- 縮小太赫茲差距：微型激光是邁向新型傳感器的重要一步
- 來源：賽斯維傳感器網 發(fā)表于 2020/10/30
一項新的成像技術可快速測量固體的化學成分。樣品藥丸的常規(guī)圖像顯示在左側。在右側，以太赫茲頻率觀察同一表面會發(fā)現各種成分具有不同的顏色。這樣的圖像將有助于藥品制造中的質量控制和開發(fā)，以及醫(yī)學診斷和治療。圖片來源：Sterczewski等。
在開發(fā)便攜式掃描儀的重大步驟中，該掃描儀可以快速測量藥物中的分子或對患者皮膚中的組織進行分類，研究人員創(chuàng)建了一種成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用足夠小且效率高的激光安裝在微芯片上。
該系統(tǒng)以太赫茲頻率發(fā)射和檢測電磁輻射，該頻率高于無線電波，但低于用于熱成像的長波紅外光。使用太赫茲輻射成像一直是工程師的目標，但是創(chuàng)建在該頻率范圍內工作的實際系統(tǒng)的困難已阻礙了大多數應用，并導致了工程師所說的“太赫茲間隙”。
普林斯頓大學電氣工程副教授，研究團隊的負責人之一杰拉德·懷索基（Gerard Wysocki）表示：“在這里，我們擁有一種革命性的技術，它沒有任何活動部件，并且直接從半導體芯片發(fā)射太赫茲輻射�！� 。
太赫茲輻射可以穿透諸如織物和塑料之類的物質，不會電離，因此可安全用于醫(yī)療用途，并可用于查看難以在其他頻率下成像的材料。該新系統(tǒng)在Optica期刊六月發(fā)表的一篇論文中進行了描述，它可以快速探測分子的身份和排列或使材料受到結構破壞。
該設備使用精確頻率的穩(wěn)定輻射束。該設置稱為頻率梳，因為它包含多個“牙齒”，每個牙齒發(fā)出不同的，定義明確的輻射頻率。輻射與樣品材料中的分子相互作用。雙梳狀結構使儀器可以有效地測量反射輻射。反射輻射中的獨特圖案或光譜特征使研究人員能夠識別樣品的分子組成。
盡管當前的太赫茲成像技術生產成本高且操作麻煩，但新系統(tǒng)基于半導體設計，成本更低，每秒可生成許多圖像。這種速度可能使其對生產線和其他快節(jié)奏用途的藥物片劑的實時質量控制有用。
Wysocki說：“想象一下，平板電腦每經過100微秒，您就可以檢查它是否具有一致的結構，以及您期望的每種成分是否足夠。”
作為概念的證明，研究人員創(chuàng)建了一種具有三個區(qū)域的平板電腦，這些區(qū)域包含藥品中常見的惰性成分-葡萄糖，乳糖和組氨酸的形式。太赫茲成像系統(tǒng)識別出每種成分，并揭示了它們之間的界限，以及一種化學物質溢出到不同區(qū)域的幾個斑點。這種類型的“熱點”代表了藥物生產中的常見問題，當有效成分未正確混合到片劑中時會發(fā)生。
該團隊還通過對美國四分之一區(qū)域成像來演示系統(tǒng)的分辨率。清晰可見的細節(jié)，如鷹的翅膀羽毛，小至五分之一毫米寬。
盡管該技術使太赫茲成像的工業(yè)和醫(yī)學用途比以前更可行，但仍需要冷卻至低溫，這是實際應用的主要障礙�，F在，許多研究人員正在研究可能在室溫下工作的激光器。普林斯頓大學的研究小組說，其雙梳子高光譜成像技術將與這些新的室溫激光源一起很好地工作，然后可以打開更多的用途。
太赫茲輻射由于不電離，因此對患者是安全的，并且有可能被用作皮膚癌的診斷工具。此外，該技術對金屬成像的能力可用于測試飛機機翼在飛行中被物體撞擊后是否受損。
除Wysocki外，普林斯頓大學的作者還曾是訪問研究生Lukasz Sterczewski（現為NASA噴氣推進實驗室的博士后學者）和副研究員Jonas Westberg。其他合著者是麻省理工學院的Yang Yang，David Burghoff和Hu Qing。和桑迪亞國家實驗室的John Reno。這項研究的支持部分由國防高級研究計劃局和美國能源部提供。
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