 좁은 스펙트럼 대역폭을 갖는 수 나노초 이상의 기간)의 펄스 및 이러한 큰 펄스 에너지는 특히 테라헤르츠 이미지의 상향변환에 적합하지 않다.
Kozlov 등(미국 특허출원번호 제2015/0153234호, 도 3c에 도시된 예시적 스펙트럼)에 개시된 예에서, 테라헤르츠 이미지 빔(20)과 상향변환 빔(22)은 약 6 내지 10피코초(ps; FWHM)의 지속 시간을 갖는 펄스 트레인을 포함하고, 상향변환 빔은 약 0.3nm의 대역폭(FWHM)을 갖고, 테라헤르츠 이미지 빔은, 유사하게 자신의 주파수 스펙트럼에서 좁다(예를 들어, 약 1.55테라헤르츠를 중심으로 하는 100GHz(FWHM) 미만이어서, 대기 흡수 대역을 실질적으로 피할 수 있다). 상향변환 빔(22)이 
에 중심을 둠에 따라, 상향변환된 이미지 빔(24)은 
및 
의 대응 중심 파장을 갖고 유사하게 좁은 스펙트럼 대역폭을 갖는다. 이전 예와 같이, 상향변환된 이미지 빔(24)은, 비선형 광학 매질(36)에서 SFG 및 DFG를 위해 사용되는 비선형 광학 프로세스(예를 들어, 유형 I 또는 유형 II 비선형 광학 프로세스)의 성질 때문에 상향변환 빔(22)에 대하여 직교 편광된다. 상향변환 빔(22)과 상향변환된 이미지 빔(24)의 직교 편광은, 잔류 상향변환 빔(22)을 감쇠시키도록 이미지 필터링 요소의 편광자(39)의 사용을 가능하게 한다. 도 3a의 예에 비해 긴 펄스는 피크 강도를 감소시키고 SFG 및 DFG 프로세스의 효율을 감소시키지만, 이들 공정은 도 3b의 예보다 여전히 효율적이다. 그러나, 대응하여 작은 스펙트럼 대역폭은, 상향변환 빔(22)과 상향변환된 이미지 빔(24)의 스펙트럼 겹침을 실질적으로 제거하여, 편광자(39) 대신 또는 이에 부가하여, 잔류 상향변환 빔(22)을 감쇠시키도록 이미지 필터링 요소에서 하나 이상의 파장 의존형 필터(38)를 사용할 수 있게 한다. 하나 이상의 파장 의존형 필터(38)와 편광자(39)의 조합은, 대략 10-8 및 아마도 10-10 또는 10-12만큼 많은 잔류 상향변환 빔(22)의 감쇠를 보수적으로 산출할 수 있다. 대안으로, 상향변환된 이미지 빔(24)과 상향변환 빔(22)의 스펙트럼 겹침의 결여는, 이미지 필터링 요소로부터 편광자(39)를 제거할 수 있게 하고, 비선형 광학 매질(36)에서 잠재적으로 더욱 효율적 대안인 비선형 광학 프로세스, 예컨대, 모든 편광이 서로 평행한 유형 0 비선형 광학 프로세스를 사용할 수 있게 한다. 또한, 펄스 지속 시간은, 약 수 밀리미터의 공간 해상도를 갖는 샘플 내의 상이한 깊이로부터 발생하는 이미지를 획득하도록 테라헤르츠 이미지 획득을 테라헤르츠 토모그래픽 기술과 결합할 수 있게 한다.
Kozlov 등(도 3d)에 의해 개시된 또 다른 예는, 사용된 펄스가 약 1nm의 대역폭(FWHM)을 갖는 약 1 내지 2ps의 지속 시간(FWHM)을 갖는다는 짐을 제외하고는 도 3c의 예와 유사하다. 이들 파라미터는, 잔류 상향변환 빔의 효과적인 파장 기반 필터링을 여전히 가능하게 하면서 테라헤르츠 이미지 상향변환의 효율(짧은 펄스 지속 시간으로 인한 높은 강도)을 증가시킬 수 있다. 짧은 펄스 지속 시간은, 또한, 샘플 내의 상이한 깊이로부터 발생하는 이미지를 획득하도록 테라헤르츠 이미지 획득을 테라헤르츠 토모그래픽 기술과 결합하는 경우 개선된 공간 해상도(예를 들어, 1밀리미터 정도)를 가능하게 한다.
Kozlov 등에 의해 개시된 또 다른 예에서, 테라헤르츠 이미지 빔은, 이전 예들 중 하나와 유사한 스펙트럼 폭을 갖는 약 0.85THz의 중심에 있을 수 있다(대기 흡수 대역의 실질적인 회피를 가능하게 한다)． 상향변환 빔이 유사한 스펙트럼 폭을 갖는 약 
에 중심을 두는 경우, 상향변환된 이미지 빔은 
및 
의 대응 중심 파장 및 유사한 폭을 갖는다. 상향변환 빔과 상향변환된 이미지 빔 간의 더욱 작은 스펙트럼 분리는, 상향변환 빔의 적절한 감쇠를 위해 편광자 또는 향상된 스펙트럼 필터링을 필요로 할 수 있다.
본 개시 내용에 따른 발명의 예에서, 테라헤르츠 이미징 빔(21)(및 이에 따른 테라헤르츠 이미지 빔(20))과 상향변환 빔(22) 모두는 연속파(cw) 빔이다(도 1, 도 2, 및 도 5). cw 빔의 사용은 처음엔 바람직하지 않은 것으로 보이며, 수반되는 고 피크 전력을 이용하여 비선형 광학적 상향변환 프로세스를 구동하도록 (위에서 개시된 이전 예들에서와 같이) 펄스화 빔이 통상적으로 사용된다. 그러나, (예를 들어, 약 0.05THz 내지 약 0.4THz, 최대 약 1.5THz 또는 최대 약 3THz의 주파수 범위에 걸쳐 0.1W 내지 1W 정도의 평균 전력을 생성하는) 고 전력 cw 테라헤르츠 소스를 사용하여 이전 예들의 피크 전력에 필적하는 cw 테라헤르츠 이미지 빔(20)에 전력을 전달할 수 있다. 그러나, cw 테라헤르츠 이미지 빔(20)과 상향변환 빔(22)의 훨씬 높은 듀티 사이클(즉, cw 빔 대 통상적인 모드동기화된 소스 반복률에서의 피코초 펄스에 대한 약 10-4의 단위)에 따라, 상향변환된 이미지 빔(24)의 필적할만한 또는 더 큰 상향변환된 평균 전력이 발생한다. 통상적으로 사용되는 이미징 검출기(40)는 상향변환된 이미지 빔(24)의 평균 전력에 민감하다. 예시적인 장치가 도 5에 개략적으로 도시되어 있으며, 여기서, 테라헤르츠 소스(100)는 테라헤르츠 이미징 빔(21)을 생성하고, cw 가시광선 또는 근적외선 소스(200)는 상향변환 빔(22)을 생성한다. 도 1과 도 2의 예에서, 테라헤르츠 이미지는, 객체(10)를 통한 또는 객체 주위로의 투과에 의해 형성되며, 도 5의 예에서, 테라헤르츠 이미지는 객체(10)로부터의 반사 또는 산란에 의해 형성된다. 통상적인 스펙트럼은 도 3b의 예(
) 또는 도 3f의 예(
)와 유사하다. 연속파 빔(20 및 22)의 평균 테라헤르츠 전력 및 상향변환 빔 전력에 따라, 근실시간 테라헤르츠 이미징, 예컨대, 약 5 내지 30FPS 이상의 프레임률에서의 비디오 레이트 테라헤르츠 이미징이 가능하도록 상향변환된 이미지 빔(24)에 충분한 전력이 발생한다(도 4의 표 참조). 상향변환된 이미지 신호는 포화의 증거 없이 테라헤르츠 이미징 빔 전력 및 상향변환 빔 전력과 함께 실질적으로 선형적으로 가변된다는 점을 관찰하였다. 이것은, 테라헤르츠를 더욱 증가시키고 빔 전력을 상향변환함으로써 상향변환된 이미지 신호의 추가 증가가 달성될 수 있음을 시사한다.
원하는 테라헤르츠 주파수 범위에 걸쳐 충분한 전력을 생성하는 연속파(cw) 테라헤르츠 이미징 빔(21)의 임의의 적절한 소스(100)가 사용될 수 있다. 일부 예에서는, 소위 후진파 오실레이터(BWO) 효과를 이용하고, Terasense®Group, Inc.에서 제조한 Terasource 튜브를 포함한다. 이러한 소스는, 약 0.08THz 내지 최대 약 0.36THz의 테라헤르츠 주파수에 걸쳐 약 0.1W 내지 최대 약 1.0W의 테라헤르츠 평균 전력을 제공할 수 있으며, 다른 적절한 소스가 사용될 수 있다. BWO형 또는 다른 테라헤르츠 소스는, 더욱 높은 상향변환 평균 전력을 제공하도록 임의의 적절한 유형의 테라헤르츠 증폭기(현재 또는 미래에 개발되는 것으로서, 예를 들어, Northrop Grumman에서 개발한 0.85THz 증폭기)와 결합될 수 있다. 하나 이상의 테라헤르츠 소스는, 예를 들어, 본원에 참고로 원용되며 Kozlov 등에게 발행된 미국 특허번호 제8,035,083호에 개시된 바와 같이, 액세스가능한 테라헤르츠 주파수 범위를 연장하도록 하나 이상의 주파수 더블러 또는 트리플러(또는 양측 모두)와 조합하여 사용될 수 있다. 현재 존재하거나 미래에 개발되는 이러한 예들 또는 다른 임의의 적절한 연속파 테라헤르츠 소스들은, 본 개시 내용 또는 첨부된 청구범위의 범주 내에서 cw 테라헤르츠 소스(100)로서 사용될 수 있다.
원하는 상향변환 파장 및 충분히 작은 상향변환 대역폭에서 충분한 전력을 생성하는, 가시광선 또는 근적외선의 상향변환 빔(22)의 임의의 적절한 소스(200)를 사용할 수 있다. 통상적인 소스(200)는, 가시광선 또는 근적외선에서 동작하는 고체 레이저, 반도체 레이저, 또는 파이버 레이저를 포함한다. 예로는, NKT Photonics A/S에서 시판하고 있는 Koheras®BOOSTIK 단일 주파수 파이버 레이저가 있으며, 이것은, 약 1030nm 내지 약 1090nm의 상향변환 파장에서 최대 약 15W의 상향변환 평균 전력 또는 약 1530nm 내지 약 1575nm의 상향변환 파장에서 최대 약 10W의 상향변환 평균 전력을 생성할 수 있다. 현재 존재하거나 미래에 개발되는 이러한 예들 또는 다른 임의의 적절한 연속파 가시광선 또는 근적외선 소스는, 본 개시 내용 또는 첨부된 청구범위의 범주 내에서 cw 상향변환 소스(100)로서 사용될 수 있다.
대응하는 상향변환 대역폭은, 전술한 상향변환 소스(200)의 예에서 수십 kHz만큼 작을 수 있다. 통상적으로, 상향변환 대역폭은 약 0.1nm 미만이며, 이는 
에 대한 약 30GHz 또는 
에 대한 약 20GHz에 대응한다. 따라서, 상향변환 대역폭은, 상향변환 빔(22)과 상향변환된 이미지 빔(24)을 스펙트럼에 있어서 분리된 상태로 유지하면서 사용되는 테라헤르츠 주파수에 대하여 하한을 부여할 수 있다. 그러나, 상향변환 대역폭이 (전술한 소스의 예에서와 같이) 과도하게 좁아서 상향변환 스펙트럼과 상향변환된 이미지 스펙트럼이 겹치지 않고 완전히 분리되더라도, 상대적으로 낮은 테라헤르츠 주파수의 사용으로 인해 발생하는 이들의 가까운 간격(예를 들어, 약 0.3THz 미만의 테라헤르츠 주파수에 대하여 겨우 약 2nm 이하의 분리)이 있어도, 하나 또는 양측의 상향변환된 이미지 빔(들)(24)을 투과시키는 동안 상향변환 빔(22)이 불충분하게 (또는 적어도 문제 있게) 거부될 수 있고, 또는 상향변환 빔(22)을 실질적으로 거부하는 동안 상향변환된 이미지 빔(24)이 불충분하게 투과될 수 있다(이하에서 더 설명한다).
임의의 적절한 비선형 광학 매질(36)이 상향변환된 이미지 빔(들)(24)을 생성하도록 사용될 수 있다. 하나의 적절한 매질은, 광학적으로 접촉된 두 개 이상의 비소화 갈륨(GaAs) 또는 인화 갈륨(GaP) 판들의 적층부를 포함한다. 판의 두께는, 테라헤르츠 이미지 빔(20)의 하나 이상의 상향변환된 이미지 빔(24)으로의 상향변환 빔(22)에 의한 의사 위상 정합 상향변환을 발생시키도록 선택된다. 일례로, 각각 약 300μm 두께의 6개 내지 12개의 GaAs 판의 적층부는, 약 1.55THz에서의 테라헤르츠 이미지 빔(20)과 약 1064nm에서의 상향변환 빔(22)으로부터 1058nm과 1070nm에서 상향변환된 이미지 빔들(24)을 생성하도록 사용될 수 있으며, 이때, 상향변환 빔(22)의 편광은 상향변환된 빔(들)(24)에 실질적으로 직교한다. 판이 많을수록 상향변환 효율이 높아지지만, 판의 수가 증가하는 경우 충분히 높은 광학 품질을 유지하는 것이 더 어려워진다. 다른 일례로, 최대 약 8nm 내지 9nm (즉, 상향변환 프로세스를 위한 코히어런스 길이 미만 또는 이러한 길이와 대략 같은) 두께의 단일 GaAs 판은, 약 0.3THz에서의 테라헤르츠 이미지 빔(20)과 약 1550nm에서의 상향변환 빔(22)으로부터 약 1547.6nm과 약 1552.4nm에서 상향변환된 이미지 빔(24)을 생성하도록 사용될 수 있으며, 상향변환된 빔(24)에 대하여 실질적으로 직교 편광될 수 있다. 테라헤르츠 주파수와 상향변환 파장의 다른 조합에 대하여 다른 판 수 또는 두께를 사용할 수 있다. 다른 임의의 적절한 비선형 광학 물질(들)이 사용될 수 있으며, 다른 임의의 적절한 위상 정합 또는 의사 위상 정합 기법이 사용될 수 있고, 임의의 적절한 비선형 광학 프로세스, 예를 들어, 유형 0, I, II 등이 사용될 수 있다.
매질(36)에서의 비선형 광학 프로세스가 단지 하나의 상향변환된 이미지 빔(24)을 생성하는 경우 또는 다수의 상향변환된 이미지 빔(24) 중 하나만이 검출기 어레이(40)에서 검출되기를 원하는 경우, 하나의 상향변환된 이미지 빔의 (스펙트럼에 있어서) 적어도 일부가 검출기(40)에 도달할 수 있게 하면서 상향변환 빔(22)을 감쇠시키거나 차단하는 숏패스 또는 롱패스 컷오프 필터(38)가 사용될 수 있다. 예를 들어, 상향변환 파장에서의 잔류 상향변환 빔(22) 및 합-주파수 파장(존재하는 경우에 해당)에서의 상향변환된 이미지 빔(24)을 감쇠시키거나 차단하지만 차-주파수 파장에서 상향변환된 이미지 빔(24)의 적어도 일부를 검출기 어레이(40)로 투과시키는, 상향변환 파장과 차-주파수 파장 간에 컷오프 파장을 갖는 롱패스 필터(38)가 사용될 수 있으며, 이러한 장치에 의해 투과되는 스펙트럼의 일례가 Kozlov 등에 의해 개시된 예들 중 하나에 대해 도 3e에 도시되어 있다. 유사하게, 상향변환 파장에서의 잔류 상향변환 빔(22) 및 차-주파수 파장(존재하는 경우에 해당)에서의 상향변환된 이미지 빔(24)을 감쇠시키거나 차단하면서 합-주파수 파장에서의 상향변환된 이미지 빔이 검출기 어레이(40)에 도달할 수 있게 하도록 상향변환 파장과 합-주파수 파장 간에 컷오프 파장을 갖는 숏패스 필터(38)가 사용될 수 있다.
또 다른 일례로, 상향변환 파장을 공칭 중심에 두는 소위 노치 필터(38)(예를 들어, 브래그 필터 또는 다층 박막 간섭형 필터)는, 양측 상향변환된 빔들(24) 중 (스펙트럼에 있어서) 적어도 일부가 검출기(40)에 도달할 수 있게 하면서 잔류 상향변환 빔(22)을 감쇠시키거나 차단하도록 사용될 수 있다. 실제로, 도 3b, 도 3c, 도 3d, 또는 도 3f에 도시된 파장들의 특정 조합에 적합한 박막 노치 필터는, 상향변환 빔(22)과 상향변환된 이미지 빔(24) 간을 충분하게 구별하지 못할 수 있으며, 즉, 현재로서는 그러한 파장에서 잔류 상향변환 빔(22)의 충분한 감쇠와 상향변환된 이미지 빔(24)의 충분한 투과 모두를 나타내는 충분히 좁은 거부 대역폭을 갖는 이러한 박막 노치 필터를 설계 및 제조하는 것이 어렵다. 또한, 상향변환 빔(22)의 소스의 성질에 따라, 그 스펙트럼은 일부 경우에 초과 대역폭 또는 원하지 않는 측대역을 나타낼 수 있으며, 이 문제는, 일부 경우에, 상향변환 빔(22)의 스펙트럼을 "정화"하도록 λUC에 중심을 두는 밴드패스 필터(투과에 사용됨) 또는 노치 필터(반사에 사용됨)를 사용함으로써 완화될 수 있다. 어느 경우든, 현재 이용가능한 노치 필터는 더욱 넓게 분리된 다른 파장들의 조합에 대하여 적절히 사용될 수 있고, 또는 설계 및 성능이 개선된 미래의 노치 필터를 도 3b, 도 3c, 도 3d, 또는 도 3f의 파장들의 조합과 함께 사용할 수 있다.
하나 이상의 박막 필터 대신 또는 이에 부가하여, 하나 이상의 브래그 필터가, 상향변환 빔(22)의 이미징 검출기 어레이(40)로의 투과를 감소시키도록 사용될 수 있다. 브래그형 노치 필터는 통상적으로 박막 노치 필터의 스펙트럼 거부 대역폭보다 좁은 스펙트럼 거부 대역폭을 나타낸다. 이러한 브래그 필터의 적절한 예로는, 예를 들어, OptiGrate Corporation에서 제조된 BragGrateTM Raman 필터, Elimov 등에게 발행된 미국 특허번호 제6,673,497호(그 전문이 완전히 개시된 것처럼 본원에 참고로 원용됨)의 브래그 필러, 또는 Asher 등의 Spectroscopy Vol. 1 No. 12p. 26(1986)에 개시된 바와 같은 결정성 콜로이달 브래그 필터(그 전문이 완전히 개시된 것처럼 본원에 참고로 원용됨)가 있다. 이러한 브래그 필터는, 상향변환 스펙트럼과 상향변환된 이미지 스펙트럼 간의 비교적 가까운 간격(예를 들어, 도 3f에서와 같이 예컨대 약 0.3THz 미만의 테라헤르츠 주파수에 대하여 약 2 내지 3nm 이하의 분리, 또는 약 0.1THz 미만의 테라헤르츠 주파수에 대하여 약 1nm 미만의 분리)을 초래하는 비교적 낮은 테라헤르츠 주파수가 사용되더라도, 상향변환된 이미지 빔(24)과 상향변환 빔(20)을 적절히 구별할 수 있다. 대신 또는 부가하여, 상향변환된 이미지 빔(24)과 잔류 상향변환 빔(20)을 구별하도록 (예를 들어, DWDM 광전자 전기통신 시스템에서 사용되는 것과 같은) 다른 유형의 파장 의존형 필터가 사용될 수 있다.
하나 이상의 필터링 요소(38)(숏패스, 롱패스, 또는 노치) 대신 또는 (더욱 통상적으로는) 이에 더하여, 빔들(22, 24)이 직교 편광되는 경우, 임의의 적절한 유형의 편광자(39)가 사용될 수 있다. 현존하는 또는 미래에 개발되는 임의의 적절한 하나 이상의 편광자 또는 하나 이상의 스펙트럼 필터링 요소가 본 개시 내용 또는 첨부된 청구범위의 범주 내에서 사용될 수 있다. 상향변환 스펙트럼과 상향변환된 이미지 스펙트럼의 간격이 비교적 가까운 경우에는, 하나 이상의 파장 의존형 필터(38) 대신 또는 이에 더하여 사용되는 하나 이상의 편광자(39)가 상향변환 빔(22)과 상향변환된 이미지 빔(24) 간을 적절히 구별할 수 있다. 어떠한 필터링 장치가 사용되더라도, 겨우 수 나노미터 이하의 빔들(22, 24) 간의 스펙트럼 분리가 존재하는 경우, 상향변환 빔(22)의 투과는 일부 경우에 약 106의 1, 107의 1, 또는 108의 1일 수 있는 한편, 다른 경우에는 (전술한 비교적 넓은 스펙트럼 분리에서와 같이) 1010의 1 또는 1012의 1이 더욱 바람직하게 달성될 수 있다.
하나의 상향변환된 이미지 빔(24)만이 검출기 어레이(40)에서 획득되어야 할지라도, DFG 상향변환된 이미지 빔(24)을 생성하는 것이 유리할 수 있다는 점에 주목한다. 각 SFG 광자는, 테라헤르츠 이미지 빔(20)으로부터 손실되는 대응 테라헤르츠 광자를 희생시켜 생성되며, 따라서, SFG 상향변환된 이미지 빔(24)의 강도는 테라헤르츠 이미지 빔(20)에서 이용가능한 광자의 수에 의해 제한된다. 대조적으로, 상향변환된 이미지 빔(24)에서 생성되는 각 DFG 광자는 또한 테라헤르츠 이미지 빔(20)에서 생성되는 새로운 광자를 초래한다. 따라서, DFG 상향변환된 이미지 빔(24)의 강도는 상향변환 빔(22)에서 이용가능한 (훨씬 많은) 수의 광자에 의해 제한된다. 결과적으로, 하나의 상향변환된 이미지만이 획득되어야 한다면, DFG를 이용하여 상향변환된 이미지를 생성하는 것이 바람직할 수 있다. 그러나, DFG 상향변환된 이미지 빔(24)을 생성함으로써, SFG에 대하여 테라헤르츠 이미지 빔(20)에서 추가 광자를 이용할 수 있다. DFG 상향변환된 이미지 빔(24)이 필터(38)에 의해 감쇠 또는 차단되고 SFG 상향변환된 이미지 빔(24)만이 검출기 어레이(40)에 도달하더라도, DFG 상향변환된 이미지 빔(24)을 생성함으로써, SFG 상향변환된 이미지 빔(24)의 검출 강도를 증가시킬 수 있다.
앞 단락에서 설명한 동시성 SFG와 DFG는 소정의 조건에서만 발생한다는 점에 주목한다. 본원에서 설명하는 예들에서, 의사 위상 정합된 SFG 및 DFG 프로세스의 허용 대역폭은 충분히 넓어서, 도 3b 내지 도 3d의 예들에서 도시된 
의 조합에 대하여 또는 도 3f의 예에서 도시된 
의 조합에 대하여 거의 최적의 효율로 양측 프로세스가 발생할 수 있다. 넓게 분리된 SFG 및 DFG 파장들(즉, 더욱 높은 테라헤르츠 주파수) 또는 작은 수용 대역폭을 갖는 비선형 광학 매질에 대해서는, SFG 및 DFG 상향변환된 이미지 빔들(24) 모두를 생성하지 못할 수 있다.
도 6a 내지 도 6c는, 테라헤르츠 이미지의 상향변환을 사용하여 (투과시 객체(10)로서) 이미징된 판금, 너트, 및 면도날에 있는 십자형 개구를 각각 도시한다. 도 7a 내지 도 7c는 좌측의 대응하는 미가공 투과된 및 상향변환된 이미지들 및 우측의 상향변환된 테라헤르츠 이미징 빔(21)(객체(10) 없음)이고, 도 8a 내지 도 8c는 대응하는 정규화된 상향변환된 이미지들(상향변환된 미가공 이미지 빔을 상향변환된 테라헤르츠 이미징 빔에 의해 나눔으로써 정규화됨)이다. 도 9a 내지 도 9c는 테라헤르츠 이미지의 상향변환을 사용하여 (투과시 객체(10)로서) 이미징된, 점착 테이프로 덮인 면도날, 잎, 및 물이 있는 종이를 각각 도시한다. 도 10a 내지 도 10c는 대응하는 미가공 투과된 및 상향변환된 이미지들이고, 도 11a 내지 도 11c는 대응하는 정규화된 투과된 및 상향변환된 이미지들이다(상향변환된 미가공 이미지 빔을 상향변환된 테라헤르츠 이미징 빔에 의해 나눔으로써 정규화된다). 도 6a 내지 도 8c는 테라헤르츠 방사선에 대해 불투명한 객체들의 투과된 테라헤르츠 이미지들의 상향변환(즉, 이러한 객체들의 테라헤르츠 "그림자"의 상향변환)을 나타낸다. 도 9a 내지 도 11c의 예들은, 공간적으로 가변하는 테라헤르츠 투과(예를 들어, 잎의 정맥 또는 종이의 습윤 영역)를 갖거나 광학 조명 하에서 구별할 수 없는 특징을 갖는 객체들(예를 들어, 테이프에 의해 감춰지는 면도날)의 투과된 테라헤르츠 이미지들의 상향변환을 나타낸다.
또 다른 일례는, 소위 호모다인 검출을 사용하여 반사되고 상향변환된 테라헤르츠 이미지를 생성 및 획득하기 위한 시스템을 도 12에 개략적으로 도시되어 있다. 전술한 예들에서, 상향변환된 테라헤르츠 이미지의 위치 의존 강도는 테라헤르츠 이미지의 강도에만 의존하며, 즉, 상향변환된 이미지의 위치 의존 강도는 그 이미지의 위치 의존 위상과는 실질적으로 독립적이다. 이 예에서, 빔 스플리터(44)는, 이미징 테라헤르츠 빔(20)으로부터 테라헤르츠 기준 빔(23)을 분할하도록 사용된다. 빔 스플리터(44)는 테라헤르츠 기준 빔(23)을 테라헤르츠 이미지 빔(21)과 결합하고, 이어서 결합된 빔이 비선형 광학 매질(36)을 통해 공동 전파된다. 테라헤르츠 기준 빔(23)과 테라헤르츠 이미지 빔(21)의 상대 위상은, 예를 들어, 도 15에 도시된 바와 같이, 지연 라인의 길이를 가변함으로써 가변될 수 있다. 이 장치에서, 각각의 상향변환된 이미지의 위치 의존 강도는, 테라헤르츠 이미지 빔과 테라헤르츠 기준 빔의 대응하는 상대 위상에 적어도 부분적으로 의존한다. 잠재적으로 각각의 이미지 위치에서 강도와 위상 모두를 포함하는 테라헤르츠 이미지를 획득하는 것은, 이미지 강도 단독보다는 객체(10)에 관한 정보를 더 많이 산출할 수 있다. 예를 들어, 주어진 객체는, 강도만 감지되면 특징 없는 이미지를 산출할 수 있지만, 이미지에 걸쳐 위상 변동으로서 표현되는 이미지 특징을 나타낼 수 있다. 이러한 예는 가시광에 대해 균일하게 투명하지만 공간적으로 의존하는 굴절률을 나타내는 객체와 유사하며, 투과되는 강도만으로 이루어지는 이미지는 그러한 공간적 변동을 놓칠 것이다.
도 12의 호모다인 검출 장치에서, 결합된 테라헤르츠 기준 빔(23)과 테라헤르츠 이미지 빔(21)은 비선형 광학 매질(36)에 코히어런트 중첩으로서 도달한다. 결합된 빔들의 총 테라헤르츠 강도는, 각 기준 및 이미지 빔들의 진폭 제곱에 대응하는 위상 의존 부분들을 포함하고, 양측 진폭을 포함하는 교차 항에 대응하는 위상 의존 부분도 포함한다. 일례로, 총 강도는, 기준 빔(100)과 결합된 이미지 빔의 상향변환으로부터 발생하며 이미지 빔보다 100배 더 강하다. 이들 빔의 간섭에 의해, 기준 강도의 약 ±20%의 위상 의존 강도 편차가 발생한다. 이는, 예를 들어, 잡음 또는 검출 감도와 같은 인자들에 따라 일부 경우에 이미지 빔을 효과적으로 증폭시키는 것으로 볼 수 있으며, 넌제로 배경의 ±20% 변조는, 100배 작은 공칭 제로 배경 신호보다 쉽게 검출 및 정량화될 수 있다.
호모다인 검출은 단일 검출기를 사용하여 수행될 수 있으며, 검출기는 상향변환된 이미지 빔(24)을 가로질러 스캐닝되고, 각 검출기 위치에서, 지연 라인은 테라헤르츠 기준 빔과 이미지 빔의 상대 위상을 가변하도록 스캐닝된다. 대안으로, 각각의 상이한 상대 위상에서 완전한 이미지를 획득하는 어레이 검출기가 사용될 수 있다. 어느 경우든, 결과 이미지는, (예를 들어, 대응하는 진폭 및 위상 이미지를 사용하는, 또는 복소값 이미지의 실수부 및 허수부라고도 하는 소위 "동상" 및 "직교" 이미지들을 사용하는) 위상 의존 양을 처리하는 표준 방법에 따라 제시되거나 해석될 수 있다. 호모다인 검출 기술은 광 코히어런스 토모그래피 분야에서 널리 사용되고 있으며, 이 분야에서 개발된 다양한 수치, 연산, 또는 분석 방법은 상향변환된 테라헤르츠 이미지의 호모다인 검출에 쉽게 적용될 수 있다.
도 1, 도 2, 또는 도 5의 구성은, 상향변환된 테라헤르츠 이미지에 더하여 다른 파장에서 객체(10)의 이미지를 편리하게 획득할 수 있도록 변형될 수 있다. 예를 들어, 이동형 광학 장치는, 상향변환 빔(22)을 재지향시켜 테라헤르츠 이미징 빔(21)의 경로를 따라 전파시키도록 사용될 수 있다. 빔 스플리터(34)와 비선형 광학 매질(36)은, 빔 경로로부터 쉽게 제거될 수 있도록 장착될 수 있고, 필터(들)(38) 또는 편광자(39)는 적절하게 제거 또는 교체될 수 있다. 필터 휠은, 예를 들어, 이들 요소를 빔 경로의 내외로 교환하도록 사용될 수 있다. 이러한 방식으로, 주어진 객체는 상이한 파장(예를 들어, 1.55THz 및 1064nm)에서 제 위치에서 이미징될 수 있고, 이어서 이러한 이미지들 간에 비교 또는 상관이 행해질 수 있다. 또한, (λUC에 더하여) 이용할 수 있는 다른 파장들도 이미징 객체(10)를 위해 사용될 수 있다.
선행 예에 더하여, 다음에 따르는 예들은 본 개시 내용 또는 첨부된 청구범위의 범주 내에 속한다.
예 1. 객체의 상향변환된 테라헤르츠 이미지를 획득하는 방법은, (a) 약 0.05THz 내지 약 10THz의 테라헤르츠 주파수, 테라헤르츠 대역폭, 및 테라헤르츠 평균 전력을 특징으로 하는 연속파 테라헤르츠 이미징 빔으로 객체를 조명하는 단계; (b) 객체에 의해 또는 객체 주위로 투과되거나 객체로부터 반사 또는 산란되는 테라헤르츠 이미징 빔의 적어도 일부를 수집하고, 그 일부를 비선형 광학 매질을 통해 테라헤르츠 이미지 빔으로서 전파시키는 단계로서, 테라헤르츠 이미지 빔은 비선형 광학 매질에서의 테라헤르츠 이미지 빔 크기를 특징으로 하는, 단계; (c) 연속파 상향변환 빔을 비선형 광학 매질을 통해 전파시키는 단계로서, 상향변환 빔은, 비선형 광학 매질에서 상기 테라헤르츠 이미지 빔과 적어도 부분적으로 공간적으로 겹치고, 상향변환 파장, 상향변환 대역폭, 상향변환 평균 전력, 및 비선형 광학 매질에서의 상향변환 빔 크기를 특징으로 하는, 단계; (d) 비선형 광학 매질에서의 테라헤르츠 이미지 빔과 상향변환 빔의 비선형 광학적 상호작용에 의해 테라헤르츠 이미지 빔의 적어도 일부를 상향변환하여, 테라헤르츠 이미지 빔과 상향변환 빔 간의 합-주파수 발생 또는 차-주파수 발생에 의해 생성되는 일측 파장 또는 양측 파장을 특징으로 하는 상향변환된 이미지 빔을 형성하는 단계; (e) 이미지 검출기를 사용하여 상향변환된 이미지 빔의 적어도 일부를 수신하고, 상향변환된 이미지 빔에 의해 이미지 검출기에서 형성된 상향변환된 이미지를 이미지 검출기로 검출하는 단계; 및 (f) 이미지 필터링 요소를 사용하여 상향변환 빔의 약 106의 1 미만이 이미지 검출기에 도달할 수 있게 하는 단계를 포함하고, (g) 테라헤르츠 평균 전력은 약 0.1W 초과이고, 상기 상향변환 파장은 약 400nm 내지 약 3500nm이고, 상향변환 대역폭은 약 0.1nm 미만이고, 상향변환 평균 전력은 약 1W 초과이다.
예 2. 예 1의 방법에 있어서, 상향변환 파장은 약 1000nm 내지 약 1100nm이고, 상향변환 대역폭은 약 0.01nm 미만이고, 상향변환 평균 전력은 약 10W 초과이다.
예 3. 예 1의 방법에 있어서, 상향변환 파장은 약 1500nm 내지 약 1600nm이고, 상향변환 대역폭은 약 0.01nm 미만이고, 상향변환 평균 전력은 약 5W 초과이다.
예 4. 예 1 내지 예 3 중 어느 하나의 방법에 있어서, 상향변환 빔의 소스는 고체 레이저, 파이버 레이저, 또는 반도체 레이저이다.
예 5. 예 1 내지 예 4 중 어느 하나의 방법에 있어서, (i) 테라헤르츠 주파수는 약 3THz 미만이고, 테라헤르츠 평균 전력은 약 0.3W 초과이고, 또는 (ii) 테라헤르츠 주파수는 약 1.6THz 미만이고, 테라헤르츠 평균 전력은 약 0.5W 초과이다.
예 6. 예 1 내지 예 5 중 어느 하나의 방법에 있어서, 테라헤르츠 빔의 소스는 후진파형 오실레이터, 하나 이상의 테라헤르츠 증폭기, 또는 하나 이상의 고조파 발생기를 포함한다.
예 7. 예 1 내지 예 6 중 어느 하나의 방법에 있어서, 상향변환된 이미지 파장은, (i) 상향변환 파장 미만의 약 1nm 미만 또는 상향변환 파장 초과의 약 1nm 미만, 또는 둘 다, (ii) 상향변환 파장 미만의 약 1 내지 2nm 또는 상향변환 파장 초과의 약 1 내지 2nm, 또는 둘 다, (iii) 상향변환 파장 미만의 2 내지 3nm 또는 상향변환 파장 초과의 약 2 내지 3nm, 또는 둘 다, (iv) 상향변환 파장 미만의 3 내지 4nm 또는 상향변환 파장 초과의 약 3 내지 4nm, 또는 둘 다, (v) 상향변환 파장 미만의 4 내지 5nm 또는 상향변환 파장 초과의 약 4 내지 5nm 초과, 또는 둘 다, 또는 (vi) 상향변환 파장 미만의 5 내지 6nm 또는 상향변환 파장 초과의 약 5 내지 6nm, 또는 둘 다이다.
예 8. 예 1 내지 예 7 중 어느 하나의 방법에 있어서, 이미지 필터링 요소는, (i) 상향변환 빔의 약 106의 1 미만이 이미지 검출기에 도달할 수 있고, (ii) 상향변환 빔의 약 107의 1 미만이 이미지 검출기에 도달할 수 있고, (iii) 상향변환 빔의 약 108의 1 미만이 이미지 검출기에 도달할 수 있고, (iv) 상향변환 빔의 약 1010의 1 미만이 이미지 검출기에 도달할 수 있고, 또는 (v) 상향변환 빔의 약 1012의 1 미만이 이미지 검출기에 도달할 수 있도록 배치된다.
예 9. 예 1 내지 예 8 중 어느 하나의 방법에 있어서, 이미지 필터링 요소는 하나 이상의 파장 의존형 필터를 포함한다.
예 10. 예 9의 방법에 있어서, 하나 이상의 파장 의존형 필터 중 적어도 하나는, 상향변환 파장과 상향변환된 이미지 파장들 중 하나 간의 공칭 컷오프 파장을 갖는 숏패스 또는 롱패스 필터를 포함한다.
예 11. 예 9 또는 예 10의 방법에 있어서, 하나 이상의 파장 의존형 필터 중 적어도 하나는, 상향변환 대역폭을 공칭 중심에 두는 노치 필터를 포함한다.
예 12. 예 1 내지 예 11 중 어느 하나의 방법에 있어서, 비선형 광학 매질은, 상향변환된 이미지 빔의 편광이 상향변환 빔의 편광에 실질적으로 수직이도록 배치된다.
예 13. 예 1 내지 예 12 중 어느 하나의 방법에 있어서, 상향변환 빔과 상향변환된 이미지 빔은 서로 실질적으로 직교하여 편광되며, 이미지 필터링 요소는 상향변환 빔을 실질적으로 차단하도록 배치된 하나 이상의 편광자를 포함한다.
예 14. 예 1 내지 예 11 중 어느 하나의 방법에 있어서, 비선형 광학 매질은, 상향변환된 이미지 빔의 편광이 상향변환 빔의 편광에 실질적으로 평행하도록 배치된다.
예 15. 예 1 내지 예 14 중 어느 하나의 방법에 있어서, 비선형 광학 매질은, 비선형 광학적 상호작용이 결정적 위상 정합 프로세스(critically phase-matched process)이도록 배치된다.
예 16. 예 1 내지 예 14 중 어느 하나의 방법에 있어서, 비선형 광학 매질은, 비선형 광학적 상호작용이 비결정적(non-critically) 위상 정합 프로세스이도록 배치된다.
예 17. 예 1 내지 예 14 중 어느 하나의 방법에 있어서, 비선형 광학 매질은, 비선형 광학적 상호작용이 의사 위상 정합 프로세스이도록 배치된다.
예 18. 예 17의 방법에 있어서, 비선형 광학 매질은 주기적 분극(periodically poled) 비선형 광학 결정을 포함한다.
예 19. 예 17의 방법에 있어서, 비선형 광학 매질은, 비선형 광학 물질의 광학적으로 접촉되는 두 개 이상의 판의 적층부를 포함한다.
예 20. 예 17의 방법에 있어서, 비선형 광학 매질은, 약 300μm 두께의 GaAs의 광학적으로 접촉되는 6개 내지 12개 판의 적층부를 포함하고, 테라헤르츠 주파수는 약 1.55THz이고, 상향변환 파장은 약 1064nm이다.
예 21. 예 1 내지 예 16 중 어느 하나의 방법에 있어서, 비선형 광학 매질은, 최대 약 8 내지 9mm 두께의 단일 GaAs 판을 포함하고, 테라헤르츠 주파수는 약 0.3THz이고, 상향변환 파장은 약 1550nm이다.
예 22. 예 1 내지 예 21 중 어느 하나의 방법에 있어서, (i) 제1 포커싱 요소는, 테라헤르츠 이미징 빔의 일부를 수집하고 테라헤르츠 이미지 빔을 비선형 광학 매질을 통해 전파시키고, (ii) 객체와 비선형 광학 매질은, 태라헤르츠 이미지 빔이 비선형 광학 매질에서 객체의 테라헤르츠 이미지를 형성하도록 제1 포커싱 요소의 각 공액면에 위치결정되고, (iii) 제2 포커싱 요소는, 상향변환된 이미징 빔의 일부를 수집하고 상향변환된 이미지 빔을 이미지 검출기로 전파시키고, (iv) 비선형 광학 매질과 이미지 검출기는, 상향변환된 이미지 빔이 이미지 검출기에서 상향변환된 이미지를 형성하도록 제2 포커싱 요소의 각 공액면에 위치결정된다.
예 23. 예 1 내지 예 21 중 어느 하나의 방법에 있어서, (i) 유효 초점 거리(f1)를 특징으로 하는 제1 포커싱 요소는, 테라헤르츠 이미징 빔의 일부를 수집하고, 테라헤르츠 이미지 빔을 비선형 광학 매질을 통해 전파시키고, (ii) 객체와 비선형 광학 매질은, 테라헤르츠 이미지 빔이 비선형 광학 매질에서 객체의 테라헤르츠 이미지의 공간 푸리에 변환을 형성하도록 상기 제1 포커싱 요소로부터 약 f1의 거리에 각각 위치결정되고, (iii) 유효 초점 거리(f2)를 특징으로 하는 제2 포커싱 요소는, 상향변환된 이미지 빔의 일부를 수집하고, 상향변환된 이미지 빔을 이미지 검출기로 전파시키고, (iv) 비선형 광학 매질과 이미지 검출기는, 상향변환된 이미지 빔이 이미지 검출기에서 상향변환된 이미지를 형성하도록 제2 포커싱 요소로부터 약 f2의 거리에 각각 위치결정된다.
예 24. 예 1 내지 예 23 중 어느 하나의 방법에 있어서, 이미지 검출기는 이미징 검출기 어레이를 포함하고, 상향변환된 이미지를 검출하는 단계는, 이미징 검출기 어레이의 다수의 대응 검출기 요소에서 상향변환된 이미지 빔의 상이한 공간 부분들을 동시에 수신하는 단계를 포함한다.
예 25. 예 1 내지 예 23 중 어느 하나의 방법에 있어서, 이미지 검출기는 단일 검출기 요소를 포함하고, 상향변환된 이미지를 검출하는 단계는, 상향변환된 이미지 빔을 가로질러 단일 검출기 요소를 스캐닝하여 단일 검출기 요소에서 상향변환된 이미지 빔의 상이한 공간 부분들을 순차적으로 수신하는 단계를 포함한다.
예 26. 예 1 내지 예 25 중 어느 하나의 방법에 있어서, 상향변환된 이미지의 위치 의존형 강도는 테라헤르츠 이미지의 위치 의존형 위상과는 실질적으로 독립적이다.
예 27. 예 1 내지 예 25 중 어느 하나의 방법에 있어서, 테라헤르츠 이미징 빔의 일부를 분할하여 테라헤르츠 기준 빔을 형성하는 단계; 테라헤르츠 기준 빔과 테라헤르츠 이미지 빔을 결합하여 비선형 광학 매질을 통해 공동 전파시키는 단계; 및 테라헤르츠 이미지 빔과 테라헤르츠 기준 빔의 대응하는 상이한 상대 위상을 갖는 다수의 상향변환된 테라헤르츠 이미지를 획득하는 단계를 더 포함하고, 각 상향변환된 이미지의 위치 의존형 강도는, 테라헤르츠 이미지 빔과 테라헤르츠 기준 빔의 대응하는 위치 의존형 상대 위상에 적어도 부분적으로 의존한다.
예 28. 객체의 상향변환된 테라헤르츠 이미지를 획득하기 위한 장치는, (a) 약 0.05THz 내지 약 10THz의 테라헤르츠 주파수, 테라헤르츠 대역폭, 및 테라헤르츠 평균 전력을 특징으로 하는 테라헤르츠 이미징 빔으로 객체를 조명하도록 배치된 연속파 테라헤르츠 소스; (b) 객체에 의해 투과되거나 객체 둘레에서 또는 객체로부터 반사되거나 산란되는 테라헤르츠 이미징 빔의 적어도 일부를 수집하고, 그 일부를 비선형 광학 매질을 통해 테라헤르츠 이미지 빔으로서 전파시키도록 배치된 하나 이상의 테라헤르츠 광학 구성요소로서, 테라헤르츠 이미지 빔은 비선형 광학 매질에서의 테라헤르츠 이미지 빔 크기를 특징으로 하는 것인, 하나 이상의 테라헤르츠 광학 구성요소; (c) 연속파 상향변환 빔을 방출하도록 구성된 광원; (d) 상향변환 빔을 비선형 광학 매질을 통해 전파시키도록 배치된 하나 이상의 광학 구성요소로서, 상향변환 빔은, 비선형 광학 매질에서 테라헤르츠 이미지 빔과 적어도 부분적으로 공간적으로 겹치고, 상향변환 파장, 상향변환 대역폭, 상향변환 평균 전력, 및 비선형 광학 매질에서의 상향변환 빔 크기를 특징으로 하는 것인, 하나 이상의 광학 구성요소; (e) 비선형 광학 매질에서의 테라헤르츠 이미지 빔과 상향변환 빔의 비선형 광학적 상호작용에 의해 테라헤르츠 이미지 빔의 적어도 일부를 상향변환하여 테라헤르츠 이미지 빔과 상향변환 빔 간의 합-주파수 또는 차-주파수 발생에 의해 생성되는 일측 파장 또는 양측 파장을 특징으로 하는 상향변환된 이미지 빔을 형성하도록 배치된 상기 비선형 광학 매질; (f) 상향변환된 이미지 빔의 적어도 일부를 수신하고 상향변환된 이미지 빔에 의해 이미지 검출기에서 형성된 상향변환된 이미지를 검출하도록 배치된 이미지 검출기; 및 (g) 상향변환 빔의 약 106의 1 미만이 이미지 검출기에 도달할 수 있도록 배치된 이미지 필터링 요소를 포함하고, (h) 상향변환 파장은 약 400nm 내지 약 3500nm이고, 상향변환 대역폭은 약 0.1nm 미만이고, 상향변환 평균 전력은 약 1W 초과이다.
예 29. 예 28의 장치에 있어서, 상향변환 파장은 약 1000nm 내지 약 1100nm이고, 상향변환 대역폭은 약 0.01nm 미만이고, 상향변환 평균 전력은 약 10W 초과이다.
예 30. 예 28의 장치에 있어서, 상향변환 파장은 약 1500nm 내지 약 1600nm이고, 상향변환 대역폭은 약 0.01nm 미만이고, 상향변환 평균 전력은 약 5W 초과이다.
예 31. 예 28 내지 예 30 중 어느 하나의 장치에 있어서, 상향변환 빔의 소스는, 고체 레이저, 파이버 레이저, 또는 반도체 레이저이다.
예 32. 예 28 내지 예 31 중 어느 하나의 장치에 있어서, (i) 테라헤르츠 주파수는 약 3THz 미만이고, 테라헤르츠 평균 전력을 약 0.3W 초과이고, 또는 (ii) 테라헤르츠 주파수는 약 1.6THz 미만이고, 테라헤르츠 평균 전력을 약 0.35 초과이다.
예 33. 예 28 내지 예 32 중 어느 하나의 장치에 있어서, 테라헤르츠 빔의 소스는, 후진파형 오실레이터, 하나 이상의 테라헤르츠 증폭기, 또는 하나 이상의 고조파 발생기를 포함한다.
예 34. 예 28 내지 예 33 중 어느 하나의 장치에 있어서, 상향변환된 이미지 파장은, (i) 상향변환 파장 미만의 약 1nm 미만 또는 상향변환 파장 초과의 약 1nm 미만, 또는 둘 다, (ii) 상향변환 파장 미만의 약 1 내지 2nm 또는 상향변환 파장 초과의 약 1 내지 2nm, 또는 둘 다, (iii) 상향변환 파장 미만의 2 내지 3nm 또는 상향변환 파장 초과의 약 2 내지 3nm, 또는 둘 다, (iv) 상향변환 파장 미만의 3 내지 4nm 또는 상향변환 파장 초과의 약 3 내지 4nm, 또는 둘 다, (v) 상향변환 파장 미만의 4 내지 5nm 또는 상향변환 파장 초과의 약 4 내지 5nm 초과, 또는 둘 다, 또는 (vi) 상향변환 파장 미만의 5 내지 6nm 또는 상향변환 파장 초과의 약 5 내지 6nm, 또는 둘 다이다.
예 35. 예 28 내지 예 34 중 어느 하나의 장치에 있어서, 이미지 필터링 요소는, (i) 이미지 검출기에 도달하도록 상향변환 빔의 약 106의 1 미만, (ii) 이미지 검출기에 도달하도록 상향변환 빔의 약 107의 1 미만, (iii) 이미지 검출기에 도달하도록 상향변환 빔의 약 108의 1 미만, (iv) 이미지 검출기에 도달하도록 상향변환 빔의 약 1010의 1 미만, 또는 (v) 이미지 검출기에 도달하도록 상향변환 빔의 약 1012의 1 미만을 허용하도록 배치된다.
예 36. 예 28 내지 예 35 중 어느 하나의 장치에 있어서, 상기 이미지 필터링 요소는 하나 이상의 파장 의존형 필터를 포함한다.
예 37. 예 36의 장치에 있어서, 하나 이상의 파장 의존형 필터 중 적어도 하나는, 상향변환 파장과 상향변환된 이미지 파장들 중 임의의 하나 간의 공칭 컷오프 파장을 갖는 숏패스 또는 롱패스 필터를 포함한다.
예 38. 예 36 또는 예 37의 장치에 있어서, 하나 이상의 파장 의존형 필터 중 적어도 하나는 상향변환 파장을 공칭상 중심에 두는 노치 필터를 포함한다.
예 39. 예 28 내지 예 38 중 어느 하나의 장치에 있어서, 비선형 광학 매질은, 상향변환된 이미지 빔의 편광이 상향변환 빔의 편광에 실질적으로 수직이도록 배치된다.
예 40. 예 28 내지 예 39 중 어느 하나의 장치에 있어서, 상향변환 빔과 상향변환된 이미지 빔은 서로에 대하여 실질적으로 직교 편광되고, 이미지 필터링 요소는 상향변환 빔을 실질적으로 차단하도록 배치된 하나 이상의 편광자를 포함한다.
예 41. 예 28 내지 예 38 중 어느 하나의 장치에 있어서, 비선형 광학 매질은, 상향변환된 이미지 빔의 편광이 상향변환 빔의 편광에 실질적으로 평행하도록 배치된다.
예 42. 예 28 내지 예 41 중 어느 하나의 장치에 있어서, 비선형 광학 매질은, 비선형 광학적 상호작용이 결정적 위상 정합 프로세스이도록 배치된다.
예 43. 예 28 내지 예 41 중 어느 하나의 장치에 있어서, 비선형 광학 매질은, 비선형 광학적 상호작용이 비결정적 위상 정합 공정이도록 배치된다.
예 44. 예 29 내지 예 41 중 어느 하나의 장치에 있어서, 비선형 광학 매질은, 비선형 광학적 상호작용이 의사 위상 정합 프로세스이도록 배치된다.
예 45. 예 44의 장치에 있어서, 비선형 광학 매질은 주기적으로 분극된 비선형 광학 결정을 포함한다.
예 46. 예 44의 장치에 있어서, 비선형 광학 매질은, 비선형 광학 물질의 두 개 이상의 광학적으로 접촉된 판들의 적층부를 포함한다.
예 47. 예 44의 장치에 있어서, 비선형 광학 매질은 약 300μm 두께의 GaAs의 6개 내지 12개의 광학적으로 접촉된 판들의 적층부를 포함하고, 테라헤르츠 주파수는 약 1.55THz이고, 상향변환 파장은 약 1064nm이다.
예 48. 예 28 내지 예 43 중 어느 하나의 장치에 있어서, 비선형 광학 매질은 최대 약 8mm 내지 9mm 두께의 GaAs 판을 포함하고, 테라헤르츠 주파수는 약 0.3THz이고, 상향변환 파장은 약 1550nm이다.
예 49. 예 28 내지 예 48 중 어느 하나의 장치에 있어서, (i) 하나 이상의 테라헤르츠 광학 구성요소는, 테라헤르츠 이미징 빔의 일부를 수집하고 테라헤르츠 이미지 빔을 비선형 광학 매질을 통해 전파시키도록 배치된 제1 포커싱 요소를 포함하고, (ii) 객체와 비선형 광학 매질은, 테라헤르츠 이미지 빔이 비선형 광학 매질에서 객체의 테라헤르츠 이미지를 형성하도록 제1 포커싱 요소의 각 공액면에 위치결정되고, (iii) 하나 이상의 광학 구성요소는, 상향변환된 이미지 빔의 일부를 수집하고 상향변환된 이미지 빔을 이미지 검출기로 전파시키도록 배치된 제2 포커싱 요소를 포함하고, (iv) 비선형 광학 매질과 이미지 검출기는, 상향변환된 이미지 빔이 이미지 검출기에서 상향변환된 이미지를 형성하도록 제2 포커싱 요소의 각 공액면에 위치결정된다.
예 50. 예 28 내지 예 48 중 어느 하나의 장치에 있어서, (i) 하나 이상의 테라헤르츠 광학 구성요소는, 테라헤르츠 이미징 빔의 일부를 수집하고 테라헤르츠 이미지 빔을 비선형 광학 매질을 통해 전파시키도록 배치된, 유효 초점 거리(f1)를 특징으로 하는 제1 포커싱 요소를 포함하고, (ii) 객체와 비선형 광학 매질은, 테라헤르츠 이미지 빔이 비선형 광학 매질에서 객체의 테라헤르츠 이미지의 공간 푸리에 변환을 형성하도록 제1 포커싱 요소로부터 약 f1의 거리에 각각 위치결정되고, (iii) 하나 이상의 광학 구성요소는, 상향변환된 이미지 빔의 일부를 수집하고 상향변환된 이미지 빔을 이미지 검출기로 전파시키도록 배치된, 유효 초점 거리(f2)를 특징으로 하는 제2 포커싱 요소를 포함하고, (iv) 비선형 광학 매질과 이미지 검출기는, 상향변환된 이미지 빔이 이미지 검출기에서 상향변환된 이미지를 형성하도록 제2 포커싱 요소로부터 약 f2의 거리에 각각 위치결정된다.
예 51. 예 28 내지 예 50 중 어느 하나의 장치에 있어서, 이미지 검출기는, 이미징 검출기 어레이의 다수의 대응 검출기 요소에서 상향변환된 이미지 빔의 상이한 공간 부분들을 동시에 수신하도록 위치결정되고 배치된 이미징 검출기 어레이를 포함한다.
예 52. 예 28 내지 예 50 중 어느 하나의 장치에 있어서, 이미지 검출기는, 단일 검출기 요소에서 상향변환된 이미지 빔의 상이한 공간 부분들을 순차적으로 수신하도록 상향변환된 이미지 빔을 가로질러 스캐닝되도록 배치된 단일 검출기 요소를 포함한다.
예 53. 예 28 내지 예 52 중 어느 하나의 장치에 있어서, 하나 이상의 테라헤르츠 광학 구성요소 또는 하나 이상의 광학 구성요소 중 하나 또는 양측은, 상향변환된 이미지의 위치 의존형 강도가 테라헤르츠 이미지의 위치 의존형 위상과는 실질적으로 독립적이도록 배치된다.
예 54. 예 28 내지 예 52 중 어느 하나의 장치에 있어서, 하나 이상의 테라헤르츠 광학 구성요소는, 테라헤르츠 이미징 빔의 일부를 분할하여 테라헤르츠 기준 빔을 형성하고 테라헤르츠 기준 빔과 테라헤르츠 이미지 빔을 결합하여 테라헤르츠 이미지 빔과 테라헤르츠 기준 빔의 상이한 상대 위상으로 비선형 광학 매질을 통해 공동 전파시키도록 배치되고, 각 상향변환된 이미지의 위치 의존형 강도는 테라헤르츠 이미지 빔과 테라헤르츠 기준 빔의 대응하는 상대 위상에 적어도 부분적으로 의존한다.
전술한 상세한 설명에서, 다양한 특징은 본 개시 내용을 간략화하도록 몇몇 예시적인 실시예에서 함께 그룹화될 수 있다. 본 개시 내용의 방법은, 임의의 청구 실시예가 대응하는 청구항에 명시적으로 언급되는 것보다 많은 특징을 필요로 한다는 의도를 반영하는 것으로 해석해서는 안 된다. 오히려, 첨부된 청구범위가 반영하는 바와 같이, 본 발명의 주제는 개시된 단일 실시예의 모든 특징보다 적은 특징에 있을 수 있다. 따라서, 첨부된 청구범위는 본원에서 발명의 상세한 설명에 포함되며, 각 청구항은 별도로 개시된 고유의 실시예로서 개별로 존재하는 것이다. 그러나, 본 개시 내용은, 또한, 본원에서 명시적으로 개시되지 않을 수 있는 세트를 비롯하여 본 개시 내용 또는 첨부된 청구범위에서 보이는 개시되거나 청구되는 하나 이상의 특징의 임의의 적절한 세트(즉, 양립 불가능하거나 상호 배타적이지 않은 특징들의 세트)를 갖는 임의의 실시예를 함축적으로 개시하는 것으로서 해석해야 한다. 또한, 개시를 위해, 첨부된 종속항들의 각각은, 다수의 종속적 형태로 기입되고 내용이 상이한 모든 선행하는 청구항을 인용하는 것으로 해석해야 한다. 또한, 첨부된 청구범위의 범주는 반드시 본원에 개시된 주제의 전체를 포함하는 것은 아니라는 점에 주목해야 한다.
본 개시 내용과 첨부된 청구범위에 대하여, "또는"이라는 접속사는, (i) 예를 들어, "이거나 저거", "중 하나만", 또는 유사한 표현을 사용하여 명시적으로 다르게 표현되는 경우, 또는 (ii) 열거되는 대안 중 두 개 이상이 특정 문맥 내에서 상호 배타적인 경우로서, 이 경우 "또는"이 상호 배타적이지 않은 대안들에 관련된 조합만을 포함하는 경우가 아니라면, 포괄적으로 해석해야 한다(예를 들어, "개 또는 고양이"는 "개, 또는 고양이, 또는 둘 다"로서 해석되고, 예를 들어 "개, 고양이, 또는 쥐"는 "개, 또는 고양이, 또는 쥐, 또는 임의의 두 개, 또는 세 개 모두"로서 해석된다). 본 개시 내용과 첨부된 청구범위에 대하여, "포함하는"(comprising), "포함하는"(including), "갖는", 및 이들의 변형은, 기재되어 있는 어느 곳이든, 개방형 용어로서 해석해야 하며, "적어도"라는 용어가, 달리 명시되지 않는 한, 각각의 경우마다 "적어도"라는 용어가 첨부된 것처럼 동일한 의미를 갖는다. 본 개시 내용 또는 첨부된 청구범위에 대하여, 수치량에 관하여, "~과 대략 같은", "~과 실질적으로 같은", "약 ~보다 큰", "약 ~보다 작은" 등의 용어가 사용되는 경우, 상이한 해석이 명시적으로 제시되지 않는 한, 측정 정밀도 및 유효 자릿수에 관한 표준 협약이 적용된다. "실질적으로 방지되는", "실질적으로 없는", "실질적으로 제거된", "0과 대략 같은", "무시될만한" 등과 같은 문구로 기술된 무효 양의 경우, 이러한 각 문구는, 개시된 또는 청구된 장치 또는 방법의 의도된 동작이나 사용과 관련된 실제 목적을 위해 그 장치 또는 방법의 전체 거동 또는 수행이 무효 양이 실제로 0과 정확하게 같게 완전히 제거되었다면 또는 그 외에는 정확하게 무효화되었다면 발생하였을 장치 또는 방법의 전체 거동 또는 수행과 상이하지 않은 정도로 해당 양이 감소되었거나 줄어든 경우를 나타낸다.
청구범위에 있어서, 요소, 단계, 한정사항, 또는 청구항의 다른 부분(예를 들어, 제1, 제2 등, (a), (b), (c) 등, 또는 (i), (ii), (iii) 등)의 임의의 라벨링은 명료성을 위한 것일 뿐이며, 이렇게 라벨링된 청구항 부분들의 우선순위 또는 순서의 임의의 정렬을 암시하는 것으로서 해석되어서는 안 된다. 이러한 임의의 순서나 우선순위가 의도된 것이라면, 이것은 청구항에서 명시적으로 인용되며, 또는 일부 경우에는, 그 청구항의 구체적인 내용에 기초하여 내포될 수 있거나 내재적이다. 첨부된 청구범위에서, 특허법(35 USC §112(f))의 조항이 장치 청구항에서 적용되기를 원할 경우, "수단"이라는 단어가 그 장치 청구항에서 언급될 것이다. 그러한 조항이 방법 청구항에서 적용되기를 원한다면, "하기 위한 수단"이라는 단어가 그 방법 청구항에서 언급될 것이다. 역으로, "수단" 또는 "하기 위한 단계"라는 단어가 청구항에서 언급되지 않으면, 특허법(35 USC §112(f))의 조항은 그 청구항에 적용하지 않으려는 것이다.
하나 이상의 임의의 개시 내용이 본원에 통합되고 이렇게 통합되는 개시 내용이 본 개시 내용의 일부 또는 전체와 충돌하거나 그 범위에 있어서 본 개시 내용과 상이한 경우, 충돌 범위까지, 본 개시 내용이 더 넓은 개시 내용 또는 용어의 더 넓은 정의를 지배한다. 이렇게 통합되는 개시 내용들이 서로 부분적으로 또는 전체적으로 충돌하는 경우, 충돌 범위까지, 나중에 개시된 내용이 지배한다.
요약은 특허 문헌 내의 특정 주제를 찾는 사람들을 돕도록 필요에 따라 제공된 것이다. 그러나, 요약은, 요약에서 언급되는 임의의 요소, 특징, 또는 한정 사항이 반드시 임의의 특정 청구항에 의해 포함된다는 것을 암시하고자 하는 것은 아니다. 각 청구항에 의해 포함되는 주제의 범위는 해당 청구항만의 인용에 의해 결정된다.
Claims (34)
- 객체의 상향변환된 테라헤르츠 이미지를 획득하는 방법으로서,
(a) 약 0.05THz 내지 약 10THz의 테라헤르츠 주파수, 테라헤르츠 대역폭, 및 테라헤르츠 평균 전력을 특징으로 하는 연속파 테라헤르츠 이미징 빔으로 상기 객체를 조명하는 단계;
(b) 상기 객체에 의해 또는 상기 객체 주위로 투과되거나 상기 객체로부터 반사 또는 산란되는 상기 테라헤르츠 이미징 빔의 적어도 일부를 수집하고, 상기 일부를 비선형 광학 매질을 통해 테라헤르츠 이미지 빔으로서 전파시키는 단계로서, 상기 테라헤르츠 이미지 빔은 상기 비선형 광학 매질에서의 테라헤르츠 이미지 빔 크기를 특징으로 하는, 단계;
(c) 연속파 상향변환 빔을 상기 비선형 광학 매질을 통해 전파시키는 단계로서, 상기 상향변환 빔은, 상기 비선형 광학 매질에서 상기 테라헤르츠 이미지 빔과 적어도 부분적으로 공간적으로 겹치고, 상향변환 파장, 상향변환 대역폭, 상향변환 평균 전력, 및 상기 비선형 광학 매질에서의 상향변환 빔 크기를 특징으로 하는, 단계:
(d) 상기 비선형 광학 매질에서의 상기 테라헤르츠 이미지 빔과 상기 상향변환 빔의 비선형 광학적 상호작용에 의해 상기 테라헤르츠 이미지 빔의 적어도 일부를 상향변환하여, 상기 테라헤르츠 이미지 빔과 상기 상향변환 빔 간의 합-주파수 발생 또는 차-주파수 발생에 의해 생성되는 일측 파장 또는 양측 파장을 특징으로 하는 상향변환된 이미지 빔을 형성하는 단계;
(e) 이미지 검출기를 사용하여 상기 상향변환된 이미지 빔의 적어도 일부를 수신하고, 상기 상향변환된 이미지 빔에 의해 상기 이미지 검출기에 형성된 상향변환된 이미지를 상기 이미지 검출기로 검출하는 단계; 및
(f) 이미지 필터링 요소를 사용하여 상기 상향변환 빔의 약 106의 1 미만을 상기 이미지 검출기에 도달할 수 있게 하는 단계를 포함하고,
(g) 상기 테라헤르츠 평균 전력은 약 0.1W보다 크고, 상기 상향변환 파장은 약 400nm 내지 약 3500nm이고, 상기 상향변환 대역폭은 약 0.1nm 미만이고, 상기 상향변환 평균 전력은 약 1W 초과인, 방법. - 제1항에 있어서, 상기 상향변환 파장은 약 1000nm 내지 약 1100nm이고, 상기 상향변환 대역폭은 약 0.01nm 미만이고, 상기 상향변환 평균 전력은 약 10W 초과인, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 상향변환 파장은 약 1500nm 내지 약 1600nm이고, 상기 상향변환 대역폭은 약 0.01nm 미만이고, 상기 상향변환 평균 전력은 약 5W 초과인, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 상향변환 빔의 소스는 고체 레이저, 파이버 레이저, 또는 반도체 레이저인, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 테라헤르츠 주파수는 약 3THz 미만이고, 상기 테라헤르츠 평균 전력은 약 0.3W 초과인, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 테라헤르츠 주파수는 약 1.6THz 미만이고, 상기 테라헤르츠 평균 전력은 약 0.5W 초과인, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 테라헤르츠 빔의 소스는 후진파형 오실레이터, 하나 이상의 테라헤르츠 증폭기, 또는 하나 이상의 고조파 발생기를 포함하는, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 이미지 필터링 요소는 하나 이상의 파장 의존형 필터를 포함하는, 방법.
- 제8항에 있어서, 상기 하나 이상의 파장 의존형 필터 중 적어도 하나는, 상기 상향변환 파장과 상기 상향변환된 이미지 파장들 중 하나 간의 공칭 컷오프 파장을 갖는 숏패스 또는 롱패스 필터를 포함하는, 방법.
- 제8항에 있어서, 상기 하나 이상의 파장 의존형 필터 중 적어도 하나는, 상기 상향변환 파장을 포함하는 거부 대역폭을 갖는 노치 필터를 포함하는, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 상향변환 빔과 상기 상향변환된 이미지 빔은, 서로 실질적으로 직교하여 편광되며, 상기 이미지 필터링 요소는 상기 상향변환 빔을 실질적으로 차단하도록 배치된 하나 이상의 편광자를 포함하는, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 비선형 광학 매질은, 상기 비선형 광학적 상호작용이 의사 위상 정합 프로세스(quasi-phase-matched process)이도록 배치된, 방법.
- 제12항에 있어서, 상기 비선형 광학 매질은, 비선형 광학 물질의 광학적으로 접촉되는 두 개 이상의 판의 적층부를 포함하는, 방법.
- 제1항에 있어서, (i) 제1 포커싱 요소는, 상기 테라헤르츠 이미징 빔의 상기 일부를 수집하고, 상기 테라헤르츠 이미지 빔을 상기 비선형 광학 매질을 통해 전파시키고,
(ii) 상기 객체와 상기 비선형 광학 매질은, 상기 테라헤르츠 이미지 빔이 상기 비선형 광학 매질에서 상기 객체의 테라헤르츠 이미지를 형성하도록 상기 제1 포커싱 요소의 각 공액면에 위치결정되고,
(iii) 제2 포커싱 요소는, 상기 상향변환된 이미지 빔의 상기 일부를 수집하고, 상기 상향변환된 이미지 빔을 상기 이미지 검출기로 전파시키고,
(iv) 상기 비선형 광학 매질과 상기 이미지 검출기는, 상기 상향변환된 이미지 빔이 상기 이미지 검출기에 상기 상향변환된 이미지를 형성하도록 상기 제2 포커싱 요소의 각 공액면에 위치결정되는, 방법. - 제1항에 있어서, (i) 유효 초점 거리(f1)를 특징으로 하는 제1 포커싱 요소는, 상기 테라헤르츠 이미징 빔의 상기 일부를 수집하고, 상기 테라헤르츠 이미지 빔을 상기 비선형 광학 매질을 통해 전파시키고,
(ii) 상기 객체와 상기 비선형 광학 매질은, 상기 테라헤르츠 이미지 빔이 상기 비선형 광학 매질에서 상기 객체의 테라헤르츠 이미지의 공간 푸리에 변환을 형성하도록 상기 제1 포커싱 요소로부터 약 f1의 거리에 각각 위치결정되고,
(iii) 유효 초점 거리(f2)를 특징으로 하는 제2 포커싱 요소는, 상기 상향변환된 이미지 빔의 상기 일부를 수집하고, 상기 상향변환된 이미지 빔을 상기 이미지 검출기로 전파시키고,
(iv) 상기 비선형 광학 매질과 상기 이미지 검출기는, 상기 상향변환된 이미지 빔이 상기 이미지 검출기에 상기 상향변환된 이미지를 형성하도록 상기 제2 포커싱 요소로부터 약 f2의 거리에 각각 위치결정되는, 방법. - 제1항에 있어서, 상기 이미지 검출기는 이미징 검출기 어레이를 포함하고, 상기 상향변환된 이미지를 검출하는 단계는, 상기 이미징 검출기 어레이의 다수의 대응 검출기 요소에서 상기 상향변환된 이미지 빔의 상이한 공간적 일부들을 동시에 수신하는 단계를 포함하는, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 테라헤르츠 이미징 빔의 일부를 분할하여 테라헤르츠 기준 빔을 형성하는 단계;
상기 테라헤르츠 기준 빔과 상기 테라헤르츠 이미지 빔을 결합하여 상기 비선형 광학 매질을 통해 공동 전파시키는 단계; 및
상기 테라헤르츠 이미지 빔과 상기 테라헤르츠 기준 빔의 대응하는 상이한 상대 위상들을 갖는 다수의 상향변환된 테라헤르츠 이미지를 획득하는 단계를 더 포함하고,
각각의 상향변환된 이미지의 위치 의존형 강도는, 상기 테라헤르츠 이미지 빔과 상기 테라헤르츠 기준 빔의 상기 대응하는 위치 의존형 상대 위상에 적어도 부분적으로 의존하는, 방법. - 객체의 상향변환된 테라헤르츠 이미지를 획득하는 장치로서,
(a) 약 0.05THz 내지 약 10THz의 테라헤르츠 주파수, 테라헤르츠 대역폭, 및 테라헤르츠 평균 전력을 특징으로 하는 연속파 테라헤르츠 이미징 빔으로 상기 객체를 조명하도록 배치된 테라헤르츠 소스;
(b) 상기 객체에 의해 또는 상기 객체 주위로 투과되거나 상기 객체로부터 반사 또는 산란되는 상기 테라헤르츠 이미징 빔의 적어도 일부를 수집하고, 상기 일부를 비선형 광학 매질을 통해 테라헤르츠 이미지 빔으로서 전파시키도록 배치된 하나 이상의 테라헤르츠 광학 구성요소로서, 상기 테라헤르츠 이미지 빔은 상기 비선형 광학 매질에서의 테라헤르츠 이미지 빔 크기를 특징으로 하는, 테라헤르츠 광학 구성요소;
(c) 연속파 상향변환 빔을 방출하도록 배치된 광원;
(d) 상기 상향변환 빔을 상기 비선형 광학 매질을 통해 전파시키도록 배치된 하나 이상의 광학 구성요소로서, 상기 상향변환 빔은, 상기 비선형 광학 매질에서 상기 테라헤르츠 이미지 빔과 적어도 부분적으로 공간적으로 겹치고, 상향변환 파장, 상향변환 대역폭, 상향변환 평균 전력, 및 상기 비선형 광학 매질에서의 상향변환 빔 크기를 특징으로 하는, 광학 구성요소;
(e) 상기 비선형 광학 매질에서의 상기 테라헤르츠 이미지 빔과 상기 상향변환 빔의 비선형 광학적 상호작용에 의해 상기 테라헤르츠 이미지 빔의 적어도 일부를 상향변환하여, 상기 테라헤르츠 이미지 빔과 상기 상향변환 빔 간의 합-주파수 발생 또는 차-주파수 발생에 의해 생성되는 일측 파장 또는 양측 파장을 특징으로 하는 상향변환된 이미지 빔을 형성하도록 배치된 상기 비선형 광학 매질;
(f) 상기 상향변환된 이미지 빔의 적어도 일부를 수신하고, 상기 상향변환된 이미지 빔에 의해 상기 이미지 검출기에 형성되는 상향변환된 이미지를 검출하도록 배치된 이미지 검출기; 및
(g) 상기 상향변환 빔의 약 106의 1 미만이 상기 이미지 검출기에 도달할 수 있게 하도록 배치된 이미지 필터링 요소를 포함하고,
(h) 상기 상향변환 파장은 약 400nm 내지 약 3500nm이고, 상기 상향변환 대역폭은 약 0.1nm 미만이고, 상기 상향변환 평균 전력은 약 1W 초과인, 장치. - 제18항에 있어서, 상기 상향변환 파장은 약 1000nm 내지 약 1100nm이고, 상기 상향변환 대역폭은 약 0.01nm 미만이고, 상기 상향변환 평균 전력은 약 10W 초과인, 장치.
- 제18항에 있어서, 상기 상향변환 파장은 약 1500nm 내지 약 1600nm이고, 상기 상향변환 대역폭은 약 0.01nm 미만이고, 상기 상향변환 평균 전력은 약 5W 초과인, 장치.
- 제18항에 있어서, 상기 상향변환 빔의 소스는 고체 레이저, 파이버 레이저, 또는 반도체 레이저인, 장치.
- 제18항에 있어서, 상기 테라헤르츠 주파수는 약 3THz 미만이고, 상기 테라헤르츠 평균 전력은 약 0.3W 초과인, 장치.
- 제18항에 있어서, 상기 테라헤르츠 주파수는 약 1.6THz 미만이고, 상기 테라헤르츠 평균 전력은 약 0.5W 초과인, 장치.
- 제18항에 있어서, 상기 테라헤르츠 빔의 소스는 후진파형 오실레이터, 하나 이상의 테라헤르츠 증폭기, 또는 하나 이상의 고조파 발생기를 포함하는, 장치.
- 제18항에 있어서, 상기 이미지 필터링 요소는 하나 이상의 파장 의존형 필터를 포함하는, 장치.
- 제25항에 있어서, 상기 하나 이상의 파장 의존형 필터 중 적어도 하나는, 상기 상향변환 파장과 상기 상향변환된 이미지 파장들 중 하나 간의 공칭 컷오프 파장을 갖는 숏패스 또는 롱패스 필터를 포함하는, 장치.
- 제25항에 있어서, 상기 하나 이상의 파장 의존형 필터 중 적어도 하나는, 상기 상향변환 파장을 포함하는 거부 대역폭을 갖는 노치 필터를 포함하는, 장치.
- 제18항에 있어서, 상기 상향변환 빔과 상기 상향변환된 이미지 빔은, 서로 실질적으로 직교하여 편광되며, 상기 이미지 필터링 요소는 상기 상향변환 빔을 실질적으로 차단하도록 배치된 하나 이상의 편광자를 포함하는, 장치.
- 제18항에 있어서, 상기 비선형 광학 매질은, 상기 비선형 광학적 상호작용이 의사 위상 정합 프로세스이도록 배치된, 장치.
- 제29항에 있어서, 상기 비선형 광학 매질은, 비선형 광학 물질의 광학적으로 접촉되는 두 개 이상의 판의 적층부를 포함하는, 장치.
- 제18항에 있어서, (i) 상기 하나 이상의 테라헤르츠 광학 구성요소는, 상기 테라헤르츠 이미징 빔의 상기 일부를 수집하고 상기 테라헤르츠 이미지 빔을 상기 비선형 광학 매질을 통해 전파시키도록 배치된 제1 포커싱 요소를 포함하고,
(ii) 상기 객체와 상기 비선형 광학 매질은, 상기 테라헤르츠 이미지 빔이 상기 비선형 광학 매질에서 상기 객체의 테라헤르츠 이미지를 형성하도록 상기 제1 포커싱 요소의 각 공액면에 위치결정되고,
(iii) 상기 하나 이상의 광학 구성요소는, 상기 상향변환된 이미지 빔의 상기 일부를 수집하고, 상기 상향변환된 이미지 빔을 상기 이미지 검출기로 전파시키도록 배치된 제2 포커싱 요소를 포함하고,
(iv) 상기 비선형 광학 매질과 상기 이미지 검출기는, 상기 상향변환된 이미지 빔이 상기 이미지 검출기에 상기 상향변환된 이미지를 형성하도록 상기 제2 포커싱 요소의 각 공액면에 위치결정되는, 장치. - 제18항에 있어서, (i) 상기 하나 이상의 테라헤르츠 광학 구성요소는, 상기 테라헤르츠 이미징 빔의 상기 일부를 수집하고 상기 테라헤르츠 이미지 빔을 상기 비선형 광학 매질을 통해 전파시키도록 배치된, 유효 초점 거리(f1)를 특징으로 하는 제1 포커싱 요소를 포함하고,
(ii) 상기 객체와 상기 비선형 광학 매질은, 상기 테라헤르츠 이미지 빔이 상기 비선형 광학 매질에서 상기 객체의 테라헤르츠 이미지의 공간 푸리에 변환을 형성하도록 상기 제1 포커싱 요소로부터 약 f1의 거리에 각각 위치결정되고,
(iii) 상기 하나 이상의 광학 구성요소는, 상기 상향변환된 이미지 빔의 상기 일부를 수집하고 상기 상향변환된 이미지 빔을 상기 이미지 검출기로 전파시키도록 배치된, 유효 초점 거리(f2)를 특징으로 하는 제2 포커싱 요소를 포함하고,
(iv) 상기 비선형 광학 매질과 상기 이미지 검출기는, 상기 상향변환된 이미지 빔이 상기 이미지 검출기에 상기 상향변환된 이미지를 형성하도록 상기 제2 포커싱 요소로부터 약 f2의 거리에 각각 위치결정되는, 장치. - 제18항에 있어서, 상기 이미지 검출기는, 이미징 검출기 어레이의 다수의 대응 검출기 요소에서 상기 상향변환된 이미지 빔의 상이한 공간적 일부들을 동시에 수신하도록 위치결정되고 배치된 상기 이미징 검출기 어레이를 포함하는, 장치.
- 제18항에 있어서, 상기 하나 이상의 테라헤르츠 광학 구성요소는, 상기 테라헤르츠 이미징 빔의 일부를 분할하여 테라헤르츠 기준 빔을 형성하고, 상기 테라헤르츠 기준 빔과 상기 테라헤르츠 이미지 빔을 결합하여 상기 테라헤르츠 이미지 빔과 상기 테라헤르츠 기준 빔의 상이한 상대 위상을 갖고서 상기 비선형 광학 매질을 통해 공동 전파시키도록 배치되고,
각각의 상향변환된 이미지의 위치 의존형 강도는, 상기 테라헤르츠 이미지 빔과 상기 테라헤르츠 기준 빔의 상기 대응하는 위치 의존형 상대 위상에 적어도 부분적으로 의존하는, 장치.
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