Применение терагерцовой (ТГц) спектроскопии во временной области для изучения многослойных структур

Неразрушающий контроль многослойных структур является сложной задачей для методов визуализации с временным разрешением, так как разрешение и контраст могут быть значительно снижены из-за ослабления сигнала в результате межслойных отражений и дисперсии.

Юцин Цуй совместно с группой ученых из Китая, Великобритании и США представили новый метод для получения информации о содержимом многослойных структур, основанный на ТГц спектроскопии во временной области, позволяющий увеличить контраст за счет высокого разрешения и широкого спектра. Для этого они изучили характеристики отраженных ТГц импульсов, чтобы определить положение каждого слоя, а также смогли увеличили контраст изображения для подтверждения высокой производительности метода. При этом ученым удалось получить изображения буквенных символов в 26-слойной структуре.

Исследование позволило точно воссоздать внутреннее строение предметов искусства, покрытий и композитных материалов, а также получить высококонтрастное изображение при сверхнизком соотношении сигнал/шум.

ТГц спектроскопия во временной области

Обычно, визуализация проводится в ТГц-области из-за неионизирующей природы излучения данного спектра и высокой степени прозрачности для неполярных диэлектриков. 

ТГц спектроскопия во временной области – это неразрушающий метод спектроскопии с применением 3D-визуализации для изучения свойств образцов путем облучения их терагерцовыми короткими импульсами. Данный метод обеспечивает высокое разрешение и широкую спектральную характеристику, в отличие от рентгеновской томографии и ультразвуковых методов, применяемых для контроля фармацевтических препаратов, композитных структур и пр.

Однако, данный метод непопулярен из-за субмилливаттной мощности излучения, слишком малой для изучения глубоких слоев материалов, а также из-за слабого контраста при большом количестве импульсов, что затрудняет получение изображений для определения положения и амплитуды ТГц импульсов.

В своей работе ученые предложили метод получения информации из многослойных структур со сверхнизким соотношением сигнал/шум, большой глубиной проникновения излучения и высоким контрастом изображения.

Система настройки и обработки измерений

Команда провела эксперимент с парой фотопроводящих антенн для излучения и приема излучения (рис.1) для измерения 30-слойной стопки бумаги, где были записаны буквенные символы. Излучаемый терагерцовый импульс с помощью оптической системы фокусировался в образце, а отраженный ТГц сигнал состоял из последовательности импульсов, отраженных от различных слоев.

Затем ученые провели анализ сигнала и описали причины его ослабления: неточная настройка прибора, поглощение водяным паром и поглощение внутри слоев бумаги. Они также исследовали модели сигналов и отражений.

Реконструкция многослойной структуры

Чтобы исследовать многослойные структуры образцов с мощью ТГц спектроскопии во временной области, команда вычисляла координаты положения импульса для восстановления структуры слоя, а также время излучения и регистрации импульса для восстановления изображения (рис.2А). Положение импульса только частично определяло качество изображения, так как сложные ТГц сигналы отражались от многослойных структур. Ученые дополнительно разработали алгоритм выделения импульса – поиск пика локальной симметрии (рис.2В).

Был также проведен сравнительный анализ результатов различных методов выделения импульсов (рис.2С). 

После вычисления последовательности пиков импульсов были рассчитаны границы раздела слоев для восстановления структуры образцов. Затем были получены изображения слоев в ТГц спектре путем обработки полученных данных об амплитуде.

Ученые использовали метод ТГц визуализации средней амплитуды – метод усреднения по соседству – для получения изображений многослойных структур с высоким контрастом и качеством. Они исследовали возможности предложенного метода, описав ряд слов с третьего по девятнадцатый слои в 22-слойной стопке бумаги и проведя ТГц визуализацию для четкого распознавания слов.

Применение для изучения культурного наследия

Кроме того, Цуй вместе с коллегами исследовали артефакты (фрески, картины на холстах) для выявления внутренних дефектов и скрытых слоев краски произведений искусств для получений полной информации об их структурах.

Они также исследовали структуру и условия хранения терракотовых воинов в мавзолее императора Цинь Шихуанди в Сиане для их дальнейшего восстановления и хранения. С помощью своего метода они успешно исследовали структуру, внутренние дефекты и скрытое содержимое статуй для получения новой информации, представляющей культурную ценность.

Таким образом, Юцин Цуй и его коллеги использовали ТГц импульсы и метод усреднения по соседству по окрестности импульса для получения терагерцовых изображений с высоким контрастом и с уменьшенным шумом. Предложенный метод помогает изучать скрытую структурную информацию, охватывающую все слои субволновой длины, а также позволяет получать изображения с высоким контрастом и разрешением, благодаря чему становится возможным изучать  древние артефакты без повреждений.