微型激光器是邁向新感測器的重要一步

上圖所示為一種新的成像技術可以快速測量固體的化學成分。一個常規的藥丸樣本圖像顯示在左邊；在右邊，用太赫茲頻率觀察同一個表面，可以發現不同顏色的成分。這些圖像將有助於藥品生產的質量控制和發展，以及醫療診斷和治療。

為了研製攜帶型掃描儀，能夠快速測量藥物中的分子或對患者皮膚中的組織進行分類，研究人員已經研製出一種成像系統，這種成像系統使用的激光體積小，效率高，足以安裝在微晶元上。

該系統以高於無線電波但低於用於熱成像的長波紅外線的太赫茲頻率發射和檢測電磁輻射。使用太赫茲輻射成像一直是工程師們的目標，但在這個頻率範圍內創建實用系統的困難阻礙了大多數應用，並導致工程師們稱之為「太赫茲間隙」。

「在這裡，我們有一種革命性的技術，它沒有任何運動部件，使用半導體晶元發出的太赫茲輻射，」普林斯頓大學電氣工程副教授、研究團隊的領導者之一傑拉德·懷索基說。

太赫茲輻射可以穿透織物和塑料等物質，是非電離的，因此對醫療用途是安全的，可以用來觀察在其他頻率下難以成像的材料。發表在6月份出版的《光學雜誌Optica》上的一篇論文描述了這一新系統，它可以快速探測分子的身份和排列，或者暴露材料的結構損傷。

該裝置使用穩定的精確頻率輻射束。這種裝置被稱為頻率梳，因為它包含多個「齒」，每個齒髮出不同的、明確定義的輻射頻率。輻射與樣品材料中的分子相互作用。雙梳狀結構使儀器能夠有效地測量反射輻射。反射輻射中的獨特模式或光譜特徵使研究人員能夠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、操作繁瑣，但新系統基於半導體設計，成本較低，每秒可生成許多圖像。這種速度可以使它對生產線上的藥片和其他快節奏使用的實時質量控制非常有用。

Wysocki說：「想像一下，每100微秒就有一個藥片會經過，你可以檢查它的結構是否一致，是否有足夠多的原料。

作為概念的證明，研究人員創造了一種含有三個區域的藥片，其中三個區域含有葡萄糖、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了每一種成分，並揭示了它們之間的界限，以及其中一種化學物質溢出到不同區域的幾個點。這種類型的「熱點」代表了製藥生產中經常出現的問題，即活性成分沒有正確地混合到片劑中。

該團隊還通過使用該系統對美國季度進行圖像處理來演示該系統的解析度。精細的細節，如鷹的翅膀羽毛，小到五分之一毫米寬，清晰可見。

雖然這項技術使太赫茲成像在工業和醫療領域的應用比以前更加可行，但它仍然需要冷卻到低溫，這是實際應用的一個主要障礙。許多研究人員現在正在研究可能在室溫下工作的激光器。普林斯頓研究小組說，它的雙梳狀高光譜成像技術將與這些新的室溫激光源很好地配合使用，這樣就可以打開更多的用途。

由於它是非電離的，太赫茲輻射對患者是安全的，並且可能被用作皮膚癌的診斷工具。此外，該技術對金屬圖像的處理能力可用於測試飛行中物體撞擊後機翼的損傷情況。

除了Wysocki，論文的普林斯頓作者是訪問研究生Lukasz Sterczewski（目前是美國宇航局噴氣推進實驗室的博士後學者）和副研究學者Jonas Westberg。其他合著者包括麻省理工學院的楊揚、大衛·伯格霍夫和胡慶，以及桑迪亞國家實驗室的約翰·雷諾。美國國防部高級研究計劃署和美國能源部為這項研究提供了部分支持。

來源：https://phys.org/news/2019-07-terahertz-gap-tiny-laser-important.html

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