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改变未来的十大技术:激光技术打开太赫兹研究大门

2013-08-13 10:53
Minor昔年
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  ——太赫兹是一种新的、有很多独特优点的辐射源,被评为“改变未来世界的十大技术”之一,引起人们的广泛关注。其中,太赫兹成像技术能够通过物品的透射或反射获得样品的信息,进而成像,是一项具有巨大应用前景的技术,然而受到技术条件的限制,对于太赫兹成像技术的研究一直处于困境中。随着激光技术的发展,科学家开始将激光用于研究中,而就在最近,波士顿大学就成功利用激光开发出单像素太赫兹成像新方法,极大地突破了研究困局。

  与电磁频谱中其它频段不同,操纵太赫兹波用于捕获光波可在其内部相互作用的物体或材料的图像,是极其困难的。波士顿大学物理学教授Willie J. Padilla说,现有的大多数太赫兹成像设备都采用非常昂贵的技术,或者需要数小时和繁重的手动控制,才能产生一个可用的图像。

  为了开发出方便且有效的太赫兹成像技术,Padilla及其同事使用光学和电子控制,发明了一种单像素成像技术,使用编码孔径快速且高效地操纵太赫兹波。研究结果发表在《光学快报》杂志(doi: 10.1364/OE.21.012507)上。

  在所谓的太赫兹频带内,传统的电子传感器和半导体设备都是无效的。某些系统仅可以捕获场景中的一小部分,因此,调谐这些太赫兹波几乎是无效的。这就激起了人们寻找可以操纵太赫兹波的新型成像技术的热情。

  克服机械学方面的挑战后,成本和图像清晰度被视作努力驯服太赫兹频带的关键步骤,因为实现对这一频段的成像和传感有可能促进化学指纹图谱、皮肤实时成像(可用于简单的皮肤癌检测)、隐藏武器的安全成像等领域的发展。这一挑战的核心是开发出一种可以产生高效掩膜(类似相机的光圈)的技术,具备调谐太赫兹辐射以便在短短几秒钟内产生清晰图像的能力。

  图:波士顿大学研究人员开发的单像素太赫兹成像新方法,采用一束激光来操控太赫兹波产生新型的太赫兹图像。(a)成像过程中,太赫兹波穿过物体;(b)接着,轰击硅半导体,产生有关如何对图像进行采样的特定指令;(c)然后,数据继续传递,以在短短几秒内数字重建原始物体的图像。(波士顿大学Claire M. Watts供图)

  按照Padilla和研究生David Shrekenhamer和Claire M. Watts的描述,Padilla方法的核心是 “编码孔径复用技术”,该技术使用激光束和电子信号向半导体发送一组指令,这样,太赫兹波穿过物体之后,半导体就可以引导物体图像的再现。

  数字微镜装置使用指令对激光束进行编码,引导硅掩膜的某些部分发生反应,并允许选定的太赫兹波样本自由穿过,且与图像图案保持一致。研究人员说,光学指令和半导体反应的组合可以形成太赫兹空间光调制器。宽带采样的太赫兹波穿过物体之后,调制器可以起到传统相机中光圈的作用,引导物体完整图像的数字重建,物体的完整图像则来源于穿过物体的宽采样太赫兹波。

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