Gamma dinamica ampia e reale

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 12743 (2023) Citare questo articolo

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In questo studio, proponiamo una tecnica per l'identificazione e l'imaging dei reagenti attraverso la schermatura su un ampio intervallo dinamico utilizzando un sistema di spettroscopia terahertz (THz) in tempo reale con generazione/rilevamento parametrico THz a lunghezza d'onda multipla e apprendimento automatico. Per identificare rapidamente i reagenti attraverso la schermatura, le informazioni spettrali del "raggio di rilevamento Stokes" vengono utilizzate per il riconoscimento dei reagenti tramite l'apprendimento automatico. Nell'identificazione generale dei reagenti basata sull'onda THz, gli spettri continui vengono acquisiti e analizzati quantitativamente mediante post-elaborazione. Nelle applicazioni reali, tuttavia, come i test per la ricerca di droghe illecite nella posta, la tecnologia deve essere in grado di identificare rapidamente i reagenti anziché quantificarne la quantità presente. Nella generazione/rilevamento parametrico THz a più lunghezze d'onda, le informazioni spettrali THz possono essere misurate istantaneamente utilizzando un "fascio di Stokes con rilevamento di più lunghezze d'onda" e una fotocamera nel vicino infrarosso (NIR). Inoltre, l’apprendimento automatico consente l’identificazione dei reagenti in tempo reale e in un ampio intervallo dinamico. Inoltre, tracciando i risultati dell'identificazione come valori dei pixel, è possibile acquisire immagini della distribuzione spaziale dei reagenti ad alta velocità senza la necessità di post-elaborazione.

Poiché le onde terahertz (THz) hanno sia lo spettro dell'impronta digitale dei reagenti che la trasparenza del materiale, si prevede che siano particolarmente utili per l'identificazione di oggetti nascosti (ad esempio, test per droghe illecite o esplosivi nascosti nella posta)1,2,3. Tuttavia, poiché la trasparenza delle onde THz non è molto elevata, è necessario uno spettrometro in tempo reale4,5 con un elevato intervallo dinamico. È inoltre essenziale che le prestazioni spettroscopiche non siano influenzate dalla diffusione delle onde THz da parte della schermatura.

I metodi proposti per la misurazione in tempo reale includono l'uso di una sorgente a frequenza singola6,7,8, la spettroscopia nel dominio del tempo THz (THz-TDS)9,10,11 e il seeded iniettato a commutazione rapida a lunghezza d'onda multipla Generazione parametrica THz12,13,14,15,16.

La nostra ricerca si è concentrata sullo sviluppo di spettrometri THz, basati principalmente sul generatore parametrico THz con iniezione (is-TPG)16,17. Poiché is-TPG è una sorgente con lunghezza d'onda sintonizzabile, il tempo di misurazione aumenta con il numero di lunghezze d'onda coinvolte. Inoltre, l'imaging spettroscopico richiede diverse ore di misurazione, nonché la post-elaborazione delle immagini ottenute. Pertanto, è necessaria una spettroscopia one-shot e un'identificazione in tempo reale che possano ridurre significativamente il tempo di misurazione. Abbiamo proposto un sistema is-TPG di generazione/rilevamento di lunghezze d'onda multiple e abbiamo ottenuto con successo spettri in un solo colpo15,16; tuttavia, l'identificazione automatica in tempo reale non è stata ancora realizzata. Pertanto, in questo studio, abbiamo applicato l'apprendimento automatico18 per l'identificazione degli spettri ottenuti in un colpo solo. L'obiettivo era ideare un sistema pratico per identificare rapidamente i reagenti, anche attraverso schermi spessi con tassi di attenuazione di -60 dB. Inoltre, utilizzando questo sistema per l'imaging spettroscopico, l'informazione contenuta in ciascun pixel può essere identificata istantaneamente, consentendo di determinare in poche decine di secondi la distribuzione spaziale dei reagenti in un'area di 40 × 40 mm2.

Una panoramica di un sistema di spettroscopia THz che utilizza un is-TPG è mostrata in Fig. 1. Quando i fasci seme a più lunghezze d'onda vengono iniettati nel cristallo con il raggio della pompa, vengono generate onde THz a più lunghezze d'onda15,16. Il rilevamento parametrico THz19 è possibile anche tramite la sequenza di generazione inversa, in cui le onde multi-THz vengono utilizzate come fasci di semi e i "fasci di rilevamento Stokes" NIR vengono generati e quindi catturati da una telecamera. Gli angoli di generazione dei fasci di Stokes di rilevamento sono determinati dalle onde THz rilevate in base alla condizione di adattamento di fase non collineare. Pertanto, la spettroscopia one-shot si ottiene convertendo gli angoli di generazione dei fasci di Stokes di rilevamento in frequenze di onde THz. Poiché è possibile selezionare una frequenza che eviti la linea di assorbimento del vapore acqueo nella generazione a più lunghezze d'onda, non viene eseguito lo spurgo con aria secca.