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闭合太赫兹空隙:微小激光器迈出新型传感的重要步伐
发布时间:2019-08-05 20:27:49 阅读:551

来源:普林斯顿大学(Princeton University);太赫兹研发网 余郑璟博士 编译

一种新型成像技术可以对固体内部的化学成分进行快速测量。左图显示的是一粒传统的药片样本;右图显示通过太赫兹频率对同一药片表面进行观测。可以看到,药片上不同颜色代表了不同的成分。这些图像将有助于药品生产的质量控制和发展,以及医学诊断与治疗。
资料来源:Sterczewski等

    研究人员已经创造出可以安装在微芯片上的小型但高效的激光器,今后能快速测量出药物中不同的分子成份,或者对病患皮肤组织进行有序分类,这项研究是朝着这一目标进发的重要一步。

    该系统采用的是高于无线电波但又低于热成像长波红外线的太赫兹频率来对电磁辐射进行发射和探测。利用太赫兹辐射来进行成像,这长期以来一直都是工程师们的目标,但是在这一频率范围内如何才能创建实用系统,这是阻碍其大量应用前景的最大难题,这种现象导致了工程师们所说的“太赫兹空隙”。

    “在此,我们有一项革命性的技术,它不涉及任何可移动的部件,而是利用半导体芯片本身直接发出的太赫兹辐射。” 普林斯顿大学电子工程副教授,也是本研究团队的领导之一Gerard Wysocki指出。

    太赫兹辐射能穿透织物和塑料等物质,是非电离辐射,因此可以安全应用于医疗领域。同时,它也可以用于观察其他频率都难以涉及的材料结构成像。今年发表在《光学》(Optica)杂志6月刊上的一篇论文描述了这种新系统,它可以快速探测分子的身份与排列,对材料的结构损伤做到了如指掌。

    该设备采用的辐射光束频率精准、稳定,这种设置被称为频率梳,因为它包含多个“齿”,每个“齿”都能发出不同频率但精准定义的辐射光,并与样品材料中的分子产生相互作用。研究人员采用双梳结构,就能够有效地测量出反射辐射,并利用反射辐射中独特的模式或光谱特征,对样品中的不同分子组成进行有效识别。

    虽然目前生产太赫兹成像技术设备成本昂贵、操作不便,但这一新型系统基于半导体设计,成本更低,每秒成像能力强。这一成像速度对于制药生产线上药片生产的实时质量控制以及其他一些快节奏领域内检测将大有用武之地。

    “想象一下,生产线上每100微秒就有一颗药片通过,而你可以清楚检查出它的内部结构,以及所含药物成分是否和你所期望的一致。” Sterczewski补充到。

    为了证明这一概念,研究人员对一颗药片进行了成像实验。药片由三层组成,主要都是药物中常见的惰性成分剂,包括葡萄糖、乳糖和组氨酸这三种。实验中,太赫兹成像系统不仅成功识别出每一种成分,还清晰揭示出不同成份之间的界限,即便有一些化学成分溢出到不同区域形成渗透点,成像中也可以清晰辨认。这类渗透的“热点”问题其实也是制药生产中经常遇到的问题,即活性成分无法确切的在药片中进行混合。

    该研究团队还对美元的25美分硬币进行了成像,以展示该系统的高分辨率。在成像中,微小的细节,比如老鹰翅膀上的羽毛,虽然只有五分之一毫米宽,仍然清晰可见。

    尽管这项太赫兹成像技术在工业和医学上的应用前景比以前更加可行,但它仍然需要时间进行冷却,这也实际应用中的另一个主要障碍。激光器如何在室温下工作,这是目前大量研究人员正在研究的问题。普林斯顿大学研究小组表示,他们的双梳高光谱成像技术将能很好地与这些新型室温条件下激光光源进行配合使用,这可能会开启更多的用途。

    因为太赫兹辐射是非电离的,所以对病患来说是安全的,而且有可能被用作皮肤癌的诊断工具。此外,该技术对金属的成像能力可以用于测试飞机机翼在飞行过程中被物体击中后的损伤程度。

    该篇论文的普林斯顿作者除了Wysocki之外,还包括前访问研究生Lukasz Sterczewski (目前是美国宇航局喷气推进实验室的博士后学者)以及副研究员Jonas Westberg。其他作者包括来自麻省理工学院的Yang Yang, David Burghoff 和 Qing Hu;以及桑迪亚国家实验室(Sandia National Laboratories)的John Reno。美国国防部高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency Defense Advanced Research Projects Agency)和美国能源部(U.S. Department of Energy)为这项研究提供了部分支持。

 
 

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