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Pietro Quarta
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1 il dimostratore per misure al terahertz Serena Gagliardi, Maryam Khojastehfar e Mauro Falconieri ENEA-FSN-TECFIS, C.R. Casaccia TERZO WORKSHOP PROGETTO COBRA Frascati, 19 gennaio 2017

2 outline inquadramento progettuale la radiazione al terahertz (THz) nel campo dei beni culturali dimostratore THz TDS (Time-Domain Spectroscopy) collegamento in remoto con il laboratorio analisi dei tempi di volo e stratigrafia

3 attività prevista nel progetto WP2 - Potenziamento degli assets di Ricerca e Sviluppo Attività 5 - Sviluppo sistemi diagnostici dimostratori. «dimostratore THz imaging basato su sorgenti commerciali operanti in selezionate regioni spettrali per realizzare scanner su area inferiore al m 2 a distanza dell ordine del cm» frequenze (energie) poco assorbite frequenze dell ordine del THz (0.1 10THz) ovvero lontano infrarosso cm -1 radiazione penetrante e non ionizzante

4 THz nei beni culturali la radiazione al terahertz può essere usata come sonda per analizzare campioni in modo non distruttivo, non invasivo e contactless, applicabile a tutti i materiali non metallici applicazioni riportate: lo studio dei materiali: pigmenti, coloranti e leganti organici, supporti lignei o tele lo studio della stratigrafia e rivelazione di distacchi parziali su dipinti: murali, affreschi, su tela e pala l osservazione della struttura di vasi ceramici e oggetti lignei la studio di mummie e ossa

esempi di applicazione la stratigrafia e

tomografia della tavola dipinta Polittico

5 esempi di applicazione la stratigrafia e la rivelazione di un danno strutturale in un frammento di affresco del sedicesimo secolo del monastero di Dazhao in Mongolia la composizione chimica di un inchiostro rosso su pergamena la tomografia della tavola dipinta Polittico di Badia di Giotto di Bondone (collezione del Museo degli Uffizi, Firenze) la riflettività di pigmenti su tavola riflessione tomografia Pagina 5

6 la tecnica Time-Domain Spectroscopy la regione spettrale del lontano infrarosso (o THz) è diventata facilmente accessibile con la disponibilità di laser a impulsi ultracorti che eccitano antenne fotoconduttive (PCA). laser pulse 100fs THz pulse PCA PCA

7 la tecnica Time-Domain Spectroscopy l impulso non è monocromatico ma contiene un intervallo di frequenze miscelate con ampiezza differente. Lo spettro delle frequenze si ottiene con la trasformata di Fourier: dal dominio del tempo FFT Fast Fourier Transform a quello delle frequenze vantaggi: emissione a larga banda svantaggi: lunghi tempi di acquisizione valori tipici per sistemi THz-TDS: frequenza massima 3 THz risoluzione 7 GHz

8 il dimostratore in riflessione (collegamento con CR Casaccia) relazione fre tempo di ritardo dell eco e distanza fra le interfacce: ccalcolata sample per un angolo di incidenza di 45, ccome nel nostro sistema

nostro sistema risoluzione spaziale laterale: 3 mm (misurata) (causata dall aberrazione cromatica

9 misure di tempo di volo analisi del tempo di volo e stratigrafia relazione fre tempo di ritardo dell eco e distanza fra le interfacce: calcolata per un angolo di incidenza di 45, come nel nostro sistema risoluzione spaziale laterale: 3 mm (misurata) (causata dall aberrazione cromatica delle lenti delle PCA) risoluzione in profondità: 100 mm (stimata dalla larghezza del picco del segnale)

10 l acquisizione dati in pratica (collegamento con CR Casaccia) posizionamento del campione lancio dell acquisizione dati acquisizione dati

signal intensity (na) analisi dei dati -1 1.

5 0 10 20 30 40 time (ps) convoluzione tra

11 signal intensity (na) analisi dei dati gypsum reference mm time (ps) convoluzione tra impulso di sonda e risposta del campione la forma dell impulso di sonda si ricava misurando un riflettore perfetto (specchio) S t = I t τ R τ dτ come ricavare R? S=segnale sperimentale I=impulso di sonda R=risposta del campione

12 signal (a.u.) response signal signal intensity (na) analisi dei dati -2 sfruttando le sole proprietà della deconvoluzione non si riesce ad identificare echi senza ambiguità time (ps) gypsum reference applicando * : un algoritmo di analisi data per ridurre il rumore e evidenziare l intervallo temporale rilevante * J. Takayanagi, et al. Opt. Express 17(9), (2009) deconvolved signal % (2) a=5x10 16 t=600 fs Dt=8,3 ps d=730 mm time (ps) time (ps) risoluzione teorica: t Gauss = 600fs Dd ~60mm risoluzione sperimentale: FWHM dei picchi=1.9 ps Dd=170mm

13 analisi dei dati -3 l algoritmo di analisi dati è stato implementato usando un software commerciale (collegamento con C.R. Casaccia)

14 conclusioni e prospettive è stato realizzato un dimostratore per misure di assorbimento e riflessione nella regione del THz è possibile caratterizzare campioni in trasmissione e riflessione ottenendo informazioni su 1. composizione chimica tramite spettroscopia in assorbimento nell intervallo spettrale THz (3-100 cm -1 ) 2. stratigrafia tramite misure di tempo di volo 3. imaging di strati sepolti tramite misure di riflettività su campioni di alcuni centimetri quadri l acquisizione dei dati è relativamente lenta (diversi minuti per punto) ma si possono sviluppare sistemi per velocizzarla l analisi dati della stratigrafia può essere sviluppata ulteriormente per migliorarne le prestazioni grazie per l attenzione

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