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微型激光器是迈向新传感器的重要一步

时间：2019-9-24 09:27作者：update 阅读(784) 评论: 5

导读：为了研制便携式扫描仪，能够快速测量药物中的分子或对患者皮肤中的组织进行分类，研究人员已经研制出一种成像系统，这种成像系统使用的激光体积小，效率高，足以安装在微芯片上。

上图所示为一种新的成像技术可以快速测量固体的化学成分。一个常规的药丸样本图像显示在左边；在右边，用太赫兹频率观察同一个表面，可以发现不同颜色的成分。这些图像将有助于药品生产的质量控制和发展，以及医疗诊断和治疗。

　　为了研制便携式扫描仪，能够快速测量药物中的分子或对患者皮肤中的组织进行分类，研究人员已经研制出一种成像系统，这种成像系统使用的激光体积小，效率高，足以安装在微芯片上。

　　该系统以高于无线电波但低于用于热成像的长波红外线的太赫兹频率发射和检测电磁辐射。使用太赫兹辐射成像一直是工程师们的目标，但在这个频率范围内创建实用系统的困难阻碍了大多数应用，并导致工程师们称之为“太赫兹间隙”。

　　“在这里，我们有一种革命性的技术，它没有任何运动部件，使用半导体芯片发出的太赫兹辐射，”普林斯顿大学电气工程副教授、研究团队的领导者之一杰拉德·怀索基说。

　　太赫兹辐射可以穿透织物和塑料等物质，是非电离的，因此对医疗用途是安全的，可以用来观察在其他频率下难以成像的材料。发表在6月份出版的《光学杂志Optica》上的一篇论文描述了这一新系统，它可以快速探测分子的身份和排列，或者暴露材料的结构损伤。

　　该装置使用稳定的精确频率辐射束。这种装置被称为频率梳，因为它包含多个“齿”，每个齿发出不同的、明确定义的辐射频率。辐射与样品材料中的分子相互作用。双梳状结构使仪器能够有效地测量反射辐射。反射辐射中的独特模式或光谱特征使研究人员能够识别样品的分子组成。

　　虽然目前的太赫兹成像技术生产成本高、操作繁琐，但新系统基于半导体设计，成本较低，每秒可生成许多图像。这种速度可以使它对生产线上的药片和其他快节奏使用的实时质量控制非常有用。

　　Wysocki说：“想象一下，每100微秒就有一个药片会经过，你可以检查它的结构是否一致，是否有足够多的原料。

　　作为概念的证明，研究人员创造了一种含有三个区域的药片，其中三个区域含有葡萄糖、乳糖和组氨酸等药物形式的常见惰性成分。太赫兹成像系统识别了每一种成分，并揭示了它们之间的界限，以及其中一种化学物质溢出到不同区域的几个点。这种类型的“热点”代表了制药生产中经常出现的问题，即活性成分没有正确地混合到片剂中。

　　该团队还通过使用该系统对美国季度进行图像处理来演示该系统的分辨率。精细的细节，如鹰的翅膀羽毛，小到五分之一毫米宽，清晰可见。

　　虽然这项技术使太赫兹成像在工业和医疗领域的应用比以前更加可行，但它仍然需要冷却到低温，这是实际应用的一个主要障碍。许多研究人员现在正在研究可能在室温下工作的激光器。普林斯顿研究小组说，它的双梳状高光谱成像技术将与这些新的室温激光源很好地配合使用，这样就可以打开更多的用途。

　　由于它是非电离的，太赫兹辐射对患者是安全的，并且可能被用作皮肤癌的诊断工具。此外，该技术对金属图像的处理能力可用于测试飞行中物体撞击后机翼的损伤情况。

　　除了Wysocki，论文的普林斯顿作者是访问研究生LukaszSterczewski（目前是美国宇航局喷气推进实验室的博士后学者）和副研究学者JonasWestberg。其他合著者包括麻省理工学院的杨扬、大卫·伯格霍夫和胡庆，以及桑迪亚国家实验室的约翰·雷诺。美国国防部高级研究计划署和美国能源部为这项研究提供了部分支持。

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