Terahertz-vågor kan penetrera ogenomskinliga material och ge unika spektrala signaturer av olika kemikalier, men deras användning för verkliga tillämpningar har begränsats av den låga hastigheten, stora storleken, höga kostnaderna och komplexiteten hos terahertz-bildsystem. Problemet beror på bristen på lämpliga focal-plane array-detektorer, komponenter som innehåller strålningsdetektorer som används av bildbehandlingssystemet.
En forskargrupp ledd av Mona Jarrahi och Aydogan Ozcan, båda professorer i elektro- och datorteknik vid UCLA Samueli School of Engineering, har uppfunnit en ny terahertz focal-plane array för att lösa detta problem.
Genom att eliminera behovet av rasterskanning, som fångar och visar en bild punkt för punkt, kan forskargruppen påskynda bildtagningen mer än 1 000 gånger snabbare än nuvarande system. Den nya arrayen utgör det första kända terahertz-bildsystemet som är tillräckligt snabbt för att fånga videor och tillhandahålla multispektrala 3D-bilder i realtid samtidigt som det bibehåller ett högt signal-brusförhållande.
Publicerad i Nature Photonics , UCLA-studien beskriver den nya focal-plane arrayen, som involverar montering av 283 500 nanoantenner i ett utrymme som är mindre än storleken på ett typiskt sesamfrö. Arrayen kan tillhandahålla rumsliga amplitud- och fasfördelningar, såväl som ett avbildat objekts temporala och spektrala data direkt, och därigenom kringgå behovet av rasterskanning. Teamet använde också ett maskininlärningstränat neuralt nätverk för att förbättra upplösningen av de tagna bilderna i realtid.
"Terahertz-avbildning kan hjälpa oss att se saker som vi inte kunde upptäcka med andra processer eller tekniker", säger Jarrahi, som innehar Northrop Grumman-ordföranden i elektroteknik och leder Terahertz Electronics Laboratory vid UCLA Samueli. "Med denna focal-plane array har vi låst upp nya möjligheter att använda terahertz-avbildning för realtids-, högkapacitetsskanning och detektion på ett sätt som inte var möjligt tidigare."
Tidigare försök att skapa snabbare terahertz-bildsystem har resulterat i låga signal-brus-förhållanden, vilket gör det svårt för forskare att få rena bilder. Systemen var också skrymmande och dyra. Med hjälp av den nya focal-plane arrayen och dess åtföljande neurala nätverk visade forskargruppen systemets förmåga att avbilda 3D-mönster etsade i kisel med mer än 1 000 pixlar.
Den relativt låga energin hos terahertz-fotoner och deras förmåga att penetrera många ogenomskinliga och icke-ledande material gör terahertz-strålning lovande för en mängd olika tillämpningar. Dessa inkluderar medicinsk bildbehandling, säkerhetskontroll och inspektion av läkemedel eller jordbruksprodukter.
Jarrahi och Ozcan är båda medlemmar av California NanoSystems Institute vid UCLA, där Ozcan fungerar som biträdande direktör för entreprenörskap, industri och akademiskt utbyte. Ozcan, som innehar UCLA:s Volgenau Chair for Engineering Innovation och leder Ozcan Research Group, har också fakultetsutnämningar vid Institutionen för bioteknik och David Geffen School of Medicine vid UCLA.
Tekniken kommersialiseras av Lookin Inc., en startup som sprids från Jarrahis forskargrupp. Företaget grundades tillsammans av Jarrahi och Nezih Tolga Yardimci, en postdoktor och medlem av hennes forskargrupp. Yardimci är författare till tidningen och fungerar som Lookins VD och tekniska chef.
Andra författare till artikeln är UCLA Samueli postdoktorala forskaren Xurong Li, doktorand Deniz Mengu, alumn Deniz Turan och Ali Charkhesht – en chefsingenjör vid Lookin. Alla utom Charkhesht är nuvarande eller tidigare medlemmar i Jarrahis och Ozcans forskningslabb vid UCLA.
Mer information: Xurong Li et al, Plasmonisk fotokonduktiv terahertz focal-plane array med pixel superupplösning, Nature Photonics (2024). DOI:10.1038/s41566-023-01346-2
Journalinformation: Naturfotonik
Tillhandahålls av UCLA Engineering Institute for Technology Advancement
