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关闭太赫兹间隙 微型激光是迈向新传感器的重要一步

在开发可以快速测量药物中的分子或对患者皮肤中的组织进行分类的便携式扫描仪方面迈出了重要一步,研究人员已经创建了一种成像系统,该系统使用小而有效的激光器以适合微芯片。

该系统发射并检测电磁辐射在太赫频率 -更高比无线电波,但比用于热成像的长波红外光下。使用太赫兹辐射成像长期以来一直是工程师的目标,但是创建在这个频率范围内工作的实际系统的困难阻碍了大多数应用,并导致工程师称之为“太赫兹间隙”。

“在这里,我们拥有革命性的技术,没有任何活动部件,并使用半导体芯片直接发射太赫兹辐射,”普林斯顿大学电气工程副教授,研究团队领导人之一Gerard Wysocki说。 。

太赫兹辐射可以穿透诸如织物和塑料之类的物质,是非电离的,因此对于医疗用途是安全的,并且可以用于观察难以在其他频率成像的材料。在6月出版的Optica期刊上发表的一篇论文中描述的新系统可以快速探测分子的特性和排列或暴露材料的结构损伤。

该装置使用精确频率的稳定辐射束。该设置被称为频率梳,因为它包含多个“牙齿”,每个“牙齿”发出不同的,明确定义的辐射频率。辐射与样品材料中的分子相互作用。双梳结构允许仪器有效地测量反射的辐射。反射辐射中的独特图案或光谱特征允许研究人员识别样品的分子组成。

虽然目前的太赫兹成像技术生产成本高并且操作麻烦,但新系统基于半导体设计,其成本更低并且每秒可产生许多图像。这种速度可以使其在生产线和其他快节奏用途的药片的实时质量控制中有用。

“想象一下,平板电脑每100微秒经过一次,你可以检查它是否具有一致的结构,并且你所期望的每种成分都足够了,”Wysocki说。

作为一个概念证明,研究人员创造了一个含有三个区域的平板电脑,这些区域含有葡萄糖,乳糖和组氨酸等药物形式的常见惰性成分。太赫兹成像系统识别出每种成分并揭示它们之间的界限,以及一种化学物质溢出到不同区域的几个点。这种类型的“热点”代表了当活性成分未适当地混合到片剂中时发生的药物生产中的常见问题。

该团队还通过使用它来成像美国的一个季度来展示该系统的分辨率。细小的细节,如鹰的翅膀羽毛,小至五分之一毫米宽,清晰可见。

虽然该技术使太赫兹成像的工业和医疗用途比以前更加可行,但仍需要冷却到低温,这是实际应用的主要障碍。许多研究人员正在研究可能在室温下运行的激光器。普林斯顿大学的团队表示,其双梳高光谱成像技术将适用于这些新的室温激光光源,可以开启更多用途。

因为它是非电离的,所以太赫兹辐射对患者是安全的,并且可能潜在地用作皮肤癌的诊断工具。此外,该技术对金属成像的能力可用于测试飞机机翼在被飞行物体撞击后的损坏。

除了Wysocki,该论文的普林斯顿作者还是前访问研究生Lukasz Sterczewski(目前是NASA喷气推进实验室的博士后学者)和副研究学者Jonas Westberg。其他合着者是麻省理工学院的Yang Yang,David Burghoff和Qing Hu; 桑迪亚国家实验室的John Reno。国防高级研究计划局和美国能源部为部分研究提供了支持。

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