Lukning af terahertz -hullet:Lille laser er et vigtigt skridt i retning af nye sensorer

I et stort skridt mod at udvikle bærbare scannere, der hurtigt kan måle molekyler i lægemidler eller klassificere væv i patienternes hud, forskere har skabt et billeddannelsessystem, der bruger lasere, der er små og effektive nok til at passe på en mikrochip.

Systemet udsender og registrerer elektromagnetisk stråling ved terahertz-frekvenser-højere end radiobølger, men lavere end det langbølgede infrarøde lys, der bruges til termisk billeddannelse. Billeddannelse ved hjælp af terahertz -stråling har længe været et mål for ingeniører, men vanskeligheden ved at oprette praktiske systemer, der fungerer i dette frekvensområde, har dæmpet de fleste applikationer og resulteret i, hvad ingeniører kalder "terahertz -hullet".

"Her, vi har en revolutionerende teknologi, der ikke har nogen bevægelige dele og bruger direkte emission af terahertz -stråling fra halvlederchips, "sagde Gerard Wysocki, en lektor i elektroteknik ved Princeton University og en af ​​lederne af forskerteamet.

Terahertz -stråling kan trænge igennem stoffer som stoffer og plast, er ikke-ioniserende og derfor sikkert til medicinsk brug, og kan bruges til at se materialer, der er vanskelige at forestille sig ved andre frekvenser. Det nye system, beskrevet i et papir, der blev offentliggjort i tidsskriftet juni Optica , kan hurtigt undersøge identiteten og arrangementet af molekyler eller udsætte strukturelle skader på materialer.

Enheden anvender stabile stråler ved præcise frekvenser. Opsætningen kaldes en frekvenskam, fordi den indeholder flere "tænder", der hver udsender en anden, veldefineret strålingsfrekvens. Strålingen interagerer med molekyler i prøvematerialet. En struktur med dobbelt kam gør det muligt for instrumentet effektivt at måle den reflekterede stråling. Unikke mønstre, eller spektrale signaturer, i den reflekterede stråling tillader forskere at identificere prøvens molekylære sammensætning.

Mens de nuværende terahertz -billeddannelsesteknologier er dyre at producere og besværlige at betjene, det nye system er baseret på et halvlederdesign, der koster mindre og kan generere mange billeder i sekundet. Denne hastighed kan gøre den nyttig til realtidskvalitetskontrol af farmaceutiske tabletter på en produktionslinje og andre hurtige anvendelser.

"Forestil dig, at hver 100 mikrosekunder en tablet passerer, og du kan kontrollere, om den har en konsistent struktur, og der er nok af hver ingrediens, du forventer, sagde Wysocki.

Som et bevis på konceptet, forskerne lavede en tablet med tre zoner indeholdende almindelige inaktive ingredienser i lægemidler - former for glukose, lactose og histidin. Terahertz -billeddannelsessystemet identificerede hver ingrediens og afslørede grænserne mellem dem, samt et par pletter, hvor et kemikalie var spildt over i en anden zone. Denne type "hot spot" repræsenterer et hyppigt problem i farmaceutisk produktion, der opstår, når den aktive ingrediens ikke er korrekt blandet i en tablet.

Teamet demonstrerede også systemets opløsning ved at bruge det til at forestille et amerikansk kvarter. Fine detaljer som ørnens vingefjer, så lille som en femtedel af en millimeter bred, var tydeligt synlige.

Selvom teknologien gør den industrielle og medicinske brug af terahertz -billeddannelse mere gennemførlig end før, det kræver stadig afkøling til en lav temperatur, en stor hindring for praktiske anvendelser. Mange forskere arbejder nu på lasere, der potentielt vil fungere ved stuetemperatur. Princeton-teamet sagde, at dens dual-kam hyperspektrale billeddannelsesteknik vil fungere godt med disse nye rumtemperatur-laserkilder, som så kunne åbne mange flere anvendelser.

Fordi det er ikke-ioniserende, terahertz -stråling er sikker for patienter og kan potentielt bruges som et diagnostisk værktøj til hudkræft. Ud over, teknologiens evne til at afbilde metal kunne anvendes til at teste flyvinger for skader efter at være blevet ramt af et objekt under flyvning.

Ud over Wysocki, papirets Princeton -forfattere er tidligere besøgende kandidatstuderende Lukasz Sterczewski (i øjeblikket postdoktor ved NASAs Jet Propulsion Laboratory) og associeret forsker Jonas Westberg. Andre medforfattere er Yang Yang, David Burghoff og Qing Hu fra Massachusetts Institute of Technology; og John Reno fra Sandia National Laboratories. Støtte til forskningen blev delvist ydet af Defense Advanced Research Projects Agency og det amerikanske energiministerium.