Guided terahertz pulse reflectometry with double photoconductive antenna - Université de Limoges
Article Dans Une Revue Applied optics Année : 2020

Guided terahertz pulse reflectometry with double photoconductive antenna

Résumé

يتناول البحث، الذي يحمل عنوان "قياس انعكاس النبضات التيراهيرتز الموجهة باستخدام هوائي موصل ضوئي مزدوج"، تنفيذ وتحسين نظام تصوير نبضات التيراهيرتز ضمن تكوين قياس انعكاس موجه. ويستند هذا العمل إلى الخصائص الفريدة لترددات التيراهيرتز، والتي توفر الاختراق عبر الهياكل المعتمة والقدرة على تحديد المواد عبر السمات الطيفية. وتجعل هذه القدرات تقنية التيراهيرتز جذابة للغاية للتطبيقات في تحليل المواد والتصوير الطبي الحيوي والاختبار غير المدمر والمزيد. ويتمثل جوهر هذا البحث في التحدي المتمثل في تحسين تصوير التيراهيرتز في السيناريوهات التي تتطلب قياسات في الموقع حيث تكون الأنظمة البصرية التقليدية غير عملية بسبب مشكلات الحجم أو المحاذاة أو الكفاءة. ويهدف المؤلفون إلى تطوير نظام مضغوط وفعال يجمع بين توليد نبضات التيراهيرتز واكتشافها باستخدام موجه مجوف، مما يلغي الحاجة إلى بصريات إضافية. تم تصميم هذا الإعداد لتوجيه موجات التيراهرتز مباشرة إلى العينة واسترجاع الإشارات المنعكسة بأقل قدر من تبديد الطاقة، وبالتالي تبسيط النظام وتعزيز قابلية النقل. يستخدم النظام المقترح جهاز إرسال واستقبال هوائي ضوئي مزدوج (PCA) مصنوع على طبقة نشطة واحدة من زرنيخيد الغاليوم (LT-GaAs) المزروعة في درجات حرارة منخفضة. يدمج هذا التصميم هوائيين لكل من إصدار وكشف نبضات التيراهرتز، مما يسمح بالاقتران المباشر مع موجه مجوف من السيليكا. لا يقلل غياب مكونات التركيز البصري من تعقيد النظام فحسب، بل يعزز أيضًا من قدرته على التكيف مع تطبيقات التصوير. تبدأ الدراسة بتوصيف جهاز إرسال واستقبال التيراهرتز لتقييم خصائصه الإشعاعية. تكشف المحاكاة باستخدام نموذج كهرومغناطيسي ثلاثي الأبعاد أن تصميم هوائي Yagi-Uda، المدمج في PCA، يوفر توجيهًا عاليًا وانبعاثًا فعالًا للموجات. تم تكوين هذه الهوائيات لتقليل الانعكاسات الداخلية والتداخل بين مكونات الإرسال والكشف، وهو اعتبار بالغ الأهمية لقياس الإشارة بدقة. يتضمن التوصيف أيضًا تحليلًا للموجة المجوفة، والتي تستخدم آليات الانعكاس المضادة للرنين للانتشار المنخفض الخسارة لنبضات التيراهرتز على نطاق ترددي واسع. يتم إنشاء الإعداد التجريبي لقياس انعكاس نبضات التيراهرتز الموجهة عن طريق محاذاة جهاز الإرسال والاستقبال مع الموجة الموجهة، مما يضمن اقتران النبضات المنبعثة بكفاءة وتوجيهها نحو العينة. ثم يتم التقاط الإشارات المنعكسة وتحليلها لاستخراج الخصائص العازلة للعينة. يتم اختبار أداء النظام باستخدام مخطط اختبار الدقة للقوات الجوية الأمريكية لعام 1951، وهي أداة قياسية لتقييم دقة التصوير. توضح النتائج دقة 0.707 زوجًا من الخطوط لكل مليمتر على مدى تردد 400-550 جيجاهرتز، مما يثبت قدرة النظام على التصوير عالي الجودة. بالإضافة إلى ذلك، أجرى المؤلفون عمليات محاكاة لتقييم كفاءة نقل الطاقة من جهاز الإرسال والاستقبال إلى الموجّه والتحقيق في ديناميكيات انتشار نبضات التيراهرتز. تشير هذه المحاكاة إلى أن النظام يحقق كفاءة كبيرة في اقتران الطاقة، بحد أقصى 22.78% عند 340 جيجاهرتز. يدعم الموجّه المجوف أيضًا بنجاح انتشار نبضات التيراهرتز مع الحد الأدنى من التشوه، وهو عامل رئيسي للحفاظ على دقة الصورة. أحد الإنجازات البارزة لهذا العمل هو عرض التصوير الموجه بالتيراهرتز في تكوين مضغوط وفعال. من خلال دمج جهاز الإرسال والاستقبال والموجّه دون الحاجة إلى مكونات بصرية إضافية، يقدم النظام حلاً عمليًا للتطبيقات التي تتطلب التفتيش في الموقع والموضعي. تُظهر تجارب التصوير القدرة على حل التفاصيل الدقيقة للهدف الاختباري، مما يسلط الضوء على إمكانات هذه التكنولوجيا لتطبيقات مثل مراقبة الجودة والتشخيصات الطبية الحيوية وتوصيف المواد. يؤكد الاستنتاج على مزايا نظام قياس الانعكاس النبضي الموجه بتردد تيراهرتز هذا، وخاصة تصميمه المدمج وسهولة محاذاته وملاءمته لمهام التصوير. ويمكن أن تركز التطورات المستقبلية على مزيد من دمج مكونات جهاز الإرسال والاستقبال والموجات الإرشادية لإنشاء نظام أكثر انسيابية، مما قد يتيح تبنيًا أوسع لتصوير تيراهرتز في مجالات مختلفة.
Das Papier mit dem Titel „Geführte Terahertz-Pulsreflektometrie mit doppelter photoleitender Antenne“ untersucht die Implementierung und Optimierung eines Terahertz-Pulsbildgebungssystems innerhalb einer geführten Reflektometriekonfiguration. Diese Arbeit basiert auf den einzigartigen Eigenschaften der Terahertz-Frequenzen, die ein Eindringen durch undurchsichtige Strukturen und die Fähigkeit zur Identifizierung von Materialien über spektrale Merkmale ermöglichen. Solche Fähigkeiten machen die Terahertz-Technologie für Anwendungen in der Materialanalyse, der biomedizinischen Bildgebung, der zerstörungsfreien Prüfung und mehr äußerst attraktiv. Im Mittelpunkt dieser Forschung steht die Herausforderung, die Terahertz-Bildgebung für Szenarien zu verbessern, die Messungen vor Ort erfordern, bei denen herkömmliche optische Systeme aufgrund von Größe, Ausrichtung oder Effizienzproblemen unpraktisch sind. Die Autoren wollen ein kompaktes und effizientes System entwickeln, das die Erzeugung und Erkennung von Terahertz-Pulsen mit einem Hohlkernwellenleiter kombiniert, wodurch zusätzliche Optiken überflüssig werden. Dieser Aufbau ist darauf ausgelegt, Terahertz-Wellen direkt zu einer Probe zu leiten und reflektierte Signale mit minimaler Energiedissipation abzurufen, wodurch das System vereinfacht und die Tragbarkeit verbessert wird. Das vorgeschlagene System verwendet einen Transceiver mit doppelter photoleitender Antenne (PCA), der auf einer einzigen aktiven Schicht aus bei niedrigen Temperaturen gewachsenem Galliumarsenid (LT-GaAs) hergestellt ist. Dieses Design integriert zwei Antennen zum Senden und Empfangen von Terahertz-Impulsen und ermöglicht so eine direkte Kopplung mit einem Hohlkern-Wellenleiter aus Siliziumdioxid. Das Fehlen optischer Fokussierungskomponenten reduziert nicht nur die Komplexität des Systems, sondern verbessert auch seine Anpassungsfähigkeit für Bildgebungsanwendungen. Die Studie beginnt mit einer Charakterisierung des Terahertz-Transceivers, um seine Strahlungseigenschaften zu bewerten. Simulationen mithilfe eines dreidimensionalen elektromagnetischen Modells zeigen, dass das in die PCA integrierte Yagi-Uda-Antennendesign eine hohe Richtwirkung und effiziente Wellenemission bietet. Diese Antennen sind so konfiguriert, dass interne Reflexionen und Übersprechen zwischen den sendenden und empfangenden Komponenten minimiert werden, was für eine präzise Signalmessung von entscheidender Bedeutung ist. Die Charakterisierung umfasst auch eine Analyse des Hohlkern-Wellenleiters, der antiresonante Reflexionsmechanismen für eine verlustarme Ausbreitung von Terahertz-Impulsen über einen breiten Frequenzbereich nutzt. Der Versuchsaufbau für die geführte Terahertz-Pulsreflektometrie wird durch Ausrichten des Transceivers mit dem Wellenleiter aufgebaut, um sicherzustellen, dass die emittierten Impulse effizient gekoppelt und zu einer Probe geleitet werden. Reflektierte Signale werden dann erfasst und analysiert, um die dielektrischen Eigenschaften der Probe zu ermitteln. Die Leistung des Systems wird mithilfe eines USAF-Auflösungstestdiagramms von 1951 getestet, einem Standardwerkzeug zur Bewertung der Bildauflösung. Die Ergebnisse zeigen eine Auflösung von 0,707 Linienpaaren pro Millimeter über den Frequenzbereich von 400–550 GHz, was die Fähigkeit des Systems zur qualitativ hochwertigen Bildgebung bestätigt. Darüber hinaus führen die Autoren Simulationen durch, um die Effizienz der Energieübertragung vom Transceiver zum Wellenleiter zu bewerten und die Ausbreitungsdynamik von Terahertz-Impulsen zu untersuchen. Diese Simulationen zeigen, dass das System eine signifikante Energiekopplungseffizienz mit einem Maximum von 22,78 % bei 340 GHz erreicht. Der Hohlkernwellenleiter unterstützt auch erfolgreich die Ausbreitung von Terahertz-Impulsen mit minimaler Verzerrung, ein Schlüsselfaktor zur Aufrechterhaltung der Bildtreue. Eine der bemerkenswerten Errungenschaften dieser Arbeit ist die Demonstration der geführten Terahertz-Bildgebung in einer kompakten und effizienten Konfiguration. Durch die Integration von Transceiver und Wellenleiter ohne die Notwendigkeit zusätzlicher optischer Komponenten bietet das System eine praktische Lösung für Anwendungen, die eine Inspektion vor Ort und eine lokale Untersuchung erfordern. Die Bildgebungsexperimente demonstrieren die Fähigkeit, feine Details des Testziels aufzulösen, und unterstreichen das Potenzial dieser Technologie für Anwendungen wie Qualitätskontrolle, biomedizinische Diagnostik und Materialcharakterisierung. Die Schlussfolgerung betont die Vorteile dieses geführten Terahertz-Pulsreflektometriesystems, insbesondere sein kompaktes Design, seine einfache Ausrichtung und seine Eignung für Bildgebungsaufgaben. Zukünftige Entwicklungen könnten sich auf die weitere Integration der Transceiver- und Wellenleiterkomponenten konzentrieren, um ein noch optimierteres System zu schaffen, das möglicherweise eine breitere Einführung der Terahertz-Bildgebung in verschiedenen Bereichen ermöglicht.
The paper, titled “Guided Terahertz Pulse Reflectometry with Double Photoconductive Antenna”, explores the implementation and optimization of a terahertz pulse imaging system within a guided reflectometry configuration. This work is driven by the unique properties of terahertz frequencies, which offer penetration through opaque structures and the ability to identify materials via spectral features. Such capabilities make terahertz technology highly attractive for applications in material analysis, biomedical imaging, non-destructive testing, and more. At the core of this research is the challenge of improving terahertz imaging for scenarios requiring in-situ measurements where conventional optical systems are impractical due to size, alignment, or efficiency issues. The authors aim to develop a compact and efficient system that combines terahertz pulse generation and detection with a hollow-core waveguide, eliminating the need for additional optics. This setup is designed to guide terahertz waves directly to a sample and retrieve reflected signals with minimal energy dissipation, thereby simplifying the system and enhancing portability. The proposed system employs a double photoconductive antenna (PCA) transceiver fabricated on a single low-temperature-grown gallium arsenide (LT-GaAs) active layer. This design integrates two antennas for both emitting and detecting terahertz pulses, allowing for direct coupling with a silica hollow-core waveguide. The absence of optical focusing components not only reduces the system’s complexity but also enhances its adaptability for imaging applications. The study begins with a characterization of the terahertz transceiver to evaluate its radiation properties. Simulations using a 3D electromagnetic model reveal that the Yagi-Uda antenna design, incorporated into the PCA, provides high directivity and efficient wave emission. These antennas are configured to minimize internal reflections and cross-talk between the emitting and detecting components, a critical consideration for precise signal measurement. The characterization also includes an analysis of the hollow-core waveguide, which utilizes anti-resonant reflection mechanisms for low-loss propagation of terahertz pulses over a broad frequency range. The experimental setup for guided terahertz pulse reflectometry is constructed by aligning the transceiver with the waveguide, ensuring that the emitted pulses are efficiently coupled and guided toward a sample. Reflected signals are then captured and analyzed to extract the dielectric properties of the sample. The system’s performance is tested using a 1951 USAF resolution test chart, a standard tool for evaluating imaging resolution. Results demonstrate a resolution of 0.707 line pairs per millimeter over the frequency range of 400–550 GHz, validating the system’s capability for high-quality imaging. Additionally, the authors conduct simulations to assess energy transfer efficiency from the transceiver to the waveguide and investigate the propagation dynamics of terahertz pulses. These simulations indicate that the system achieves significant energy coupling efficiency, with a maximum of 22.78% at 340 GHz. The hollow-core waveguide also successfully supports the propagation of terahertz pulses with minimal distortion, a key factor for maintaining image fidelity. One of the notable achievements of this work is the demonstration of guided terahertz imaging in a compact and efficient configuration. By integrating the transceiver and waveguide without the need for additional optical components, the system offers a practical solution for applications requiring in-situ and localized inspection. The imaging experiments showcase the ability to resolve fine details of the test target, highlighting the potential of this technology for applications such as quality control, biomedical diagnostics, and material characterization. The conclusion emphasizes the advantages of this guided terahertz pulse reflectometry system, particularly its compact design, ease of alignment, and suitability for imaging tasks. Future developments could focus on further integrating the transceiver and waveguide components to create an even more streamlined system, potentially enabling broader adoption of terahertz imaging in various fields.
El artículo, titulado “Reflectometría de pulsos de terahercios guiada con antena fotoconductora doble”, explora la implementación y optimización de un sistema de imágenes de pulsos de terahercios dentro de una configuración de reflectometría guiada. Este trabajo está impulsado por las propiedades únicas de las frecuencias de terahercios, que ofrecen penetración a través de estructuras opacas y la capacidad de identificar materiales a través de características espectrales. Estas capacidades hacen que la tecnología de terahercios sea muy atractiva para aplicaciones en análisis de materiales, imágenes biomédicas, pruebas no destructivas y más. En el centro de esta investigación se encuentra el desafío de mejorar las imágenes de terahercios para escenarios que requieren mediciones in situ donde los sistemas ópticos convencionales son poco prácticos debido a problemas de tamaño, alineación o eficiencia. Los autores apuntan a desarrollar un sistema compacto y eficiente que combine la generación y detección de pulsos de terahercios con una guía de ondas de núcleo hueco, eliminando la necesidad de ópticas adicionales. Esta configuración está diseñada para guiar ondas de terahercios directamente a una muestra y recuperar señales reflejadas con una disipación de energía mínima, simplificando así el sistema y mejorando la portabilidad. El sistema propuesto emplea un transceptor de antena fotoconductora doble (PCA) fabricado sobre una única capa activa de arseniuro de galio (LT-GaAs) cultivado a baja temperatura. Este diseño integra dos antenas para emitir y detectar pulsos de terahercios, lo que permite el acoplamiento directo con una guía de ondas de núcleo hueco de sílice. La ausencia de componentes de enfoque óptico no solo reduce la complejidad del sistema, sino que también mejora su adaptabilidad para aplicaciones de imágenes. El estudio comienza con una caracterización del transceptor de terahercios para evaluar sus propiedades de radiación. Las simulaciones que utilizan un modelo electromagnético 3D revelan que el diseño de la antena Yagi-Uda, incorporado en la PCA, proporciona alta directividad y una emisión de ondas eficiente. Estas antenas están configuradas para minimizar las reflexiones internas y la diafonía entre los componentes emisores y detectores, una consideración crítica para la medición precisa de la señal. La caracterización también incluye un análisis de la guía de ondas de núcleo hueco, que utiliza mecanismos de reflexión antirresonante para la propagación con baja pérdida de pulsos de terahercios en un amplio rango de frecuencias. La configuración experimental para la reflectometría de pulsos de terahercios guiados se construye alineando el transceptor con la guía de ondas, lo que garantiza que los pulsos emitidos se acoplen y guíen de manera eficiente hacia una muestra. Luego, las señales reflejadas se capturan y analizan para extraer las propiedades dieléctricas de la muestra. El rendimiento del sistema se prueba utilizando una tabla de prueba de resolución de la USAF de 1951, una herramienta estándar para evaluar la resolución de las imágenes. Los resultados demuestran una resolución de 0,707 pares de líneas por milímetro en el rango de frecuencias de 400 a 550 GHz, lo que valida la capacidad del sistema para obtener imágenes de alta calidad. Además, los autores realizan simulaciones para evaluar la eficiencia de transferencia de energía desde el transceptor a la guía de ondas e investigan la dinámica de propagación de los pulsos de terahercios. Estas simulaciones indican que el sistema logra una eficiencia de acoplamiento de energía significativa, con un máximo de 22,78% a 340 GHz. La guía de ondas de núcleo hueco también admite con éxito la propagación de pulsos de terahercios con una distorsión mínima, un factor clave para mantener la fidelidad de la imagen. Uno de los logros notables de este trabajo es la demostración de imágenes guiadas de terahercios en una configuración compacta y eficiente. Al integrar el transceptor y la guía de ondas sin la necesidad de componentes ópticos adicionales, el sistema ofrece una solución práctica para aplicaciones que requieren inspección in situ y localizada. Los experimentos de imágenes muestran la capacidad de resolver detalles finos del objetivo de prueba, lo que destaca el potencial de esta tecnología para aplicaciones como el control de calidad, el diagnóstico biomédico y la caracterización de materiales. La conclusión enfatiza las ventajas de este sistema de reflectometría de pulsos de terahercios guiados, en particular su diseño compacto, facilidad de alineación e idoneidad para tareas de imágenes. Los desarrollos futuros podrían centrarse en una mayor integración de los componentes del transceptor y la guía de ondas para crear un sistema aún más optimizado, permitiendo potencialmente una adopción más amplia de imágenes de terahercios en diversos campos.
Il documento, intitolato "Guided Terahertz Pulse Reflectometry with Double Photoconductive Antenna", esplora l'implementazione e l'ottimizzazione di un sistema di imaging a impulsi terahertz all'interno di una configurazione di riflettometria guidata. Questo lavoro è guidato dalle proprietà uniche delle frequenze terahertz, che offrono penetrazione attraverso strutture opache e la capacità di identificare materiali tramite caratteristiche spettrali. Tali capacità rendono la tecnologia terahertz altamente attraente per applicazioni in analisi dei materiali, imaging biomedico, test non distruttivi e altro ancora. Al centro di questa ricerca c'è la sfida di migliorare l'imaging terahertz per scenari che richiedono misurazioni in situ in cui i sistemi ottici convenzionali sono impraticabili a causa di problemi di dimensioni, allineamento o efficienza. Gli autori mirano a sviluppare un sistema compatto ed efficiente che combina la generazione e il rilevamento di impulsi terahertz con una guida d'onda a nucleo cavo, eliminando la necessità di ottiche aggiuntive. Questa configurazione è progettata per guidare le onde terahertz direttamente a un campione e recuperare i segnali riflessi con una dissipazione di energia minima, semplificando così il sistema e migliorando la portabilità. Il sistema proposto impiega un transceiver a doppia antenna fotoconduttiva (PCA) fabbricato su un singolo strato attivo di arseniuro di gallio (LT-GaAs) coltivato a bassa temperatura. Questo design integra due antenne sia per l'emissione che per la rilevazione di impulsi terahertz, consentendo l'accoppiamento diretto con una guida d'onda a nucleo cavo in silice. L'assenza di componenti di focalizzazione ottica non solo riduce la complessità del sistema, ma ne migliora anche l'adattabilità per applicazioni di imaging. Lo studio inizia con una caratterizzazione del transceiver terahertz per valutarne le proprietà di radiazione. Le simulazioni che utilizzano un modello elettromagnetico 3D rivelano che il design dell'antenna Yagi-Uda, incorporato nel PCA, fornisce elevata direttività ed efficiente emissione di onde. Queste antenne sono configurate per ridurre al minimo le riflessioni interne e la diafonia tra i componenti di emissione e di rilevamento, una considerazione critica per una misurazione precisa del segnale. La caratterizzazione include anche un'analisi della guida d'onda a nucleo cavo, che utilizza meccanismi di riflessione anti-risonanti per la propagazione a bassa perdita di impulsi terahertz su un'ampia gamma di frequenze. L'impostazione sperimentale per la riflettometria a impulsi terahertz guidata è costruita allineando il transceiver con la guida d'onda, assicurando che gli impulsi emessi siano accoppiati in modo efficiente e guidati verso un campione. I segnali riflessi vengono quindi catturati e analizzati per estrarre le proprietà dielettriche del campione. Le prestazioni del sistema vengono testate utilizzando un grafico di test di risoluzione USAF del 1951, uno strumento standard per la valutazione della risoluzione di imaging. I risultati dimostrano una risoluzione di 0,707 coppie di linee per millimetro sulla gamma di frequenze di 400-550 GHz, convalidando la capacità del sistema per imaging di alta qualità. Inoltre, gli autori conducono simulazioni per valutare l'efficienza del trasferimento di energia dal transceiver alla guida d'onda e indagare la dinamica di propagazione degli impulsi terahertz. Queste simulazioni indicano che il sistema raggiunge un'efficienza di accoppiamento energetico significativa, con un massimo del 22,78% a 340 GHz. La guida d'onda a nucleo cavo supporta anche con successo la propagazione di impulsi terahertz con distorsione minima, un fattore chiave per mantenere la fedeltà delle immagini. Uno dei risultati notevoli di questo lavoro è la dimostrazione dell'imaging terahertz guidato in una configurazione compatta ed efficiente. Integrando il transceiver e la guida d'onda senza la necessità di componenti ottici aggiuntivi, il sistema offre una soluzione pratica per applicazioni che richiedono un'ispezione in situ e localizzata. Gli esperimenti di imaging mostrano la capacità di risolvere dettagli fini del target di prova, evidenziando il potenziale di questa tecnologia per applicazioni quali controllo qualità, diagnostica biomedica e caratterizzazione dei materiali. La conclusione sottolinea i vantaggi di questo sistema di riflettometria a impulsi terahertz guidati, in particolare il suo design compatto, la facilità di allineamento e l'idoneità per attività di imaging. Gli sviluppi futuri potrebbero concentrarsi su un'ulteriore integrazione dei componenti del ricetrasmettitore e della guida d'onda per creare un sistema ancora più snello, consentendo potenzialmente una più ampia adozione dell'imaging terahertz in vari campi.
「二重光伝導アンテナによる誘導テラヘルツパルス反射測定」と題されたこの論文では、誘導反射測定構成内でのテラヘルツパルス画像化システムの実装と最適化について検討しています。この研究は、不透明な構造を透過し、スペクトル特性によって材料を識別する能力を提供するテラヘルツ周波数のユニークな特性に基づいています。このような能力により、テラヘルツ技術は材料分析、生物医学画像化、非破壊検査などの用途で非常に魅力的になっています。 この研究の核心は、サイズ、アライメント、または効率の問題により従来の光学システムが実用的でない場合に、その場での測定を必要とするシナリオでテラヘルツ画像化を改善するという課題です。著者らは、テラヘルツパルスの生成と検出を中空コア導波路と組み合わせ、追加の光学系の必要性を排除するコンパクトで効率的なシステムの開発を目指しています。このセットアップは、テラヘルツ波をサンプルに直接導き、最小限のエネルギー消費で反射信号を取得するように設計されており、それによってシステムを簡素化し、携帯性を高めます。 提案されたシステムは、単一の低温成長ガリウムヒ素 (LT-GaAs) アクティブ層上に製造された二重光伝導アンテナ (PCA) トランシーバーを採用しています。この設計では、テラヘルツパルスの送信と検出の両方に 2 つのアンテナを統合し、シリカ中空コア導波管との直接結合を可能にします。光学フォーカス部品がないため、システムの複雑さが軽減されるだけでなく、イメージングアプリケーションへの適応性も高まります。 この研究は、テラヘルツトランシーバーの特性評価から始まり、その放射特性を評価します。3D 電磁モデルを使用したシミュレーションにより、PCA に組み込まれた Yagi-Uda アンテナ設計は、高い指向性と効率的な波の送信を提供することが明らかになりました。これらのアンテナは、送信部品と検出部品間の内部反射とクロストークを最小限に抑えるように構成されており、これは正確な信号測定にとって重要な考慮事項です。特性評価には、反共鳴反射メカニズムを利用して、広い周波数範囲にわたってテラヘルツパルスの低損失伝搬を実現する中空コア導波管の分析も含まれます。 誘導テラヘルツパルス反射測定の実験セットアップは、トランシーバーを導波管に位置合わせして構築され、放出されたパルスが効率的に結合され、サンプルに向かって誘導されるようにします。次に、反射信号がキャプチャされ、分析されて、サンプルの誘電特性が抽出されます。システムのパフォーマンスは、イメージング解像度を評価するための標準ツールである 1951 USAF 解像度テストチャートを使用してテストされます。結果は、400~550 GHz の周波数範囲で 1 ミリメートルあたり 0.707 ラインペアの解像度を示し、システムの高品質イメージング能力を検証しています。 さらに、著者らはシミュレーションを実行して、トランシーバーから導波管へのエネルギー転送効率を評価し、テラヘルツパルスの伝搬ダイナミクスを調査します。これらのシミュレーションは、システムが 340 GHz で最大 22.78% という優れたエネルギー結合効率を達成していることを示しています。中空コア導波管は、テラヘルツパルスの伝搬を最小限の歪みでサポートすることにも成功しています。これは、画像の忠実性を維持するための重要な要素です。 この研究の注目すべき成果の 1 つは、コンパクトで効率的な構成での誘導テラヘルツイメージングの実証です。追加の光学コンポーネントを必要とせずにトランシーバーと導波管を統合することにより、このシステムは、その場での局所的な検査を必要とするアプリケーションに実用的なソリューションを提供します。イメージング実験は、テストターゲットの細部を解像する能力を示しており、品質管理、生物医学的診断、材料特性評価などのアプリケーションに対するこの技術の可能性を強調しています。 結論では、この誘導テラヘルツパルス反射率測定システムの利点、特にコンパクトな設計、調整の容易さ、およびイメージングタスクへの適合性を強調しています。今後の開発では、トランシーバーと導波管コンポーネントをさらに統合して、さらに合理化されたシステムを作成することに重点が置かれ、さまざまな分野でテラヘルツイメージングをより幅広く採用できるようになる可能性があります。
"이중 광전도성 안테나를 사용한 가이드 테라헤르츠 펄스 반사 측정법"이라는 제목의 이 논문은 가이드 반사 측정 구성 내에서 테라헤르츠 펄스 이미징 시스템의 구현 및 최적화를 탐구합니다. 이 작업은 불투명한 구조를 통과하고 스펙트럼 특징을 통해 재료를 식별하는 기능을 제공하는 테라헤르츠 주파수의 고유한 속성에 의해 주도됩니다. 이러한 기능 덕분에 테라헤르츠 기술은 재료 분석, 생물의학 이미징, 비파괴 검사 등의 응용 분야에 매우 매력적입니다. 이 연구의 핵심은 크기, 정렬 또는 효율성 문제로 인해 기존 광학 시스템이 비실용적인 현장 측정이 필요한 시나리오에 대한 테라헤르츠 이미징을 개선하는 과제입니다. 저자는 테라헤르츠 펄스 생성 및 감지를 중공 코어 도파관과 결합하여 추가 광학 장치가 필요 없는 소형이고 효율적인 시스템을 개발하는 것을 목표로 합니다. 이 설정은 테라헤르츠파를 샘플로 직접 유도하고 최소한의 에너지 소산으로 반사 신호를 검색하도록 설계되어 시스템을 단순화하고 휴대성을 향상시킵니다. 제안된 시스템은 단일 저온 성장 갈륨비소화물(LT-GaAs) 활성층에 제작된 이중 광전도성 안테나(PCA) 송수신기를 사용합니다. 이 설계는 테라헤르츠 펄스를 방출하고 감지하는 두 개의 안테나를 통합하여 실리카 중공 코어 도파관과 직접 결합할 수 있습니다. 광학 초점 구성 요소가 없기 때문에 시스템의 복잡성이 줄어들 뿐만 아니라 이미징 애플리케이션에 대한 적응성도 향상됩니다. 연구는 테라헤르츠 송수신기의 특성화로 시작하여 복사 특성을 평가합니다. 3D 전자기 모델을 사용한 시뮬레이션은 PCA에 통합된 Yagi-Uda 안테나 설계가 높은 지향성과 효율적인 파동 방출을 제공한다는 것을 보여줍니다. 이러한 안테나는 방출 및 감지 구성 요소 간의 내부 반사 및 크로스토크를 최소화하도록 구성되어 있으며, 이는 정밀한 신호 측정에 중요한 고려 사항입니다. 특성화에는 또한 넓은 주파수 범위에서 테라헤르츠 펄스의 저손실 전파를 위해 반공진 반사 메커니즘을 활용하는 중공 코어 도파관 분석이 포함됩니다. 가이드 테라헤르츠 펄스 반사 측정을 위한 실험 설정은 송수신기를 도파관에 맞춰서 구성하여 방출된 펄스가 효율적으로 결합되고 샘플로 유도되도록 합니다. 그런 다음 반사된 신호를 캡처하여 분석하여 샘플의 유전 특성을 추출합니다. 시스템 성능은 이미징 해상도를 평가하는 표준 도구인 1951 USAF 분해능 테스트 차트를 사용하여 테스트합니다. 결과는 400~550GHz 주파수 범위에서 밀리미터당 0.707라인 쌍의 분해능을 보여주며, 시스템의 고품질 이미징 기능을 검증합니다. 또한 저자는 송수신기에서 도파관으로의 에너지 전달 효율을 평가하고 테라헤르츠 펄스의 전파 역학을 조사하기 위해 시뮬레이션을 수행합니다. 이러한 시뮬레이션은 이 시스템이 340GHz에서 최대 22.78%의 상당한 에너지 결합 효율을 달성한다는 것을 나타냅니다. 중공 코어 도파관은 또한 이미지 충실도를 유지하는 데 중요한 요소인 최소한의 왜곡으로 테라헤르츠 펄스의 전파를 성공적으로 지원합니다. 이 작업의 주목할 만한 성과 중 하나는 소형이고 효율적인 구성에서 가이드 테라헤르츠 이미징을 시연하는 것입니다. 추가 광학 구성 요소가 필요 없이 트랜시버와 도파관을 통합함으로써 이 시스템은 현장 및 국소 검사가 필요한 응용 분야에 실용적인 솔루션을 제공합니다. 이미징 실험은 테스트 대상의 미세한 세부 사항을 분해하는 능력을 보여주며, 품질 관리, 생물의학 진단 및 재료 특성화와 같은 응용 분야에서 이 기술의 잠재력을 강조합니다. 결론은 이 가이드 테라헤르츠 펄스 반사 측정 시스템의 장점, 특히 소형 설계, 정렬 용이성 및 이미징 작업에 대한 적합성을 강조합니다. 향후 개발에서는 송수신기와 광파도관 구성 요소를 더욱 통합하여 훨씬 더 간소화된 시스템을 만드는 데 중점을 둘 수 있으며, 이를 통해 다양한 분야에서 테라헤르츠 이미징이 더 폭넓게 채택될 가능성이 있습니다.
这篇题为“双光电导天线引导太赫兹脉冲反射法”的论文探讨了在引导反射法配置中实现和优化太赫兹脉冲成像系统。这项工作由太赫兹频率的独特属性推动,它能够穿透不透明结构,并能够通过光谱特征识别材料。这些能力使太赫兹技术在材料分析、生物医学成像、无损检测等领域具有极高的吸引力。 这项研究的核心是改进太赫兹成像的挑战,以适应需要现场测量的场景,在这些场景中,由于尺寸、对准或效率问题,传统光学系统不切实际。作者旨在开发一种紧凑而高效的系统,将太赫兹脉冲生成和检测与空心波导相结合,从而无需额外的光学元件。该装置旨在将太赫兹波直接引导到样品并以最小的能量耗散检索反射信号,从而简化系统并增强便携性。 所提出的系统采用双光电导天线 (PCA) 收发器,该收发器在单个低温生长砷化镓 (LT-GaAs) 有源层上制造。该设计集成了两个天线,用于发射和检测太赫兹脉冲,允许与二氧化硅空芯波导直接耦合。没有光学聚焦组件不仅降低了系统的复杂性,而且增强了其对成像应用的适应性。 该研究首先对太赫兹收发器进行表征,以评估其辐射特性。使用 3D 电磁模型进行的模拟表明,纳入 PCA 的 Yagi-Uda 天线设计具有高方向性和高效的波发射。这些天线的配置可最大限度地减少发射和检测组件之间的内部反射和串扰,这是精确信号测量的关键考虑因素。表征还包括对空芯波导的分析,该波导利用反谐振反射机制在宽频率范围内低损耗传播太赫兹脉冲。 引导式太赫兹脉冲反射测量的实验装置是通过将收发器与波导对齐来构建的,以确保发射的脉冲有效耦合并引导至样品。然后捕获并分析反射信号以提取样品的介电特性。使用 1951 USAF 分辨率测试图(评估成像分辨率的标准工具)测试系统的性能。结果表明,在 400-550 GHz 的频率范围内,分辨率为每毫米 0.707 线对,验证了该系统的高质量成像能力。 此外,作者进行了模拟以评估从收发器到波导的能量传输效率,并研究太赫兹脉冲的传播动力学。这些模拟表明,该系统实现了显着的能量耦合效率,在 340 GHz 时最大为 22.78%。空芯波导还成功支持太赫兹脉冲的传播,失真最小,这是保持图像保真度的关键因素。 这项工作的显著成果之一是展示了紧凑高效配置中的引导太赫兹成像。通过集成收发器和波导而无需额外的光学元件,该系统为需要现场和局部检查的应用提供了实用的解决方案。成像实验展示了解决测试目标精细细节的能力,凸显了该技术在质量控制、生物医学诊断和材料表征等应用方面的潜力。 结论强调了这种引导太赫兹脉冲反射测量系统的优势,特别是其紧凑的设计、易于对准和适用于成像任务。未来的发展可以集中在进一步集成收发器和波导组件以创建更精简的系统,从而有可能使太赫兹成像在各个领域得到更广泛的应用。
Fichier principal
Vignette du fichier
Guided-Terahertz-Pulse-Reflectometry -Double-Photoconductive-Antenna.pdf (1.95 Mo) Télécharger le fichier
Licence
Domaine public

Dates et versions

hal-02476707 , version 1 (27-12-2024)

Licence

Domaine public

Identifiants

Citer

Mingming Pan, Quentin Cassar, Frederic Fauquet, Georges Humbert, Patrick Mounaix, et al.. Guided terahertz pulse reflectometry with double photoconductive antenna. Applied optics, 2020, 59 (6), pp.1641. ⟨10.1364/AO.381646⟩. ⟨hal-02476707⟩
44 Consultations
0 Téléchargements

Altmetric

Partager

More