Pro tělesné skenery a zkoušky materiálů

Tým kolem Jana Kappy (re.) a Dominika Sokoluka vyvinul tento nový stavební blok. (Foto: Koziel/TUK)

Vědci pracují na optimalizaci svého mikrozrcadlového modulatoru pro materiálové výzkumy. (Foto: Koziel/TUK)

U skenerů těla na letišti se používají: vlny terahertz. S touto málo energetickou zářením, která je pro zdraví neškodná, je možné nahlédnout dovnitř: dokáže například prosvítit plasty a textilie. To ji činí také zajímavou pro nedestruktivní kontrolu materiálů. Aby však bylo možné využívat zobrazovací spektroskopické metody, je zatím náročnost velmi vysoká. Pomoci může v budoucnu součástka, kterou vyvinuli výzkumníci z Kaiserslautern. S jejich elektromechanicky ovládaným mikrozrcadlovým modulátorem by mělo být možné v budoucnu zkoumat objekty pomocí rychlé zobrazovací terahertzové spektroskopie.

Vlny terahertz leží v elektromagnetickém spektru mezi mikrovlnami a infračerveným zářením. „Procházejí materiály jako například papír, dřevo a keramika a nejsou ionizující a jsou neškodné pro člověka,“ říká Jan Kappa z pracovní skupiny pro metamateriály a terahertzové technologie na Fakultě elektrotechniky a informatiky na Technické univerzitě Kaiserslautern (TUK).

Nicméně je stále spojena s enormní technickou náročností a časovou náročností, zkoumat a identifikovat objekty bezkontaktně pomocí zobrazovací terahertzové spektroskopie. První součástku, která by takovou techniku mohla v budoucnu umožnit, vyvinuli výzkumníci z TUK. S jejich mikrozrcadlovým modulátorem mohou terahertzové záření prostorově cíleně měnit – podobně jako světelné paprsky u nastavitelné clony fotoaparátu. U této technologie se děje následující: Zdroj vysílá terahertzové záření, které dopadá na modulátor. „Ten díky svým mikrozrcadlům nyní přepíná určitý vzor, který se jakoby zapisuje do záření,“ říká Kappa o průběhu. Tento vzor dopadá na zkoumaný objekt. Část záření je absorbována, část pokračuje dále a je soustředěna na detektor. Pomocí několika průchodů a různých přepínaných vzorů lze nakonec obraz vypočítat. „Tento postup je nepřímé zobrazování,“ pokračuje Kappa. „Znám přepínaný vzor a výstupní signál. Algoritmy z těchto dat mohou rekonstruovat obraz objektu.“

S tímto postupem jsou výzkumníci schopni pokrýt velmi široké spektrum frekvencí. „Sbíráme kromě prostorových informací o objektu také spektrální informace pro každý jednotlivý bod obrazu,“ vysvětluje Kappa. „Dosud bylo možné to jen omezeně, protože srovnatelné metody do té doby mohly ovlivnit pouze velmi úzké spektrální pásmo terahertzových vln.“

Nový mikrozrcadlový systém umožňuje zkoumat spektrické vlastnosti objektů v nejkratším čase. „Potenciálně tak lze chemické látky identifikovat na základě spektrálních otisků v terahertzovém spektrálním pásmu, aniž by bylo nutné objekty minuty skenovat,“ říká vedoucí katedry profesor Dr. Marco Rahm o této technice.

Na kampusu si výzkumníci svůj mikrozrcadlový modulátor sami vyrobili v čisté místnosti NanoStructuringCenter. V následujících měsících se budou především věnovat optimalizaci modulátorů pro materiálové zkoušky. Zajímavá je tato technika například pro kontrolu potravin, kde škodlivé látky při výrobě a balení mohou mít zdravotní následky. Také nedestruktivní kontrola materiálů v automobilovém či leteckém průmyslu je možná, například pro nahlédnutí pod lak. Navíc může být tento postup využit v farmaceutickém průmyslu a zdravotnictví.

Výzkumníci již začátkem roku představili svou techniku v prestižním odborném časopise Scientific Reports. V září obsadil Jan Kappa druhé místo v soutěži o nejlepší studentský příspěvek na Mezinárodní konferenci o infračervených, milimetrových a terahertzových vlnách (IRMMW-THz) 2019 v Paříži.

Skupina kolem Jan Kappy, Dominika Sokoluka, Coreyho Shemelya a profesora Dr. Marca Rahma úzce spolupracovala s Steffenem Klingelem a profesorem Dr. Egbertem Oesterschulzem z katedry fyziky a technologie nanostruktur na TUK. Na vývoji se podílel také tým Dr. Sandry Wolff z NanoStructuringCenter. Výzkumné práce jsou začleněny do Národního centra pro optiku a materiálové vědy (OPTIMAS).

Studie „Electrically Reconfigurable Micromirror Array for Direct Spatial Terahertz Modulation of Terahertz Waves over a Bandwidth Wider Than 1 THz“ byla publikována v časopise Scientific Reports. DOI: 10.1038/s41598-019-39152-y

Otázky zodpovídá:

Jan Kappa
Katedra teoretické elektrotechniky
Pracovní skupina pro metamateriály a terahertzové technologie
Tel.: 0631 205-5334
E-mail: kappa@eit.uni-kl.de