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關閉太赫茲間隙 微型激光是邁向新傳感器的重要一步

在開發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的便攜式掃描儀方面邁出了重要一步,研究人員已經創建了一種成像系統,該系統使用小而有效的激光器以適合微芯片。

該系統發射并檢測電磁輻射在太赫頻率 -更高比無線電波,但比用于熱成像的長波紅外光下。使用太赫茲輻射成像長期以來一直是工程師的目標,但是創建在這個頻率范圍內工作的實際系統的困難阻礙了大多數應用,并導致工程師稱之為“太赫茲間隙”。

“在這里,我們擁有革命性的技術,沒有任何活動部件,并使用半導體芯片直接發射太赫茲輻射,”普林斯頓大學電氣工程副教授,研究團隊領導人之一Gerard Wysocki說。 。

太赫茲輻射可以穿透諸如織物和塑料之類的物質,是非電離的,因此對于醫療用途是安全的,并且可以用于觀察難以在其他頻率成像的材料。在6月出版的Optica期刊上發表的一篇論文中描述的新系統可以快速探測分子的特性和排列或暴露材料的結構損傷。

該裝置使用精確頻率的穩定輻射束。該設置被稱為頻率梳,因為它包含多個“牙齒”,每個“牙齒”發出不同的,明確定義的輻射頻率。輻射與樣品材料中的分子相互作用。雙梳結構允許儀器有效地測量反射的輻射。反射輻射中的獨特圖案或光譜特征允許研究人員識別樣品的分子組成。

雖然目前的太赫茲成像技術生產成本高并且操作麻煩,但新系統基于半導體設計,其成本更低并且每秒可產生許多圖像。這種速度可以使其在生產線和其他快節奏用途的藥片的實時質量控制中有用。

“想象一下,平板電腦每100微秒經過一次,你可以檢查它是否具有一致的結構,并且你所期望的每種成分都足夠了,”Wysocki說。

作為一個概念證明,研究人員創造了一個含有三個區域的平板電腦,這些區域含有葡萄糖,乳糖和組氨酸等藥物形式的常見惰性成分。太赫茲成像系統識別出每種成分并揭示它們之間的界限,以及一種化學物質溢出到不同區域的幾個點。這種類型的“熱點”代表了當活性成分未適當地混合到片劑中時發生的藥物生產中的常見問題。

該團隊還通過使用它來成像美國的一個季度來展示該系統的分辨率。細小的細節,如鷹的翅膀羽毛,小至五分之一毫米寬,清晰可見。

雖然該技術使太赫茲成像的工業和醫療用途比以前更加可行,但仍需要冷卻到低溫,這是實際應用的主要障礙。許多研究人員正在研究可能在室溫下運行的激光器。普林斯頓大學的團隊表示,其雙梳高光譜成像技術將適用于這些新的室溫激光光源,可以開啟更多用途。

因為它是非電離的,所以太赫茲輻射對患者是安全的,并且可能潛在地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被飛行物體撞擊后的損壞。

除了Wysocki,該論文的普林斯頓作者還是前訪問研究生Lukasz Sterczewski(目前是NASA噴氣推進實驗室的博士后學者)和副研究學者Jonas Westberg。其他合著者是麻省理工學院的Yang Yang,David Burghoff和Qing Hu; 桑迪亞國家實驗室的John Reno。國防高級研究計劃局和美國能源部為部分研究提供了支持。

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