Do skanowania ciała i testowania materiałów

Zespół wokół Jana Kappy (re.) i Dominika Sokoluka opracował ten nowy moduł. (Zdjęcie: Koziel/TUK)

Naukowcy pracują nad optymalizacją swojego mikrospiegelowego modulatora do badań materiałowych. (Zdjęcie: Koziel/TUK)

W skanerach ciała na lotnisku stosuje się: fale terahercowe. Dzięki tej niskoenergetycznej promieniowaniu, które jest nieszkodliwe dla zdrowia, można zajrzeć do wnętrza: może ona przenikać przez tworzywa sztuczne i tekstylia. Czyni to ją również interesującą dla bezinwazyjnej kontroli materiałów. Aby jednak korzystać z obrazujących metod spektroskopii, dotychczas wymagało to dużego nakładu pracy. Pomóc może w tym przyszłości element, który opracowali naukowcy z Kaiserslautern. Dzięki ich elektromechanicznie sterowanemu modulowi mikrozwierciadła, w przyszłości możliwe będzie badanie obiektów za pomocą szybkiej obrazującej spektroskopii terahercowej.

Fale terahercowe znajdują się w spektrum elektromagnetycznym pomiędzy mikrofale a promieniowaniem podczerwonym. „Przenikają materiały takie jak papier, drewno i ceramika, nie są jonizujące i są nieszkodliwe dla ludzi”, mówi Jan Kappa z grupy roboczej Metamateriały i Technologia Terahercowa w Wydziale Elektrotechniki i Informatyki na Technische Universität Kaiserslautern (TUK).

Jednak nadal badanie i identyfikacja obiektów za pomocą bezdotykowej obrazującej spektroskopii terahercowej wiąże się z ogromnym nakładem technicznym i czasowym. Pierwszy element, który może umożliwić taką technikę w przyszłości, opracowali naukowcy z TUK. Ich mikrozwierciadłowy modulator pozwala na przestrzenne zmienianie promieniowania terahercowego – podobnie jak światło w regulowanej przesłonie aparatu fotograficznego. W technologii dzieje się następująco: źródło emituje promieniowanie terahercowe, które trafia na modulator. „Ten za pomocą mikrozwierciadeł przełącza się na określony wzór, który w pewnym sensie zapisuje się w promieniowaniu”, mówi Kappa o przebiegu. Wzór ten trafia na badany obiekt. Część promieniowania jest absorbowana, część przechodzi dalej i jest skupiana na detektorze. Dzięki wielu przebiegom i różnym przełączonym wzorom można ostatecznie obliczyć obraz. „W tym procesie mamy do czynienia z pośrednim obrazowaniem”, kontynuuje Kappa. „Znamy przełączony wzór i odpowiadający mu sygnał wyjściowy. Algorytmy mogą na podstawie tych danych odtworzyć obraz obiektu.”

Dzięki tej metodzie naukowcy mogą obejmować bardzo szerokie spektrum częstotliwości. „Oprócz informacji przestrzennej o obiekcie zbieramy także spektralne dane dla każdego pojedynczego punktu obrazu”, wyjaśnia Kappa. „Dotychczas było to możliwe tylko w ograniczonym zakresie, ponieważ podobne metody do tej pory mogły wpływać na fale terahercowe tylko w bardzo wąskim zakresie spektralnym.”

Niezwykły system mikrozwierciadeł pozwala na badanie właściwości spektralnych obiektów w najkrótszym czasie. „Potencjalnie można nim identyfikować chemiczne substancje na podstawie ich spektralnych odcisków palców w zakresie spektralnym terahercowym, bez konieczności skanowania obiektów przez minuty”, mówi profesor Dr Marco Rahm, kierownik katedry, o tej technice.

Na kampusie naukowcy sami wyprodukowali swój mikrozwierciadłowy modulator w czystym pomieszczeniu NanoStructuringCenter. W nadchodzących miesiącach będą głównie pracować nad optymalizacją modulatorów do badań materiałowych. Technika ta jest szczególnie interesująca dla nadzoru nad żywnością, gdzie zanieczyszczenia powstałe podczas produkcji i pakowania mogą mieć skutki zdrowotne. Jednak również bezinwazyjna kontrola materiałów w przemyśle motoryzacyjnym czy lotniczym jest możliwa, na przykład do zajrzenia pod warstwę lakieru. Ponadto metoda ta może znaleźć zastosowanie w przemyśle farmaceutycznym i medycznym.

Naukowcy przedstawili swoją technikę już na początku roku w renomowanym czasopiśmie Scientific Reports. We wrześniu Jan Kappa zajął drugie miejsce w konkursie Best Student Paper Award na Międzynarodowej Konferencji nad Falami Podczerwonymi, Milimetrowymi i Terahercowymi (IRMMW-THz) 2019 w Paryżu.

Zespół pod kierownictwem Jana Kappy, Dominika Sokoluka, Corey Shemelyi i profesora Dr Marco Rahma współpracował blisko z Steffenem Klingelem i profesorem Dr Egbertem Oesterschulze z katedry fizyki i technologii nanostruktur na TUK. Również zespół dr Sandry Wolff z Nano Structuring Center brał udział w rozwoju. Prace badawcze są częścią landowego centrum badawczego Optics and Material Sciences (OPTIMAS).

Studium „Electrically Reconfigurable Micromirror Array for Direct Spatial Terahertz Modulation of Terahertz Waves over a Bandwidth Wider Than 1 THz” ukazało się w czasopiśmie Scientific Reports. DOI: 10.1038/s41598-019-39152-y

Odpowiada na pytania:

Jan Kappa
Katedra Elektrotechniki Teoretycznej
Grupa robocza Metamateriały i Technologia Terahercowa
Tel.: 0631 205-5334
E-mail: kappa@eit.uni-kl.de