Японцы создали ручной сканер терагерцового диапазона — альтернативу рентгену

27.12.2023

Ученые из Riken, японского исследовательского института, представили компактный ручной сканер терагерцового диапазона, который может использоваться для неразрушающего контроля различных объектов. Этот сканер способен анализировать лекарственные препараты, осуществлять проверку грузов и обнаруживать дефекты в металлических конструкциях. Исследователи сделали устройство компактным и уменьшили энергопотребление за счет использования особого кристалла ниобата лития.

До сих пор подобные установки требовали больших помещений и значительного энергопотребления при том, что сами по себе они крайне востребованы. Терагерцовый диапазон может проникать внутрь объектов и даже анализировать их химический состав на основе поглощения определенных длин волн. В мобильных терагерцовых сканерах крайне заинтересованы службы безопасности, поскольку они должны ускорить, упростить и сделать безопасными для персонала сканер-досмотр багажа и грузов. Японским инженерам удалось значительно уменьшить размеры и энергопотребление таких сканеров, уместив их в компактную форму.

Исследователи из института Riken занимались изучением возможностей преобразования инфракрасного излучения в терагерцовый диапазон. Оказалось, что полупроводниковые лазеры могут служить основой для таких установок, что способствует их миниатюризации. Однако долгое время ученым не удавалось достичь эффективного преобразования инфракрасного луча в терагерцовое излучение без значительных потерь.

Тогда ученые обратили внимание на материал под названием ниобат лития (LiNbO3). Этот нелинейный кристалл обладает оптической прозрачностью в диапазоне волн от 0,4 до 5,0 мкм и способен преобразовывать входные частоты в частоты с другой длиной волны. Он используется в области оптоэлектроники. Исследователи совершили прорыв — подобрали оптимальную длительность импульсов для входного лазера ближнего инфракрасного диапазона, чтобы минимизировать рассеивание мощности луча в кристалле и максимально преобразовать ее в терагерцовое излучение.

Эта новая разработка привела к прорывному увеличению мощности исходящего сигнала — сразу на шесть порядков, но оставалась проблема с размерами установки, которые были неподходящими для ручного использования — на том этапе она получалась размером метр на метр. Исследователи нашли решение, заменив объемный кристалл ниобата лития на тонкий кристалл с искусственной поляризационно-модулированной микроструктурой, известный как периодически поляризованный кристалл ниобата лития (PPLN). Обычно такие кристаллы применяются в области видимого света, но при использовании инфракрасного лазера с правильными выходными импульсами удалось создать терагерцовый сканер, который помещается на ладони.

В ближайшем будущем роботы, оснащенные такими сканерами, смогут проводить инспекции строений, быстро осуществлять проверки на транспортных узлах, анализировать состав лекарств и продуктов питания, а также выполнять множество других полезных задач без использования рентгеновского оборудования, как это было ранее. Уже ведутся переговоры о внедрении разработки с компаниями Ricoh, Topcon, Mitsubishi Electric и Hamamatsu Photonics.

ХАЙТЕК+