(57)【要約】  離れたところにある物体を分析する方法であって、ある体積のイオン化された雰囲気ガス(614)を、前記体積内で光ポンプビーム(612)を収束させることによって誘起して、パルス化されたテラヘルツ放射線(615)を標的物体(616)に向けて放出させる工程と、別の体積の雰囲気ガスを、前記別の体積内で光プローブビーム(624)を収束させることによってイオン化して感知用プラズマ(626)を生成する工程とを含む方法である。感知用プラズマ(626)内における、収束光プローブビーム(624)と、パルス化されたテラヘルツ放射線(615)を標的物体に反射させ、または散乱させ、あるいは透過させて生成した入射テラヘルツ波(618)との相互作用によって、放射線(628)が生成される。感知用プラズマ(626)によって放射され、結果として生成される放射線(628)の光学成分を検知することが、入射テラヘルツ波(618)に加えられた標的物体(616)の特徴を検出することを容易にする。【選択図】図６Ｃ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
テラヘルツ放射線を検出する方法であって、
ある体積の雰囲気ガスを、前記体積中で光プローブビーム（５０１）を収束させることによってイオン化して感知用プラズマ（５０５）を生成することと、
前記感知用プラズマ（５０５）内での前記収束光プローブビーム（５０１）と入射テラヘルツ波（５０４）との相互作用の結果として生成される放射線（５０６）の光学成分を検出することとを含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記感知用プラズマ（５０５）内で前記テラヘルツ波（５０４）を収束させる（５０３）ことをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記検出することは、前記感知用プラズマ（５０５）から離れたところに配置された光学的収束手段（５０８）で、前記得られた放射線（５０６）の少なくとも前記光学成分を収束させることを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記検出することは、前記得られた放射線（５０６）の成分を減衰させる（５１０）ことをさらに含み、前記成分は、前記光プローブビーム（５０１）の周波数を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記光プローブビーム（６２４）は、基本周波数を有する光放射成分と、前記基本周波数と高調波関係にある周波数を有する高調波光放射成分とを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
離れたところにある物体を分析する方法であって、
ある体積のイオン化された雰囲気ガス（６１４、７１６）を、前記体積内で光ポンプビーム（６１２、７１４）を収束させることによって誘起して、パルス化されたテラヘルツ放射線（６１５、７１８）を標的物体（６１６、７２１）に向けて放出させることと、
別の体積の雰囲気ガスを、前記別の体積内で光プローブビーム（６２４、７３０）を収束させることによってイオン化して感知用プラズマ（６２６、７４０）を生成することと、
前記感知用プラズマ（６２６、７４０）内での前記収束光プローブビーム（６２４、７３８）と入射テラヘルツ波（６１８、７１８）との相互作用の結果として生成される放射線（６２８、７４２）の光学成分を検出することとを含み、前記入射テラヘルツ波（６１８、７１８）は、前記パルス化されたテラヘルツ放射線（６１５、７１８）と前記標的物体（６１６、７２１）との相互作用によって生成されることを特徴とする方法。
【請求項７】
前記感知用プラズマ（７４０）内で前記入射テラヘルツ波（７１８）を収束させる（７２４）ことをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記検出することは、前記感知用プラズマ（６２６）から離れたところに配置された光学的収束手段（６３０）で、前記得られた放射線（６２８）の前記光学成分を収束させることを含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記得られた放射線（６２８）の前記光学成分は、前記光プローブビーム（６２４）の基本周波数の高調波を含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
前記光プローブビーム（７３０）は、少なくとも１つの光放射パルスを含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項１１】
前記標的物体（６１６、７２１）は、人間に有害な爆発性材料または生物作用物質あるいは化学作用物質を含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項１２】
前記光プローブビーム（６２４）は、基本周波数を有する光放射成分と、前記基本周波数と高調波関係にある周波数を有する高調波光放射成分とを含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項１３】
前記体積のイオン化された雰囲気ガス（６１４、７１６、１０３）は、前記光ポンプビーム（６１２、７１４、１０２、２０２）の供給源（６０２、１０１、２０１）から３０メートルよりも遠く離れたところにあることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項１４】
前記感知用プラズマ（６２６、７４０、１１０、１１１）は、前記光学成分（６２８、７４２、１０８、１０９）が検出される場所（６０１、７４８、１０１）から３０メートルよりも遠く離れたところにあることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項１５】
前記検出すること（６３４、７４８、１０１、２１１）は、前記標的物体（６１６、７２１、１０５、２０７）から３０メートルよりも遠く離れたところで実施されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項１６】
テラヘルツ放射線を検出するシステムであって、
光プローブビーム（６２４）の供給源（６０２、１０１、２０１）と、
ある体積（２１０）の雰囲気ガスをイオン化して感知用プラズマ（６２６、７４０、５０５、１１０、１１１、２１０）を生成する収束光プローブビーム（６２４、７３８、５０１）を生成するために前記光プローブビーム（６２４、２０９）を収束させる手段（６０８）と、
前記感知用プラズマ（６２６、７４０、５０５、１１０、１１１、２１０）内での前記収束光プローブビーム（６２４、７３８、５０１）と入射テラヘルツ波（６１８、７１８、５０４、１０６、１０７、２０８）との相互作用の結果として前記感知用プラズマ（６２６、７４０、５０５、１１０、１１１、２１０）から放出されることによって得られる放射線（６２８、７４２、５０６、１０８、１０９）の光学成分を検出する光検出器（６０１、６３４、７４８、５１２、２１１）とを備えることを特徴とするシステム。
【請求項１７】
前記感知用プラズマ内で前記テラヘルツ波（７１８、５０４）を収束させる手段（５０３、７２４）をさらに備えることを特徴とする請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記光検出器（６０１）は、前記得られた放射線（６２８）の光学成分を収束させる手段（６３０）を備え、前記光学成分を収束させる前記手段（６３０）は、前記感知用プラズマ（６２６）から離れたところに配置されることを特徴とする請求項１６に記載のシステム。
【請求項１９】
前記得られた放射線（６２８）の光学成分は、前記光プローブビーム（６２４、５０１）の基本周波数の高調波を含み、前記光検出器（６０１）はさらに、前記光プローブビーム（６２４、５０１）の前記基本周波数を含む前記得られた放射線のある成分を減衰させる光学フィルタ（６３２、５１０）を備えることを特徴とする請求項１６に記載のシステム。
【請求項２０】
前記光プローブビーム（７３０）は、少なくとも１つの光放射パルスを含むことを特徴とする請求項１６に記載のシステム。
【請求項２１】
前記テラヘルツ波（６１８、７１８、５０４）は、少なくとも１つのテラヘルツ放射パルスを含むことを特徴とする請求項１６に記載のシステム。
【請求項２２】
前記光プローブビーム（７３０）は、基本周波数を有する光放射成分と、前記基本周波数と高調波関係にある周波数を有する高調波光放射成分とを含み、前記システムはさらに、前記光放射成分および前記高調波光放射成分の相対位相をずらす手段（７３２）を備えることを特徴とする請求項１６に記載のシステム。
【請求項２３】
前記光検出器（６３４、７４８）は、光電子増倍管（７４８、５１２）またはフォトダイオード（６３４）を含むことを特徴とする請求項１６に記載のシステム。
【請求項２４】
離れたところにある物体を分析するシステムであって、
光ポンプビーム（７０６）の供給源（６０２、１０１、２０１）と、
ある体積の雰囲気ガスをイオン化して放出用プラズマ（６１４、７１６）を生成し、前記放出用プラズマから標的物体（６１６、７２１、７５２、２０７）に向けられるパルス化されたテラヘルツ放射線（６１５、７１８）の放出を誘起する収束光ポンプビーム（６１２、７１４）を生成するために、前記光ポンプビーム（７０６）を収束させる手段と、
光プローブビーム（７３０）の供給源（６０２、１０１、２０１）と、
別の体積の前記雰囲気ガスをイオン化して感知用プラズマ（６２６、７４０）を生成する収束光プローブビーム（６２４、７３８）を生成するために、前記光プローブビームを収束させる別の手段（６２２、７３６）と、
前記感知用プラズマ内での前記収束光プローブビーム（６２４、７３８）と、得られたテラヘルツ波（６１８、７１８）との相互作用の結果として前記感知用プラズマ（６２６、７４０）から放出されることによって得られる放射線（６２８、７４２）の光学成分を検出する光検出器（６０１、６３４、７４８）とを備え、前記得られたテラヘルツ波は、前記パルス化されたテラヘルツ放射線（６１５、７１８）が前記標的物体（６１６、７２１、７５２、２０７）に入射することに応答して前記標的物体から反射した、または前記標的物体によって散乱した、あるいは前記標的物体を透過したテラヘルツ放射線を含むことを特徴とするシステム。
【請求項２５】
前記感知用プラズマ（７４０）内で前記得られたテラヘルツ波（７１８）を収束させる手段（７２４）をさらに備えることを特徴とする請求項２４に記載のシステム。
【請求項２６】
前記光検出器（６０１、１０１）は、前記得られた放射線（６２８、１０８、１０９）の少なくとも前記光学成分を収束させる手段（６３０）を備え、少なくとも前記光学成分を収束させる前記手段は、前記感知用プラズマ（６２６、１１０、１１１）から離れたところに配置されることを特徴とする請求項２４に記載のシステム。
【請求項２７】
前記得られた放射線（６２８）の光学成分は、前記光プローブビーム（６２４）の基本周波数の高調波を含み、前記光検出器（６０１）はさらに、前記光プローブビームの前記基本周波数を含む前記得られた放射線の成分を減衰させる光学フィルタ（６３２、７４６）を備えることを特徴とする請求項２４に記載のシステム。
【請求項２８】
前記光プローブビーム（６２４、７３０）は少なくとも１つの光放射パルスを含むことを特徴とする請求項２４に記載のシステム。
【請求項２９】
前記光プローブビーム（６２４）は、基本周波数を有する光放射成分と、前記基本周波数と高調波関係にある周波数を有する高調波光放射成分とを含むことを特徴とする請求項２４に記載のシステム。
【請求項３０】
前記光検出器（６３４、７４８）は、光電子増倍管（７４８、５１２）またはフォトダイオード（６３４）を含むことを特徴とする請求項２４に記載のシステム。
【請求項３１】
前記放出用プラズマ（６１４、７１６、１０３）は、前記光ポンプビーム（６１２、７０６、１０２、２０２）の前記供給源（６０２、１０１、２０１）から３０メートルよりも遠く離れたところにあることを特徴とする請求項２４に記載のシステム。
【請求項３２】
前記感知用プラズマ（６２６、７４０、１１０、１１１）は、前記光検出器（６０１、６３４、７４８、１０１）から３０メートルよりも遠く離れたところにあることを特徴とする請求項２４に記載のシステム。
【請求項３３】
前記光検出器（６０１、６３４、７４８、１０１、２１１）は、前記標的物体（６１６、７２１、７５２、１０５、２０７）から３０メートルよりも遠く離れたところに配置されることを特徴とする請求項２４に記載のシステム。
【請求項３４】
前記標的物体（６１６、７２１、７５２、１０５、２０７）は、人間に有害な爆発性材料または生物作用物質あるいは化学作用物質を含むことを特徴とする請求項２４に記載のシステム。
【請求項３５】
離れたところにある物体を分析する方法であって、
ある体積のイオン化された雰囲気ガス（６１４）を、前記体積内で光ポンプビーム（６１２）を収束させることによって誘起して、パルス化されたテラヘルツ放射線（６１５）を標的物体（６１６）に向けて放出させることと、
前記体積の前記イオン化された雰囲気ガス（６１４）内で光プローブビーム（６２４）を収束させることと、
前記体積の前記イオン化された雰囲気ガス（６１４）内での前記収束光プローブビーム（６２４）と入射テラヘルツ波（６１８）との相互作用の結果として生成される放射（６２８）の光学成分を検出することとを含み、前記入射テラヘルツ波は、前記パルス化されたテラヘルツ放射線（６１５）と前記標的物体（６１６）との相互作用によって生成されることを特徴とする方法。
【請求項３６】
前記体積（６１４、７１６）と前記別の体積（６２６、７４０）とは重なり合っていることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項３７】
前記体積（６１４、７１６）と前記別の体積（６２６、７４０）とは重なり合っていることを特徴とする請求項２４に記載のシステム。
【請求項３８】
前記検出する（９０２）ことによって検出された結果として得られた放射線の光学成分を処理して（９０３）、分光分析情報（８０１、２１３）を生成することをさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項３９】
前記分光分析情報（８０１）から分光画像（９０４、２１２、２１３）を生成することをさらに含むことを特徴とする請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記光検出器（６３４、２１１）によって検出された（９０２）結果として得られた放射線の前記光学成分を分析する分光信号処理ユニット（９０３、２１２）をさらに備えることを特徴とする請求項２４に記載のシステム。
【請求項４１】
前記分光信号処理ユニット（９０３、２１２）から提供される分光分析情報（８０１）から分光画像（２１３）を生成する画像化信号処理ユニット（９０４、２１２）をさらに備えることを特徴とする請求項４０に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、テラヘルツ放射線を生成し検出することに関する。より詳細には、本発明は、光の波長の放射を使用してテラヘルツ放射線による物体の遠隔分析を容易にすることに関する。
【背景技術】
【０００２】
簡易爆発物（ＩＥＤ）は極めて危険である。というのは、１つには簡易爆発物は発見が難しいからである。遠隔監視や現場観察により隠された爆発物を検出し得る装置は、多くの防衛・国土安全用途に極めて有益である。
【０００３】
テラヘルツ波分光法は、テラヘルツ周波数域での分光的特徴を通じて、従来から多くの化学的な爆発性材料や関連の化合物を検出するのに利用されており、防衛安全用としても利用可能である。例えば、テラヘルツ波分光法は、簡易爆発物（ＩＥＤ）を感知する技術として関心を集めている。しかし、テラヘルツ波は大気中での水蒸気による減衰が極めて大きいので、テラヘルツ波分光法の信頼できる感知範囲は、比較的短い距離に制限されている。例えば、テラヘルツ波をパルス化すると、伝播距離を１４５ｍよりも長くすることができるが、信号対雑音比および誤警報率が許容される範囲で分光測定が行える範囲は約３０ｍに制限される。防衛安全用として、テラヘルツ波分光法の信頼できる感知範囲を拡大することが望まれる。そのため、ある範囲の大気条件下でテラヘルツ波を確実に感知し得る範囲を拡大し、湿度に対する感受性を低くする技術が必要とされている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
簡潔に言えば、本発明は、ある範囲の大気条件下でテラヘルツ波を確実に感知し得る範囲を拡大する技術の必要性にこたえるものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、一態様では、テラヘルツ放射線を検出する方法およびシステムを提供する。この方法は、ある体積の雰囲気ガスを、その体積中で光プローブビームを収束させることによってイオン化して感知用プラズマを生成するステップと、感知用プラズマ内での収束光プローブビームと入射テラヘルツ波との相互作用の結果として生成される放射線の光学成分を検出するステップとを含む。
【０００６】
別の態様では、本発明は、離れたところにある物体を分析する方法およびシステムを提供する。この方法は、ある体積のイオン化された雰囲気ガスを、この体積内で光ポンプビームを収束させることによって誘起して、パルス化されたテラヘルツ放射線を標的物体に向けて放射させるステップと、別の体積の雰囲気ガスを、この他の体積の雰囲気ガス内で光プローブビームを収束させることによってイオン化して感知用プラズマを生成するステップとを含む。この方法はさらに、感知用プラズマ内での収束光プローブビームと入射テラヘルツ波との相互作用の結果として生成される放射線の光学成分を検出することを含み、この入射テラヘルツ波は、パルス化されたテラヘルツ放射線と標的物体との相互作用によって生成される。例えば、標的物体は、パルス化されたテラヘルツ放射線を反射、散乱、または透過させて、感知用プラズマへの入射波を生成する。
【０００７】
第３態様では、本発明は、離れたところにある物体を分析する方法を提供する。この方法は、ある体積のイオン化された雰囲気ガスを、この体積内で光ポンプビームを収束させることによって誘起して、パルス化されたテラヘルツ放射線を標的物体に向けて放射させること、光ポンプビームによって生成された上記と同じ体積のイオン化された雰囲気ガス内で光プローブビームを収束させること、この体積のイオン化された雰囲気ガス内での収束光プローブビームと入射テラヘルツ波との相互作用の結果として生成される放射線の光学成分を検出することとを含み、入射テラヘルツ波は、パルス化されたテラヘルツ放射線と標的物体との相互作用によって生成される。
【０００８】
本発明の上記その他の目的、特徴、および利点は、本発明の様々な態様の以下の詳細な説明を添付の図面と併せ読めば明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
パルス化されたテラヘルツ波による分光法によれば、簡易爆発物（ＩＥＤ）を作り出すことができる化合物を近距離で感知することができる。例えば、化合物ＲＤＸは、好天では最大３０ｍの距離で検出されるが、高湿度条件においては、テラヘルツ放射線を使用した検出範囲は１０ｍ未満に短くなることがある。その理由は、テラヘルツ波の空気中での伝播が水蒸気による吸収によって大きく制限されるからである。例えば、大気中を通過するテラヘルツ波の減衰は、湿度レベルがたかだか２０％でも１００ｄＢ／ｋｍよりも大きくなる。３％〜１００％の湿度レベルでの減衰の影響を測定すると、外気中で、テラヘルツ波が１００ｍよりも長く進んだ後で、そのテラヘルツ波から有用なテラヘルツ分光情報を得るのは実用的でないことがあることが示される。一方、空気中では、光パルス（すなわち、例えば可視光パルス）の減衰は、テラヘルツ波よりもかなり小さい（０．０１ｄＢ／ｋｍ程度）。本発明によれば、光パルスを使用してテラヘルツ波の生成を誘起し、テラヘルツ波の入射を感知し得るので、テラヘルツ分光法において光放射を有利に使用してテラヘルツ波を遠隔的に生成かつ検出することができ、そのため、大気中でテラヘルツ放射線の減衰が大きいという問題が解決され、それによって、テラヘルツ分光法により爆発性材料を検出し得る有効範囲を長くすることができる。
【００１０】
一態様では、本発明は、テラヘルツ放射線と光プローブビームとの相互作用から得られる光放射線を検出することによってこのテラヘルツ放射線を検出する技術を提供する。別の態様では、本発明は、テラヘルツ放射線と光放射線との組合せを利用して、遠くから爆発物および爆発物関連化合物を検出する技術を提供する。このテラヘルツ放射線は、パルスレーザビームを収束させて標的物体の近くのある体積の雰囲気ガスをイオン化することによって標的物体近傍で生成される。一実施形態では、パルスレーザは、光ビームの焦点周りの周囲空気をイオン化することによってプラズマを生成する光ビームを提供する。このようにして得られたイオン化された周囲空気のプラズマの一部はテラヘルツ波放出器として使用され、このようにして得られたイオン化された周囲空気のプラズマの他の部分はテラヘルツ波感知器として使用される。標的の近傍で光ビームを透過させることによって、標的の近くでテラヘルツ波を生成し検出することができ、それによって水蒸気による減衰が減少する。本発明者らは、イオン化された空気をテラヘルツ波の放出器および感知器として使用することによるテラヘルツ波生成のコヒーレント制御およびテラヘルツ波のコヒーレント検出をそれぞれ実験で実証した。
【００１１】
一実施形態では、レーザ源からのフェムト秒（ｆｓ）光パルスを使用して、空気などの雰囲気ガス内で放出用および感知用のプラズマを生成する。この放出用プラズマを誘起して、標的物体の近くで、この標的物体に向けられるテラヘルツ放射線を生成し、感知用プラズマは、テラヘルツ放射線と標的との相互作用から得られるテラヘルツ波を検出する。テラヘルツ放射線と標的との相互作用には、標的によるテラヘルツ放射線の反射、散乱、および透過が含まれる。爆発物またはそれに関連する化合物は、感知用プラズマによって検出されるテラヘルツ波中の、指定した分光的材料特徴を識別することによって検出される。
【００１２】
爆発物関連化合物を遠隔検出する技術の態様によれば、最初から空気中でテラヘルツ波を透過させるのではなく、周囲のガスを通して光ビームを透過させ、標的近傍のある体積の雰囲気ガス内で収束させてテラヘルツ放射線を生成する。最初からレーザ源近くに配置したテラヘルツ放射検出器によって標的から反射した、または標的によって散乱した、あるいは標的を透過したテラヘルツ放射線を検出するのではなく、パルス化されたレーザ放射を標的近くの別の体積の雰囲気ガス内で収束させてテラヘルツ波感知器を提供してもよい。こうすると、たとえ大気の湿度が高くても、より遠方の（例えば、１００ｍ以上離れた）標的の感知または分析が容易になる。一実施形態では、フェムト秒パルスレーザを空気中で透過させ、標的近くのある点で収束させる。このパルス化されたレーザ放射線は、標的近くのある体積の空気をイオン化し、このイオン化された空気（すなわちプラズマ）により、テラヘルツ波放出器が提供される。パルス化されたレーザ放射線を別の体積の雰囲気ガス内で収束させて、テラヘルツ波感知器を提供してもよい。
【００１３】
このような一実施形態では、レーザ源からのパルスレーザビームは、光ビームスプリッタによって２本のビームに分割されて、放出用および検出用のプラズマが別々に得られる。これらのビームの一方は、標的近くの空気中でテラヘルツ波を生成し、他方のビームにより、所望の位置でテラヘルツ波が検出される。光ビームの焦点の場所は、１つまたは複数の光学収束要素によって制御することができ、そのため、テラヘルツ放射源の場所を制御し得る。収束された光ビームにより空気プラズマ（イオン化されたガス分子）が生成され、この空気プラズマから高強度高指向性広帯域テラヘルツ波が放出される。標的近くの雰囲気ガスをイオン化する収束光ビームによって生成される感知用プラズマは、この感知用プラズマに入射するテラヘルツ波を感知する。例えば、感知用プラズマに入射するテラヘルツ波は、放出用プラズマによって放出されたテラヘルツ波を物体が反射、散乱、または透過させることによって得られるものとし得る。また、１つまたは複数の光学収束要素によって感知用プラズマの場所を制御することもできる。
【００１４】
図１Ａおよび図１Ｂに、物体１０５を遠隔分析するシステム１０１の一実施形態であって、このシステムを使用し得る環境の例を示す。この実施形態では、操作者は、テラヘルツビームではなく光ビーム１０２を標的に向ける。標的は、物体近くのプラズマ１０３によって放出されるテラヘルツ波１０４の一部を反射する。図１Ａでは、物体から反射したテラヘルツ波１０６は、物体近くの感知用プラズマ１１０によって感知される。感知用プラズマ１１０は、反射テラヘルツ波に加えられた物体の分光的特徴を担持した光波１０８を放出する。図１Ｂでは、物体によって散乱したテラヘルツ波１０７が、物体近くの感知用プラズマ１１１によって感知される。感知用プラズマ１１１は、散乱テラヘルツ波に加えられた物体の分光的特徴を担持した光波１０９を放出する。感知用プラズマによって放出された光放射線は、離れた分析システムによって検出される。
【００１５】
図２に、本発明の態様による、物体を遠隔分析するシステムの別の実施形態を示す。この実施形態では、レーザ源２０１は、可視波長のポンプビーム２０２を提供し、このポンプビームは、ある体積２０３の雰囲気ガス内で収束される。光ポンプビーム２０２によって体積２０３中でガスが励起されると、それによって励起ガスが誘起されてテラヘルツ放射線が放射される。放出されたテラヘルツ放射線２０４は標的物体２０７に向けられる。任意選択で、放出されたテラヘルツ放射線２０４は、テラヘルツ収束装置２０５によって集束させてもよい。入射したテラヘルツ波２０６は、標的物体２０７と相互作用し、標的物体２０７は、入射テラヘルツ波２０６の一部を反射テラヘルツ波２０８として反射する。この実施形態では、光ポンプビーム２０２から光プローブビーム２０９が得られる。光プローブビーム２０９は、別の体積２１０の雰囲気ガス内で収束され、このガスは、光プローブビーム２０９によってその焦点の周りで励起される。反射テラヘルツ波２０８は体積２１０に入射し、そこで、光プローブビームと反射テラヘルツ波の非線形混合の結果として、光プローブビームの周波数の第２高調波を含む光信号が励起ガスから放出される。光プローブビームと反射テラヘルツ波との非線形相互作用の結果として放出された光信号は光検出器２１１で検出することができ、コンピュータ２１２は、検出された光信号を処理して標的物体の特徴を得る。コンピュータ２１２は、検出された標的物体の特徴に基づいて、標的物体の分析結果に関する情報を伴う表示２１３を提供し得る。任意選択で、テラヘルツ収束装置によって反射テラヘルツ波２０８を体積２１０内で収束させてもよい。
【００１６】
本発明の態様に従って励起されるプラズマによって放出されるテラヘルツ波場の振幅は、ある閾値以降は、イオン化光ビームの出力に比例して増加することが実験により示されている。一実施形態では、増幅型チタンサファイアレーザを使用して１００対１の信号対雑音比が得られた。本発明の別の態様によれば、基本周波数およびその第２高調波を含む光ビームを使用してプラズマを生成すると、得られるテラヘルツ場の強さが大きくなる。焦点距離が２００ｍｍのレンズを備える一実施形態では、得られるテラヘルツ場の指向性は極めて高くなり、その回折角は６度未満である。
【００１７】
標的物体の分析に関する本発明の態様によれば、光学的に誘起されたテラヘルツ波は標的の少なくとも一部を照明する。光学的に誘起されたテラヘルツ波と物体との相互作用の結果、材料の周波数吸収特性などの分光的特徴が、物体によって反射または散乱したテラヘルツ波のスペクトルに加えられる。物体によって反射または散乱したテラヘルツ波を感知するために、レーザ源から３０ｍよりも遠く離れた場所で第２光ビームが収束される。次いで、入射した反射テラヘルツ波に応答して感知用プラズマによって放出される光放射線が検出され、検出された光放射中の材料の特徴が識別される。光放射線にテラヘルツ波を変調として加えることによって、３０ｍよりも遠く離れていても、空気中でのテラヘルツ波の確実な遠隔検出がうまく行われる。というのは、水蒸気による光放射線の減衰はテラヘルツ放射線の減衰よりもはるかに小さいからである。
【００１８】
光プローブビームの焦点スポットの周りの感知用プラズマでは、基本周波数（波長）放射線の光子がテラヘルツ波の光子と相互作用して、３次非線形光学過程により第２高調波光の波長の光子が生成される（空気中での等方的性質により、３次非線形係数だけがゼロでなくなる）。時間分解第２高調波光を測定することによって、反射テラヘルツ波が担持する分光的特徴情報を復号し得る。したがって、空気中で光ビームを透過させて物体に向けられた局所テラヘルツ波を誘起し、光ビームを受け取って物体によって反射または透過したテラヘルツ波を遠隔検出することによって、より離れた距離で、ＩＥＤなどの物体を遠隔識別することができる。この測定値は、例えば、第２高調波光の強度、偏光、および位相の１つまたは複数を含み得る。
【００１９】
物体を遠隔分析する技術の一実施形態では、本発明の態様によれば、雰囲気ガス内でテラヘルツ放射線を生成する技術がいくつか提供される。図３Ａ、図３Ｂ、および図３Ｃに、本発明で使用し得る光ビームを使用してテラヘルツ波を生成する３つの技術を示す。図３Ａ、図３Ｂ、および図３Ｃの例では、パルス化された光ビームがビームの焦点の周りの雰囲気ガスをイオン化し、その結果、ある体積のプラズマが生成される。このプラズマのイオン化されたガスは、広帯域テラヘルツ波を放射する。図３Ａに、１つの波長が支配的であるパルスレーザビーム３０１をレンズ３０２で収束することによってテラヘルツ波３０３が生成されるところを示す。得られたテラヘルツ波は広い帯域を有する。
【００２０】
図３Ｂでは、ダイクロイックミラー３０５は、基本周波数の光を含む基本光ビーム３０４と、基本周波数の第２高調波を含む高調波光ビーム３０６とを混合する。高調波光ビーム３０６は、基本光ビーム３０４に対して位相遅れτを有することがある。レンズ３０７は、基本光ビーム３０４および高調光波光ビーム３０６を同じ体積の雰囲気ガス内で収束させる。基本周波数および第２高調波周波数をともに含むパルス化された光放射線によって誘起されるテラヘルツ波３０８は、図３Ａに示す単一波長の光放射線によって誘起されるテラヘルツ波よりも強いことがある。
【００２１】
図３Ｃに、雰囲気ガスをイオン化し、イオン化されたガスを誘起してテラヘルツ波３１３を放出させる技術の別の例を示す。図３Ｃでは、レンズ３１０は、基本周波数を含むパルス化された光ビーム３０９を収束する。ベータ硼酸バリウム（ＢＢＯ）結晶などの非線形光学結晶３１１が、レンズ３１０とこのレンズの焦点との間に配置される。この非線形光学結晶により、基本周波数成分および第２高調波成分をともに含む光ビームが生成される。得られた基本周波数波および第２高調波により放出用プラズマ３１２が生成され、放出用プラズマ３１２から強いテラヘルツ波の放出が誘起される。図３Ａ、図３Ｂ、および図３Ｃに示す技術において波長板などの追加の光学処理コンポーネントを使用して、生成されたテラヘルツ放射線の特性をさらに制御し得ることが当業者には理解されよう。
【００２２】
図３Ａの技術の一例では、光ビームは、波長が８００ｎｍのレーザの１００フェムト秒のパルスを含む。別の例では、光ビームは、波長が４００ｎｍのレーザの１００フェムト秒のパルスを含む。図３Ｂの技術の例では、基本光ビームの波長は８００ｎｍであり、第２高調波光ビームは波長が４００ｎｍのパルスレーザを含む。図３Ｃの技術の一例では、レンズに入射する基本光ビームの波長は８００ｎｍである。
【００２３】
基本光波およびその第２高調波によってテラヘルツ波が誘起されると、基本光波のエネルギーがある閾値を超えた後では、基本光波のエネルギーに比例して電場の強度が増加することがわかっている。それに比べて、得られるテラヘルツ波の電場は、基本光波のエネルギーがある閾値を超えた後では、第２高調波光ビームのエネルギーの平方根にほぼ比例して増加することがわかっている。このエネルギー閾値は空気をイオン化するためのエネルギーの閾値に極めて近いことが観察されている。
【００２４】
８００ｎｍまたは４００ｎｍの単一波長光パルスによって誘起されたテラヘルツパルスの偏光の測定値から、得られるテラヘルツパルスの偏光は、パルスが伝播する方向に直交する方向にほぼ一様であることが示されている。また、誘起されたテラヘルツパルスの偏光と、Ｓ偏光またはＰ偏光の光励起パルスの偏光との差は２０％未満であった。
【００２５】
基本光パルスおよび第２高調波光パルスによって誘起されるテラヘルツ波の電場の強さは、基本光励起パルスおよび第２高調波光励起パルスの偏光、強度、および相対位相を制御することによって変化し得ることもわかった。
【００２６】
本発明の別の態様では、イオン化された雰囲気ガスは、テラヘルツ放射線を検出する感知器として使用される。使用し得る雰囲気ガスの一例は空気である。テラヘルツ波感知器として空気を使用することは、感知場所を選択するのに柔軟性があり有利である。というのは、空気は、対象とする多くの環境において分析対象の標的物体を取り囲んでいるからである。イオン化された空気の３次非線形感受率を利用することによって空気中でテラヘルツ波を生成するのと同様に、３次非線形光学過程によってテラヘルツ波はイオン化された空気中で検出される。当業者には理解されるように、いくつかの技術により、空気中で３次非線形光学過程を得ることが可能である。光プローブパルスは、光プローブパルスによってイオン化された空気を含む感知用プラズマ中で、入射するテラヘルツ波と相互作用する。得られた光パルスは、プローブパルスの基本周波数の第２高調波の光放射線を含む。光放射線の偏光回転の測定は周知のものであり、偏光の変化を測定することによって、テラヘルツ波を高感度かつ間接的に検出する技術が得られる。
【００２７】
別の実施形態では、イオン化された空気と、入射するテラヘルツ波と、光プローブパルスとの非線形相互作用により、プローブパルスの第２高調波が生成され、この第２高調波光放射が検出される。この実施形態では、得られる第２高調波光放射は、入射テラヘルツ波で変調されており、プローブパルスの周波数と異なる周波数を含む。この技術は、有利には、弱い感知器出力信号の検出を可能にする。というのは、プローブビームと感知器出力信号の周波数に差があることから、プローブビームからの強いバックグラウンドの干渉を容易に抑えることができるからである。
【００２８】
下記の式は、得られる第２高調波光放射の電場の強さＥ２ω（ｔ，τ）と、入射テラヘルツ波の電場および非コヒーレント検出用プローブビームの電場との比例関係を示すものである。
Ｅ２ω（ｔ，τ）∝ＥＴｅｒａｈｅｒｔｚ（ｔ−τ）Ｅω（ｔ）Ｅω（ｔ）＝ＥＴｅｒａｈｅｒｔｚ（ｔ−τ）Ｉω（ｔ）
ここで、Ｅω（ｔ，τ）は、周波数がωの光プローブビームの電場の強さであり、ＥＴｅｒａｈｅｒｔｚ（ｔ−τ）は、入射テラヘルツ波の電場の強さである。感知用プラズマによって放出される第２高調波光放射の電場の強さＥ２ω（ｔ，τ）はプローブビームの強度（Ｉω（ｔ））にも比例する。というのは、光プローブビームの電場Ｅω（ｔ）の平方は、その強度に比例するからである。上式が示すように、２つの基本周波数光子と１つのテラヘルツ光子が感知用プラズマ内で相互作用して、第２高調波光子が生成される。時間分解第２高調波光信号が検出され、それによって入射テラヘルツ波が担持する情報が得られる。Ｅ２ω（ｔ）∝ＥＴｅｒａｈｅｒｔｚ（ｔ−τ）Ｉω（ｔ）の式から、入射プローブビームおよびテラヘルツ波に応答して感知用プラズマによって放出される第２高調波の強度Ｉ２ω（ｔ）が光プローブビームの強度の平方に比例することは明らかである。すなわち、Ｉ２ω（ｔ）∝ＩＴｅｒａｈｅｒｔｚ（ｔ−τ）Ｉω２（ｔ）であり、ここで、ＩＴｅｒａｈｅｒｔｚ（ｔ−τ）は入射テラヘルツ波の強度である。このことは、基本周波数ωを有する強いプローブビームにより、感知用プラズマによって放出される第２高調波光放射の強度が増加することによって、弱いテラヘルツ波の検出が大きく改善され得ることを示している。
【００２９】
図４に、本発明の態様による、感知器として空気プラズマを使用するテラヘルツ放射線の検出技術の一実施形態を示す。この実施形態では、ダイクロイックミラー４０１は、光プローブビーム４０２とテラヘルツ波４０３を、光プローブビームをレンズ４０４に向けて透過させ、テラヘルツ波をレンズ４０４に向けて反射させることによって混合する。レンズ４０４は、入射する光プローブビームおよびテラヘルツ波を雰囲気ガス内で収束させる。収束された光プローブビームは、レンズの焦点の周りのある体積内で雰囲気ガスをイオン化して感知用プラズマ４０５を生成する。光プローブビーム４０２およびテラヘルツ波４０３は、感知用プラズマ４０５内で収束される。感知用プラズマ４０５内で光プローブビームとテラヘルツ波が相互作用する結果、得られた光放射線４０６が感知用プラズマ４０５から放出される。光放射線４０６は、プローブビームの周波数の第２高調波周波数を含む。
【００３０】
別の実施形態では、テラヘルツ放射線のコヒーレント検出技術を利用する。この実施形態では、検出対象のテラヘルツ放射線は、テラヘルツ放射線を誘起したのと同じポンプ
ビームから得られたプローブビームと非線形に混合される。その結果、光プローブビームの時間遅れとテラヘルツ放射線の時間遅れが相関づけられる。また、強い基本プローブビームにより、第２高調波バックグラウンドも生成される。こうした条件下では、感知用プラズマ内での光プローブビームと入射テラヘルツ放射線との非線形相互作用の結果として放出される第２高調波光放射は、下記の式によって特徴づけされ得る強度Ｉ２ωを有する。この式は、得られる第２高調波光放射の強度Ｉ２ω（ｔ，τ）と、入射テラヘルツ波の電場およびコヒーレント検出用プローブビームの電場との比例関係を示している。
Ｉ２ω∝（Ｉω）２ＥＴｅｒａｈｅｒｔｚ
ここで、Ｉωは周波数ωを有する光プローブビームの強度であり、ＥＴｅｒａｈｅｒｔｚは入射テラヘルツ波の電場の大きさである。感知用プラズマによって出力される第２高調波光放射の強度Ｉ２ωは、プローブビームの強度の平方に比例する。感知用プラズマによって出力される第２高調波光放射の強度Ｉ２ωは、入射テラヘルツ波の電場の大きさにも比例する。実験による測定値から、コヒーレント検出またはホモダイン検出が適していること、ならびに、感知用プラズマによって放出される光放射の強度は、上式で示すようにプローブビームおよび入射テラヘルツ放射線に関係していることが示されている。
【００３１】
テラヘルツ放射線のコヒーレント検出技術の一実施形態では、光電子増倍型検出器を使用して、感知用プラズマ内での光プローブビームとテラヘルツ波との相互作用の結果として放出される光放射を検出する。テラヘルツ放射線のコヒーレント検出技術の別の実施形態では、フォトダイオードを使用して感知用プラズマによって放出される光放射を検出した。
【００３２】
レーザ誘起空気プラズマの寿命は１５０ピコ秒よりも長くなり得ることが実験で観察されているので、離れたところにある物体を分析する技術の実施形態で、同じ空気プラズマを、テラヘルツ波を生成する放出用プラズマとして使用し、その後でテラヘルツ波を検出する感知用プラズマとして使用し得る。テラヘルツ波を生成する光ポンプビームによって得られる大きな共鳴３次非線形性を利用するために、テラヘルツ波放出器として使用される同じプラズマに比較的弱いプローブビームを送って、このプラズマに入射するテラヘルツ波を検出することが可能である。
【００３３】
図５に、テラヘルツ放射線を検出するシステムの一実施形態を示す。この実施形態は、光プローブビーム５０１の供給源と、感知用プラズマ５０５を誘起するためのレンズ５０２と、パラボリックミラー５０３を備える。この実施形態では、感知用プラズマ内での光プローブビーム５０１とテラヘルツ放射線５０４との相互作用の結果として、第２高調波光ビーム５０６が放出される。レンズ５０２は、光プローブビーム５０１を収束させる。パラボリックミラー５０３は、収束された光プローブビームを通過させる開口を有する。また、このパラボリックミラーは、収束された光プローブビームによって励起されるある体積の雰囲気ガス内でテラヘルツ放射線を収束させる。第２高調波光ビーム５０６は、入射テラヘルツ放射線が担持する情報によって変調されており、レンズ５０８およびフィルタ５１０を透過し、光電子増倍型検出器５１２によって検出される。レンズ５０８は、より強い信号が得られるように第２高調波光ビーム５０６を集束させる。フィルタ５１０は、光電子増倍型検出器５１２が第２高調波光ビーム５０６を検出する前に、光プローブビームを含めて光学的なバックグラウンド放射を減衰させる。実施形態の例では、光プローブビームは波長８００ｎｍの放射線のパルスを含み、得られる第２高調波光ビームは波長４００ｎｍの放射線のパルスを含む。
【００３４】
図６Ａおよび図６Ｂに、本発明の別の態様による、離れたところにある物体を分析するシステム６０１の一実施形態を示す。このシステムは、光ポンプビームの供給源と、光ポンプビームを収束させる手段と、光プローブビームの供給源と、標的物体によって被検出テラヘルツ放射線に加えられた標的物体の特徴によって変調される光プローブビームを収束させる手段と、光検出器とを備える。光ポンプビームは、イオン化されたガスを誘起して分析対象物体に向けられるテラヘルツ放射線を生成する。物体に入射するテラヘルツ放射線は物体と相互作用し、この物体は、入射テラヘルツ放射線の少なくとも一部を（図６Ａのように）反射または（図６Ｂのように）散乱させる。光プローブビームの供給源は、ある体積の雰囲気ガスをイオン化して感知用プラズマを生成するための収束光プローブビームを提供する。光プローブビームと、物体によって反射または散乱したテラヘルツ放射線との相互作用の結果得られた光ビームが感知用プラズマから放出される。このようにして得られ、感知用プラズマによって放出された光ビームは、光電子増倍型検出器またはフォトダイオードなどの光検出器によって検出される。
【００３５】
図６Ａおよび図６Ｂの実施形態では、光ポンプビームの供給源は、レーザ源６０２、ビームスプリッタ６０４、光学遅延装置６０６、およびレンズ６０８を備える。光学遅延装置６０６の一例として、光放射の伝播経路の長さを長くするように配置された一連のミラーがある。レンズ６０８は、レーザ源が提供する光ビームを収束させて、光ポンプビーム６１２を生成する。この実施形態では、光ポンプビーム６１２は、ある体積内の雰囲気ガスをイオン化して放出用プラズマ６１４を生成する。光ポンプビーム６１２と放出用プラズマ６１４との相互作用により、放出用プラズマが誘起されて、分析対象物体６１６に向かって伝播するテラヘルツ放射線６１５が放出される。入射するテラヘルツ放射線に応答して、物体は、入射テラヘルツ放射線の一部を（図６Ａのように）反射または（図６Ｂのように）散乱させて、反射テラヘルツ放射線６１８または散乱テラヘルツ放射線６１８’が生成される。
【００３６】
図６Ａおよび図６Ｂのシステムは、ある体積内の雰囲気ガスをイオン化して感知用プラズマ６２６を生成するための光プローブビーム６２４も提供する。光プローブビーム６２４は、ビームスプリッタ６０４、ミラー６２０、およびレンズ６２２によって生成される。ビームスプリッタ６０４は、レーザ源６０２からの光放射の一部をミラー６２０に向ける。ミラー６２０は、ビームスプリッタから入射する光放射をレンズ６２２に向け、レンズ６２２は、ミラー６２０からの光放射を収束させて光プローブビーム６２４を形成する。感知用プラズマ６２６内での光プローブビーム６２４と反射または散乱されたテラヘルツ放射線６１８との相互作用の結果、得られた光放射６２８が感知用プラズマから放出される。得られた光放射６２８は、例えば、光プローブビームの基本周波数の第２高調波周波数を含み、レンズ６３０によって集束され、フィルタ６３２によってフィルタリングされて、バックグラウンド光放射が減衰する。光検出器６３４は、得られた光放射６２８のうちフィルタ６３２を通過する第２高調波成分を検出する。光検出器６３４は、例えば光電子増倍型検出器を含み得るが、別の例としてフォトダイオードを含み得る。
【００３７】
図６Ａおよび図６Ｂの実施形態では、光ポンプビーム源は、ベータ硼酸バリウム（ＢＢＯ）結晶などの非線形光学結晶６１０を備えてもよく、それによって、放出用プラズマが誘起されてより強いテラヘルツ放射線が放出される。
【００３８】
図６Ｃおよび図６Ｄに、本発明の態様による、離れたところにある物体を分析するシステム６４０の別の実施形態を示す。図６Ｃおよび図６Ｄのシステム６４０は、図６Ａおよび図６Ｂのシステム６０１に追加された非線形光学結晶６２３を備える。この実施形態では、非線形光学結晶６２３は、光プローブビーム６２４を生成する光学処理経路においてレンズ６２２の後方に配置される。非線形光学結晶６２３によって生成される光プローブビーム６２４は、レーザ源が出力する光放射の周波数を有する基本周波数成分と、第２高調波成分をと含む。感知用プラズマ内での光プローブビームの基本周波数成分および光プローブビームの第２高調波と、入射するテラヘルツ放射線との相互作用の結果得られた第２高調波周波数を含む光放射が感知用プラズマによって放出される。こうした得られた光放射線は、反射テラヘルツ放射線に担持される物体の特徴によって変調されている。
【００３９】
図６Ｅに、本発明の態様による、離れたところにある物体を分析するシステムの実施形態を示す。この実施形態では、同じプラズマをテラヘルツ放射線の放出器および感知器として使用する。図６Ｃの実施形態と同様に、光ポンプビーム６１２は、ある体積内の雰囲気ガスをイオン化して放出用プラズマ６１４を生成する。放出用プラズマ６１４は、分析対象物体６１６に向かって伝播するテラヘルツ放射線６１５を放出する。入射するテラヘルツ放射線に応答して、物体は、入射テラヘルツ放射線の一部を反射して、反射テラヘルツ放射線６１８を生成する。図６Ｅの実施形態では、離れたところにある物体を分析するシステム６４０は、放出用プラズマ６１４内で光プローブビーム６２４を収束させ、放出用プラズマ６１４内での光プローブビーム６２４と反射テラヘルツ放射線６１８との相互作用の結果として、光放射６２８が生成される。すなわち、標的物体に向けられるテラヘルツ放射線を放出する同じプラズマを使用して、テラヘルツ放射線６１５と分析対象物体６１６との相互作用によって得られるテラヘルツ放射線も感知する。光検出器６３４は、得られた光放射６２８のうちフィルタ６３２を通過した成分を検出する。例えば、検出される成分は、光プローブビーム６２４の第２高調波とし得る。
【００４０】
図７Ａおよび図７Ｂに、本発明の態様による、光学的に誘起されるイオン化ガスを使用してテラヘルツ放射線を放出し検出するシステムの実施形態を示す。図７Ａでは、標的物体を透過するテラヘルツ波を測定し、図７Ｂでは、物体から反射するテラヘルツ波を測定する。チタンサファイア増幅器を備えるレーザ源は、光パルスを含むレーザビーム７０２を生成する。例えば、チタンサファイア増幅器は、中心波長が８００ｎｍの１２０フェムト秒の光パルスを１ｋＨｚの繰返し率で生成する。この実施形態の一例では、レーザビーム７０２の光パルスは８００μＪ以上のエネルギーを有する。レーザビーム７０２は、ビームスプリッタ７０４によって２本のビームに分割される。基本ポンプビーム７０６である一方のビームを使用してテラヘルツ波を生成し、プローブビーム７３０である他方のビームを使用してこのテラヘルツ波を検出する。基本ポンプビーム７０６は、複数のミラーを含む光学遅延器７０８によって遅らされる。遅れた基本ポンプビーム７０６はレンズ７１０によって収束される。こうして遅らされ収束された基本ポンプビームは、非線形光学装置７１２によって処理されて、周波数がωの基本ポンプビームと、周波数が２ωの第２高調波とを含む合成光ポンプビーム７１４が生成される。一実施形態では、この非線形光学装置は、厚さ１００ｍｍのタイプＩベータ硼酸バリウム（ＢＢＯ）結晶を含む。この合成ポンプビームは、雰囲気ガス（例えば、空気）内で収束されて放出用プラズマ７１６が生成される。合成ポンプビーム７１４は、放出用プラズマ７１６を誘起して、４波混合光学過程によって生成される高強度高指向性広帯域テラヘルツ波７１８が放出される。図７Ａでは、テラヘルツ波７１８は、パラボリックミラー７２０によってコリメートされ、標的物体７２１を透過し、再収束ミラー７２４によって収束される。一実施形態では、コリメートミラー７２０は、直径が７６．２ｍｍであり、有効焦点距離は１０１．６ｍｍである。再収束ミラー７２４は、直径が５０．８ｍｍであり、焦点距離は５０．８ｍｍである。図７Ｂでは、テラヘルツ波７１８は、パラボリックミラー７２０によってコリメートされ、金属ミラー７５０および７５４によって方向が変えられ、標的物体７５２によって反射される。いずれの実施形態でも、テラヘルツ波は、再収束ミラー７２４である第２パラボリックミラーによって収束され、再収束ミラー７２４は、収束されたプローブビーム７３８が通過し得る穴を有する。再収束ミラー７２４は、収束されたプローブビーム７３８が通過し得る穴を有する。フィルタ７２２は、テラヘルツ波７１８を透過させ、残りの８００ｎｍおよび４００ｎｍのビームを遮断する。例えば、フィルタ７２２は、高抵抗率シリコンウエハを含み得る。
【００４１】
半波長板７３２を使用してプローブビーム７３０の偏光を制御することができ、フィルタ７３４を使用してこのプローブビームをさらに処理することができる。レンズ７３６は、ある体積の雰囲気ガス内でプローブビームを収束させ、この雰囲気ガス内で感知用プラズマ７４０が生成される。テラヘルツ波７１８は、その生成とは逆の過程で検出される。この逆過程では、収束プローブビーム７３８と入射テラヘルツ場を混合することによって第２高調波光信号７４２が生成される。第２高調波光信号７４２を時間分解測定することにより、テラヘルツ場７１８の振幅および位相のコヒーレント検出が行われる。
【００４２】
図７Ａおよび図７Ｂに示す実施形態の例では、テラヘルツ波およびプローブビームは、感知用プラズマ７４０内の同じ点で収束される。ここで、焦点スポットの推定直径はそれぞれ約０．８ｍｍおよび２４μｍである。テラヘルツ場により誘起された第２高調波光信号は、光電子増倍管７４８によって検出される。任意選択で、レンズ７４４で第２高調波光信号を収束させ、フィルタ７４６を採用して光プローブビームの基本周波数での放射を含むバックグランド光放射を減衰させることによって、第２高調波光信号７４２の検出を改善させてもよい。図７Ａおよび図７Ｂの実施形態では、プローブビームの強度が１．８×１０１４Ｗ／ｃｍ２未満のときに単極波形が検出された。この強度レベルよりも大きいところでは、検出される波形が変化し始め、約５．５×１０１４Ｗ／ｃｍ２よりも大きいところでは、第２高調波の測定波形は双極になり、コヒーレント検出が実現される。
【００４３】
図７Ｃに、本発明の態様による、光学的に誘起されるイオン化ガスを使用してテラヘルツ放射線を放出し検出し、それによって物体を分析するシステムの別の実施形態を示す。この実施形態では、標的物体を透過するテラヘルツ波が検出される。この実施形態は、図７Ａに示す実施形態と類似している。図７Ｃの実施形態は、標的物体７２１が、パラボリックミラー７２０とフィルタ７２２の間ではなく、放出用プラズマ７１６とパラボリックミラー７２０の間に配置されるという点で図７Ａの実施形態と異なっている。
【００４４】
図８Ａに、本発明による図７Ｃの実施形態を使用して得られた生化学トリプトファンの吸収係数の測定値のグラフ８０１を示す。この試験では、図７Ｃの標的物体７２１は、トリプトファン試料を含むものとした。光電子増倍管７４８によって検出された光信号を分析して、約０．２５ＴＨｚ〜２ＴＨｚの範囲の周波数についてトリプトファンの吸収係数の測定値が得られた。
【００４５】
図８Ｂに、本発明による図７Ｃの実施形態を使用して得られた、相対湿度３０％での水蒸気によるテラヘルツ放射線の減衰の測定値のグラフ８０２を周波数の関数として示す。この試験では、標的物体７２１は、経路長が約３８ｃｍの水蒸気試料を含むものとした。光電子増倍管７４８によって検出された光信号を分析して、約０．５ＴＨｚ〜６ＴＨｚの範囲の周波数について、３８ｃｍの経路にわたる水蒸気によるテラヘルツ放射線の減衰の測定値が得られた。
【００４６】
図９Ａに、本発明の態様による、離れたところにある物体を分析し、分光分析システムを実現するシステム９０１の実施形態を示す。システム９０１は、図６Ａのシステム６０１を備え、信号９０２を分析する分光信号処理ユニット９０３をさらに備える。信号９０２は、得られた光放射６２８の検出成分に応答して、光検出器６３４によって提供される。
【００４７】
図９Ｂに、本発明の態様による、離れたところにある物体を分析し、分光画像化を実現するシステム９０１の別の実施形態を示す。この実施形態では、システム９０１はさらに、分光信号処理ユニット９０３に接続された画像化信号処理ユニット９０４を備える。画像化信号処理ユニット９０４は、分光信号処理ユニット９０３の出力から、標的物体またはその特徴の分光画像を生成する。分光信号処理ユニット９０３および画像化信号処理ユニット９０４は、例えば、コンピュータ、マイクロプロセッサ、またはデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）チップ上で実行可能な命令からなるプログラムを含み得る。
【００４８】
本明細書では本発明のいくつかの態様を説明し図示してきたが、当業者なら、代替態様によって同じ目的を実現することができよう。したがって、添付の特許請求の範囲は、本発明の趣旨および範囲に含まれるあらゆる代替態様を包含することが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１Ａ】物体を遠隔分析するシステムの一実施形態を、このシステムを使用し得る環境の例で示す図であり、物体から反射したテラヘルツ波が検出される。
【図１Ｂ】物体を遠隔分析するシステムの一実施形態を、このシステムを使用し得る環境の例で示す図であり、物体によって散乱したテラヘルツ波が検出される。
【図２】本発明の態様による、物体を遠隔分析するシステムの別の実施形態を示す図である。
【図３Ａ】本発明の態様による、光ビームを使用することによって雰囲気ガス内でテラヘルツ放射線を生成する技術を示す図である。
【図３Ｂ】本発明の態様による、光ビームを使用することによって雰囲気ガス内でテラヘルツ放射線を生成する技術を示す図である。
【図３Ｃ】本発明の態様による、光ビームを使用することによって雰囲気ガス内でテラヘルツ放射線を生成する技術を示す図である。
【図４】本発明の態様による、感知器としてガスプラズマを使用するテラヘルツ放射線の検出技術の一実施形態を示す図である。
【図５】本発明の態様による、感知器としてイオン化されたガスを使用してテラヘルツ放射線を検出するシステムの一実施形態を示す図である。
【図６Ａ】本発明の態様による、離れたところにある物体を分析するシステムの実施形態を示す図である。
【図６Ｂ】本発明の態様による、離れたところにある物体を分析するシステムの実施形態を示す図である。
【図６Ｃ】本発明の態様による、離れたところにある物体を分析するシステムの別の実施形態を示す図である。
【図６Ｄ】本発明の態様による、離れたところにある物体を分析するシステムの別の実施形態を示す図である。
【図６Ｅ】本発明の態様による、同じプラズマをテラヘルツ放射線の放出器および感知器として使用し、離れたところにある物体を分析するシステムの実施形態を示す図である。
【図７Ａ】本発明の態様による、光学的に誘起されるイオン化ガスを使用してテラヘルツ放射線を放出し検出し、それによって物体を分析するシステムの実施形態を示す図であり、標的物体を透過するテラヘルツ波が検出される。
【図７Ｂ】本発明の態様による、光学的に誘起されるイオン化ガスを使用してテラヘルツ放射線を放出し検出し、それによって物体を分析するシステムの実施形態を示す図であり、標的物体から反射したテラヘルツ波が検出される。
【図７Ｃ】本発明の態様による、光学的に誘起されるイオン化ガスを使用してテラヘルツ放射線を放出し検出し、それによって物体を分析するシステムの別の実施形態を示す図であり、標的物体を透過するテラヘルツ波が検出される。
【図８Ａ】本発明による図７Ｃの実施形態を使用して得られたトリプトファンの吸収係数の測定値のグラフである。
【図８Ｂ】本発明による図７Ｃの実施形態を使用して得られた、相対湿度３０％での水蒸気による減衰の測定値のグラフであり、周波数の関数として示されている。
【図９Ａ】本発明の態様による、離れたところにある物体を分析し、分光分析を実現するシステムの実施形態を示す図である。
【図９Ｂ】本発明の態様による、離れたところにある物体を分析し、分光画像化を実現するシステムの実施形態を示す図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【国際調査報告】
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