RU152973U1 - DEVICE FOR THE FORMATION OF A HOMOGENEAR BEAM OF THE LIGHT OF THERAHZ RADIATION - Google Patents

Abstract

1. Устройство для формирования однородного пучка подсвета терагерцового излучения из излучения источника с неоднородным пучком, характеризующееся корпусом в форме усеченного конуса с внутренней боковой отражающей поверхностью, заполненного диэлектрическими сферами с минимальным коэффициентом поглощения терагерцового излучения, входного и выходного окон в форме плоскопараллельных пластин из прозрачного в терагерцовом диапазоне материала, при этом диаметры сферических частиц, плотно заполняющих внутреннее пространство устройства, удовлетворяют условию λ≤d≤3λ, где λ - длина волны терагерцового излучения источника.2. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что отношение диаметров входного и выходного окон определяет требуемое угловое увеличениегде- диаметр входного окна устройства, b - диаметр выходного окна устройства.3. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что отражающим материалом боковой поверхности конуса является металлическая фольга или металлическое напыление, а прозрачным в терагерцовом диапазоне материалом с минимальным коэффициентом поглощения терагерцового излучения - полимер типа полиэтилен, полиметилпентен, кристаллический кварц.1. Device for forming a uniform terahertz radiation illumination beam from radiation of a source with a nonuniform beam, characterized by a truncated cone-shaped body with an internal lateral reflective surface filled with dielectric spheres with a minimum absorption coefficient of terahertz radiation, input and output windows in the form of plane-parallel transparent to the terahertz range of the material, while the diameters of the spherical particles densely filling the internal space of the device, satisfy the condition λ≤d≤3λ, where λ is the terahertz radiation wavelength of the source. 2. The device according to claim 1, characterized in that the ratio of the diameters of the input and output windows determines the required angular increase, where is the diameter of the input window of the device, b is the diameter of the output window of the device. The device according to claim 1, characterized in that the reflective material of the side surface of the cone is metal foil or metal spraying, and a material transparent in the terahertz range with a minimum absorption coefficient of terahertz radiation is a polymer such as polyethylene, polymethylpentene, crystalline quartz.

Description

Область техникиTechnical field

Полезная модель относится к вспомогательным оптическим компонентам, используемым в составе активных терагерцовых изображающих систем различного назначения.The utility model relates to auxiliary optical components used in active terahertz imaging systems for various purposes.

Уровень техникиState of the art

В современных терагерцовых изображающих системах могут использоваться как пассивный метод [1], когда регистрируется собственное излучение объекта в диапазоне частот 0,1…5,0 ТГц электромагнитного спектра, так и активный метод [2]. Активный метод характеризуется применением источника подсвета, излучение которого, отражаясь от объекта, регистрируется детектором изображающей системы. Использование источника подсвета в активном методе ведет к увеличению регистрируемого сигнала по мощности, что способствует увеличению отношения сигнал/шум системы и, соответственно, достижению улучшенных характеристик обнаружения. В качестве источника подсвета в настоящее время используются лампы обратной волны. В системах активных терагерцовых изображающих систем различного назначения, используемых для обнаружения скрытых объектов, дефектоскопии конструкционных материалов, существенным является получение однородной по площади подсветки объекта, что труднодостижимо в случае применения существующих источников терагерцового излучения типа лампы обратной волны. Их излучение на выходе имеет неравномерную структуру, а именно, пучок терагерцового излучения имеет несколько максимумов яркости в сечении, перпендикулярном направлению распространения излучения. Это приводит к тому, что в активной системе полезно используется только часть выходной мощности излучения, соответствующая центральной части выходного пучка излучения, а остальная часть отсекается с помощью диафрагм.In modern terahertz imaging systems, both the passive method [1] can be used, when the object's own radiation is recorded in the frequency range 0.1 ... 5.0 THz of the electromagnetic spectrum, and the active method [2]. The active method is characterized by the use of a backlight, the radiation of which, reflected from the object, is recorded by the detector of the imaging system. The use of a backlight source in the active method leads to an increase in the recorded signal in terms of power, which contributes to an increase in the signal-to-noise ratio of the system and, accordingly, to the achievement of improved detection characteristics. Backlight lamps are currently used as a source of illumination. In active terahertz imaging systems for various purposes used to detect hidden objects, flaw detection of structural materials, it is essential to obtain a uniform illumination area of the object, which is difficult to achieve if existing sources of terahertz radiation such as a backward wave lamp are used. Their radiation at the output has an uneven structure, namely, the terahertz radiation beam has several brightness maxima in the cross section perpendicular to the direction of radiation propagation. This leads to the fact that in the active system only part of the output radiation power corresponding to the central part of the output radiation beam is useful, and the rest is cut off with the help of diaphragms.

В качестве аналога предлагаемой полезной модели можно принять оптический интегратор как устройство для формирования и требуемого увеличения выходной площади однородного пучка электромагнитного излучения, представляющее собой прозрачную для излучения конструкцию переменного сечения, в том числе с зеркальными отражающими боковыми стенками в базовом варианте исполнения [3].As an analogue of the proposed utility model, we can take the optical integrator as a device for forming and the required increase in the output area of a uniform beam of electromagnetic radiation, which is a transparent structure of variable cross section, transparent for radiation, including with mirror reflecting side walls in the basic version [3].

Однако данное устройство предназначено для формирования однородного пучка оптического, а не терагерцового электромагнитного излучения, и поэтому в нем отсутствуют специфические признаки формирователя и углового увеличителя однородного пучка терагерцового электромагнитного излучения.However, this device is designed to form a homogeneous beam of optical, rather than terahertz electromagnetic radiation, and therefore there are no specific features of the shaper and angular magnifier of a homogeneous beam of terahertz electromagnetic radiation.

Раскрытие полезной моделиUtility Model Disclosure

Техническим результатом полезной модели является повышение однородности пучка источника терагерцового излучения, изотропное распределение мощности излучения по сечению пучка с одним центральным пиком мощности.The technical result of the utility model is to increase the uniformity of the beam of a terahertz radiation source, the isotropic distribution of the radiation power over the beam cross section with one central peak of power.

Для эффективного использования излучения источника и повышения эффективности работы активных изображающих систем терагерцового диапазона на основе ламп обратной волны предлагается использовать устройство, интегрирующее всю выходную мощность излучения источника в однородный пучок для подсвета объекта.To effectively use the source radiation and increase the efficiency of active terahertz image systems based on backward wave tubes, it is proposed to use a device that integrates the entire output power of the source radiation into a uniform beam to illuminate the object.

Технический результат достигается посредством того, что устройство для формирования однородного пучка подсвета терагерцового излучения из излучения терагерцового источника с неоднородным пучком включает в себя корпус в форме усеченного конуса с внутренней боковой отражающей поверхностью, пространство внутри которого плотно в случайном порядке заполнено сферическими диэлектрическими частицами с минимальным коэффициентом поглощения терагерцового излучения и с диаметром, равным 1…3 длинам волн излучения источника. В основаниях конуса расположены входное и выходное окна - плоскопараллельные пластины, изготовленные из прозрачного в терагерцовом диапазоне материала. Пластины плотно соединены с конусом устройства посредством проклейки в местах соединения.The technical result is achieved by the fact that the device for generating a uniform terahertz radiation backlight from the radiation of a terahertz source with an inhomogeneous beam includes a truncated cone-shaped body with an internal lateral reflective surface, the space inside which is densely randomly filled with spherical dielectric particles with a minimum coefficient absorption of terahertz radiation and with a diameter equal to 1 ... 3 wavelengths of the radiation source. At the base of the cone are the input and output windows - plane-parallel plates made of transparent material in the terahertz range of material. The plates are tightly connected to the cone of the device by gluing at the joints.

Отношение диаметров входного и выходного окон определяет требуемое угловое увеличение устройства, необходимое для равномерного подсвета объекта определенной площади: γ=a/b, где a - диаметр входного окна устройства, b - диаметр выходного окна устройства.The ratio of the diameters of the input and output windows determines the required angular increase of the device, necessary for uniform illumination of an object of a certain area: γ = a / b, where a is the diameter of the input window of the device, b is the diameter of the output window of the device.

Отражающим материалом боковой поверхности конуса является металлическая фольга или металлическое напыление, а прозрачным в терагерцовом диапазоне материалом с минимальным коэффициентом поглощения терагерцового излучения -полимер типа полиэтилен, полиметилпентен, кристаллический кварц.The reflecting material of the side surface of the cone is metal foil or metal spraying, and a transparent material in the terahertz range with a minimum absorption coefficient of terahertz radiation is a polymer such as polyethylene, polymethylpentene, crystalline quartz.

На фиг. 1 изображена схема предлагаемого устройства.In FIG. 1 shows a diagram of the proposed device.

Осуществление полезной моделиUtility Model Implementation

Предлагаемое устройство работает при условии расположения вплотную к источнику излучения, так чтобы поток излучения источника с неоднородным пучком максимально попадал на входное окно 1 и далее через него в устройство. Входное окно представляет собой плоскопараллельную пластину из прозрачного в терагерцовом диапазоне материала - полимеров типа полиэтилен, полиметилпентен, кристаллический кварц. Далее излучение попадает внутрь усеченного конуса 2, боковая поверхность которого покрыта отражающим материалом 3 (аналог зеркальной отражающей поверхности - металлическая фольга или металлическое напыление), коэффициент отражения излучения металла в ТГц диапазоне порядка 99,8%, это позволяет не терять мощность на поглощение в материале конуса, а отражать лучи обратно в рассеивающую среду, увеличивая число актов рассеяния, т.е. максимально эффективно используя рассеивающий объем). Пространство внутри конуса заполнено диэлектрическими сферическими частицами 4 с минимальным коэффициентом поглощения для частоты излучения источника (материал частиц - полимер, например, полиэтилен, полиметилпентен, кристаллический кварц), уложенными плотно и в случайном порядке в объеме, что приводит к многократному рассеянию излучения источника на этих сферических частицах, вследствие чего на выходе из устройства излучение имеет практически однородную структуру. Существенно, чтобы диаметр частиц по размеру соответствовал 1…3 длинам волн источника излучения (прим.: в диапазоне терагерцовых излучений диапазон длин волн от 100 мкм до 1 мм). В этом случае внутренний объем устройства представляет собой сильно рассеивающую среду, и при этом условии наиболее сильно проявляются интерференционные эффекты в рассеянии излучения. Вместе с плотной упаковкой частиц, т.е. в случае многократного рассеяния, это позволяет достичь требуемого эффекта «размазывания» мощности излучения по сечению пучка. А за счет изменения диаметра частиц достигается наилучшее совпадение с длиной волны источника излучения, что имеет значение при использовании различных источников излучения. Излучение источника многократно рассеивается случайным образом на каждой частице, при попадании на отражающую стенку конуса отражается обратно в объем рассеивающей среды. При выходе обратно в сторону источника излучение, в случае плотного соединения устройства и источника, отражается от корпуса источника и снова попадает в рассеивающую среду. После прохождения через внутренний объем рассеивающей среды устройства излучение попадает на выходное окно 5, имея при этом практически равномерную структуру по сечению пучка и угловую расходимость θ′, определяемую по формуле:

где a - диаметр входного окна устройства, b - диаметр выходного окна устройства, θ - угловая расходимость пучка излучения из источника при входе в предлагаемое устройство.The proposed device operates provided that it is located close to the radiation source, so that the radiation flux of the source with an inhomogeneous beam reaches the input window 1 as much as possible and then through it into the device. The entrance window is a plane-parallel plate of a material that is transparent in the terahertz range - polymers such as polyethylene, polymethylpentene, crystalline quartz. Then the radiation enters the truncated cone 2, the side surface of which is covered with reflective material 3 (analog of the mirror reflective surface - metal foil or metal spraying), the reflection coefficient of the radiation of the metal in the THz range of about 99.8%, this allows you to not lose power absorption in the material cone, and reflect the rays back into the scattering medium, increasing the number of scattering events, i.e. using the scattering volume as efficiently as possible). The space inside the cone is filled with dielectric spherical particles 4 with a minimum absorption coefficient for the radiation frequency of the source (particle material - polymer, for example, polyethylene, polymethylpentene, crystalline quartz) stacked tightly and randomly in the volume, which leads to multiple scattering of the radiation of the source on these spherical particles, as a result of which, at the exit from the device, the radiation has an almost uniform structure. It is essential that the particle diameter in size corresponds to 1 ... 3 wavelengths of the radiation source (note: in the range of terahertz radiation, the wavelength range is from 100 μm to 1 mm). In this case, the internal volume of the device is a strongly scattering medium, and under this condition the interference effects in radiation scattering are most pronounced. Together with close packing of particles, i.e. in the case of multiple scattering, this allows us to achieve the desired effect of "smearing" of the radiation power over the beam cross section. And due to the change in particle diameter, the best match is achieved with the wavelength of the radiation source, which is important when using various radiation sources. The radiation from the source is repeatedly scattered randomly on each particle; when it hits the reflecting wall, the cone is reflected back into the volume of the scattering medium. When you exit back to the source side, the radiation, in the case of a tight connection between the device and the source, is reflected from the source body and again enters the scattering medium. After passing through the internal volume of the scattering medium of the device, the radiation enters the exit window 5, while having an almost uniform structure over the beam cross section and the angular divergence θ ′, determined by the formula:

where a is the diameter of the input window of the device, b is the diameter of the output window of the device, θ is the angular divergence of the radiation beam from the source at the entrance to the proposed device.

Расходимость должна увеличиваться, чтобы подсвечивать как можно большую площадь. Требуемое увеличение расходимости необходимо для дальнейшего использования источника при подсветке объекта, расположенного на определенном расстоянии от источника, тогда необходимо, чтобы сечение пучка имело площадь, равную площади задаваемой части объекта, в этом случае энергия пучка будет максимально эффективно использоваться. Равномерность структуры пучка по сечению оценивается качественно с помощью определения профиля пучка в различных сечениях и сравнения максимального и минимального значений мощности.The divergence should increase to highlight the largest possible area. The required increase in divergence is necessary for further use of the source when illuminating an object located at a certain distance from the source, then it is necessary that the beam cross section has an area equal to the area of the specified part of the object, in this case the beam energy will be used as efficiently as possible. The uniformity of the beam structure over the cross section is evaluated qualitatively by determining the profile of the beam in various sections and comparing the maximum and minimum power values.

Таким образом, использование данного устройства позволяет повысить однородность сечения пучка подсвета в терагерцовых изображающих системах за счет эффективного использования рассеяния терагерцового излучения в плотноупакованной диэлектрической среде.Thus, the use of this device allows to increase the uniformity of the cross section of the backlight beam in terahertz imaging systems due to the effective use of scattering of terahertz radiation in a close-packed dielectric medium.

Источники опубликованной информацииSources of Published Information

1. Патентная заявка США US 2009065696 (A1) DETECTION METHOD AND APPARATUS, МПК G01J 5/02, опубл. 12.03.20091. Patent application US US 2009065696 (A1) DETECTION METHOD AND APPARATUS, IPC G01J 5/02, publ. 03/12/2009

2. Gang Chen, Jie Pei, Fei Yang, Xiao Yang Zhou, Z.L. Sim, and Tie Jun Cui, Terahertz-Wave Imaging System Based on Backward Wave Oscillator, IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology, 2 (5), 2012, p. 504-5122. Gang Chen, Jie Pei, Fei Yang, Xiao Yang Zhou, Z.L. Sim, and Tie Jun Cui, Terahertz-Wave Imaging System Based on Backward Wave Oscillator, IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology, 2 (5), 2012, p. 504-512

3. Патент США US 6205271 (B1) OPTICAL INTEGRATOR ROD, МПК G02B 19/00; G02B 6/00; G02B 6/26, опубл. 20.03.20013. US patent US 6205271 (B1) OPTICAL INTEGRATOR ROD, IPC G02B 19/00; G02B 6/00; G02B 6/26, publ. 03/20/2001

Claims (3)

1. Устройство для формирования однородного пучка подсвета терагерцового излучения из излучения источника с неоднородным пучком, характеризующееся корпусом в форме усеченного конуса с внутренней боковой отражающей поверхностью, заполненного диэлектрическими сферами с минимальным коэффициентом поглощения терагерцового излучения, входного и выходного окон в форме плоскопараллельных пластин из прозрачного в терагерцовом диапазоне материала, при этом диаметры сферических частиц, плотно заполняющих внутреннее пространство устройства, удовлетворяют условию λ≤d≤3λ, где λ - длина волны терагерцового излучения источника.1. Device for forming a uniform terahertz radiation illumination beam from radiation of a source with a nonuniform beam, characterized by a truncated cone-shaped body with an internal lateral reflective surface filled with dielectric spheres with a minimum absorption coefficient of terahertz radiation, input and output windows in the form of plane-parallel transparent to the terahertz range of the material, while the diameters of the spherical particles densely filling the internal space of the device, satisfy the condition λ≤d≤3λ, where λ is the wavelength of terahertz radiation of the source. 2. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что отношение диаметров входного и выходного окон определяет требуемое угловое увеличение

где

- диаметр входного окна устройства, b - диаметр выходного окна устройства.2. The device according to claim 1, characterized in that the ratio of the diameters of the input and output windows determines the required angular increase

Where

is the diameter of the input window of the device, b is the diameter of the output window of the device. 3. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что отражающим материалом боковой поверхности конуса является металлическая фольга или металлическое напыление, а прозрачным в терагерцовом диапазоне материалом с минимальным коэффициентом поглощения терагерцового излучения - полимер типа полиэтилен, полиметилпентен, кристаллический кварц.

3. The device according to claim 1, characterized in that the reflective material of the side surface of the cone is metal foil or metal spraying, and a material that is transparent in the terahertz range with a minimum absorption coefficient of terahertz radiation is a polymer such as polyethylene, polymethylpentene, crystalline quartz.

Images