Voor lichaamscanner en materiaalcontrole

Het team rond Jan Kappa (re.) en Dominik Sokoluk heeft deze nieuwe bouwsteen ontwikkeld. (Foto: Koziel/TUK)

De onderzoekers werken eraan om hun microspiegel-modulator te optimaliseren voor materiaalonderzoek. (Foto: Koziel/TUK)

Bij lichaamscanners op de luchthaven worden ze ingezet: terahertz-golven. Met deze energiearme straling, die onschadelijk is voor de gezondheid, is het mogelijk om naar binnen te kijken: Ze kan bijvoorbeeld kunststoffen en textiel doorlichten. Dit maakt ze ook interessant voor niet-destructieve materiaalcontroles. Om echter beeldvormende spectroscopie-verfahren te kunnen gebruiken, is de inspanning tot nu toe zeer hoog geweest. Een oplossing kan in de toekomst een onderdeel vormen dat door onderzoekers uit Kaiserslautern is ontwikkeld. Met hun elektromechanisch bestuurbare microspiegelmodulator moet het in de toekomst mogelijk zijn om objecten te onderzoeken met behulp van snelle beeldvormende terahertz-spectroscopie.

Terahertz-golven liggen in het elektromagnetische spectrum tussen microgolven en infraroodstraling. "Ze dringen door materialen zoals papier, hout en keramiek en zijn niet-ioniserend en ongevaarlijk voor mensen," zegt Jan Kappa van de werkgroep voor metamaterialen en terahertz-technologie aan de faculteit Elektrotechnik en Informatietechniek aan de Technische Universiteit Kaiserslautern (TUK).

Het is echter nog steeds verbonden met een enorme technische inspanning en tijd om objecten contactloos te onderzoeken en te identificeren met behulp van beeldvormende terahertz-spectroscopie. Een eerste bouwsteen die zo'n techniek in de toekomst mogelijk kan maken, is ontwikkeld door onderzoekers van de TUK. Met hun microspiegelmodulator kunnen ze terahertz-straling ruimtelijk gericht veranderen – vergelijkbaar met lichtstralen bij een verstelbare lens van een camera. Bij deze technologie gebeurt het volgende: Een bron zendt terahertz-straling uit die op de modulator valt. "Deze schakelt dankzij zijn microspiegels nu een bepaald patroon, dat zich min of meer in de straling inprent," legt Kappa uit over de werking. Het patroon treft nu het te onderzoeken object. Een deel van de straling wordt geabsorbeerd, een deel gaat verder en wordt gefocust op een detector. Door meerdere doorlopen en verschillende geschakelde patronen kan uiteindelijk het beeld worden berekend. "Bij deze methode gaat het om een indirecte beeldvorming," vervolgt Kappa. "We kennen het geschakelde patroon en het bijbehorende uitgangssignaal. Algoritmen kunnen op basis van deze gegevens het beeld van het object reconstrueren."

Met deze methode zijn de onderzoekers in staat om een zeer breed frequentiespectrum te bestrijken. "We verzamelen naast ruimtelijke informatie over het object ook spectrale informatie voor elk afzonderlijk beeldpunt," legt Kappa uit. "Dit was tot nu toe slechts beperkt mogelijk, omdat vergelijkbare methoden tot nu toe terahertz-golven alleen binnen een zeer smal spectraal bereik konden beïnvloeden."

Het nieuwe microspiegel-systeem maakt het mogelijk om de spectrale eigenschappen van objecten binnen de kortst mogelijke tijd te onderzoeken. "Potentieel kunnen chemische stoffen hiermee worden geïdentificeerd op basis van spectrale vingerafdrukken in het terahertz-spectrum, zonder dat de objecten minutenlang hoeven te worden gescand," zegt hoogleraar Dr. Marco Rahm over de techniek.

Op de campus hebben de onderzoekers hun microspiegelmodulator zelf vervaardigd in de cleanroom van het NanoStructuringCenter. In de komende maanden zullen ze vooral werken aan het optimaliseren van de modulators voor materiaalanalyse. De techniek is bijvoorbeeld interessant voor voedselcontrole, waarbij schadelijke stoffen uit productie en verpakking gezondheidsrisico's kunnen veroorzaken. Maar ook niet-destructieve materiaalanalyse in de auto- of vliegtuigindustrie behoort tot de mogelijke toepassingen, bijvoorbeeld om een kijkje onder een laklaag te nemen. Daarnaast kan de methode in de farmaceutische industrie en medische technologie worden gebruikt.

De onderzoekers hebben hun techniek begin dit jaar al gepresenteerd in het gerenommeerde vakblad Scientific Reports. In september behaalde Jan Kappa de tweede plaats bij de Best Student Paper Award op de International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz) 2019 in Parijs.

Het team onder leiding van Jan Kappa, Dominik Sokoluk, Corey Shemelya en professor Dr. Marco Rahm werkte hierbij nauw samen met Steffen Klingel en professor Dr. Egbert Oesterschulze van de leerstoel voor fysica en technologie van nanostructuren aan de TUK. Ook het team van Dr. Sandra Wolff van het Nano Structuring Center was betrokken bij de ontwikkeling. Het onderzoek maakt deel uit van het Landesforschungszentrum Optik und Materialwissenschaften (OPTIMAS).

De studie "Electrically Reconfigurable Micromirror Array for Direct Spatial Terahertz Modulation of Terahertz Waves over a Bandwidth Wider Than 1 THz" is gepubliceerd in het vakblad Scientific Reports. DOI: 10.1038/s41598-019-39152-y

Vragen beantwoord door:

Jan Kappa
Lehrstuhl für Theoretische Elektrotechnik
Arbeitsgruppe für Metamaterialien und Terahertz-Technologie
Tel.: 0631 205-5334
E-mail: kappa@eit.uni-kl.de