211service.com
T-Rays Advance W kierunku lotniska Screening
Naukowcy na całym świecie próbują wykorzystać ledwo wykorzystywaną część widma elektromagnetycznego – promieniowanie terahercowe – do skanowania pasażerów linii lotniczych w poszukiwaniu materiałów wybuchowych i nielegalnych narkotyków. Promienie są szczególnie atrakcyjne: widzą przez odzież, papier, skórę, plastik, drewno i ceramikę. Nie przenikają tak dobrze, jak promieniowanie rentgenowskie, ale też nie uszkadzają żywej tkanki. I potrafią czytać sygnatury spektroskopowe, wykrywając różnicę między, powiedzmy, żelem do włosów a materiałem wybuchowym.
Ten maleńki szary prostokąt, mniejszy niż D w DIME, to kwantowy laser kaskadowy, który może być kluczem do technologii obrazowania terahercowego dla przyszłych urządzeń przesiewowych na lotniskach. Laser jest przymocowany do elektroniki, która nim steruje.
Podczas gdy niektóre systemy komercyjne są już dostępne do ograniczonych zastosowań – jedno japońskie urządzenie skanuje pocztę w poszukiwaniu przemycanych narkotyków – maszyna do skanowania pasażerów linii lotniczych rozwija się powoli, głównie z powodu trudności w wytworzeniu promieniowania terahercowego. Idealny skaner wysyłałby wiązkę promieni w kierunku obiektów lub ludzi oddalonych o kilka metrów, a następnie mierzyłaby promienie odbite od obiektów i porównywała je z bazą danych sygnatur spektroskopowych. Jednak większość istniejących źródeł promieniowania T dostarcza tylko słabe wiązki, co sprawia, że wykrywanie jest wolniejsze i trudniejsze.
Teraz jeden profesor MIT może być bliski rozwiązania tego problemu za pomocą nowego typu lasera.
Typowa metoda wytwarzania promieni T, które w widmie elektromagnetycznym znajdują się pomiędzy światłem podczerwonym a mikrofalami; Najbardziej interesujące są częstotliwości od około 0,5 do 4,0 teraherca – to użycie lasera wytwarzającego światło podczerwone i, poprzez manipulację optyczną, dostrojenie go do częstotliwości terahercowych. Wynikowa moc wyjściowa jest mierzona w milionowych, a nawet bilionowych watów. Aby detektor mógł wychwycić ten rodzaj bardzo słabego sygnału, wiązka musiałaby być powoli skanowana nad obiektem z bliskiej odległości, tworząc obraz piksel po pikselu. Alternatywnym źródłem jest ogromny laser gazowy, który zajmuje cały blat laboratoryjny. Żadna z nich nie jest praktyczna w przypadku szybkiej obsługi tysięcy podróżnych lotniczych.
Ale Qing Hu, profesor w Laboratorium Badawczym Elektroniki MIT, zaprojektował lasery wielkości główki szpilki, które mogą wytwarzać 250 miliwatów przy 4,3 teraherca i nieco mniej niż 100 miliwatów przy 1,5 teraherca. To wystarczająca moc, aby wysłać wiązkę na odległość kilku metrów, odbić ją od obiektu i wykorzystać sygnał zwrotny do stworzenia natychmiastowego obrazu. Zamiast obrazować jeden piksel na raz, promienie T mogą być wychwytywane przez matrycę płaszczyzny ogniskowej, jak detektor w kamerze wideo. Umożliwiłoby to personelowi ochrony zajrzenie pod płaszcze i do walizek, gdy ludzie przechodzą obok. Jesteśmy w stanie zrobić film w prześwietleniach, mówi Hu, co oznacza, że jego technologia może zapewnić obrazowanie w czasie rzeczywistym.
Kluczem do technologii Hu jest kwantowy laser kaskadowy, maleńki półprzewodnik z wgłębieniami w skali nanometrycznej zwanymi studniami kwantowymi. W standardowych laserach elektron w stanie wysokoenergetycznym przechodzi w stan niskoenergetyczny, uwalniając nadmiar energii w postaci fotonu światła. W kwantowych laserach kaskadowych elektron wpada do studni kwantowej, emituje foton, a następnie przechodzi przez cienką barierę do następnej studni, gdzie emituje kolejny foton i tak dalej – zupełnie jak piłka pingpongowa schodząca po schodach, Hu mówi. Rezultatem jest znacznie więcej fotonów, a tym samym silniejsze promienie t.
Lasery Hu są kluczowym elementem terahercowego urządzenia zabezpieczającego, które Sandia National Laboratory się rozwija, mówi główny śledczy Sandii Mike Wanke. Trzyletni projekt w laboratorium, obecnie realizowany już drugi rok, ma na celu zintegrowanie źródła laserowego i detektora w tym samym urządzeniu. Eliminuje to złożone układy optyczne i poprawia czułość detektora o rzędy wielkości, mówi Wanke. Wyobraża sobie moduł, który może być wykorzystany do tworzenia kompaktowych, opłacalnych komercyjnie systemów t-ray do użytku na lotniskach. Staramy się, aby był to system „pod klucz”, typu „drop-to-place”, mówi. Dodaje, że gdy Sandia ma udany prototyp, firmy mogą stawić czoła wyzwaniu, jakim jest rozwój produktu.
Lasery muszą osiągać niższe częstotliwości, aby lepiej penetrować materiał – im niższa, tym lepiej, mówi Hu. Ale niższe częstotliwości oznaczają mniejsze studnie kwantowe, które są trudniejsze do dokładnego zbudowania. Hu nie przewidzi, kiedy będą dostępne systemy komercyjne.
Ale Xi-Cheng Zhang, dyrektor Rensselaer Polytechnic Institute’s Centrum Badań Terahercowych mówi, że Hu zawsze bije rekord, który sam sobie ustanawia. Zhang twierdzi, że albo ulepszenia w inżynierii, albo wykorzystanie różnych materiałów półprzewodnikowych prawdopodobnie dadzą jeszcze lepsze kwantowe lasery kaskadowe. Oczekuje, że większość problemów zostanie rozwiązanych za rok lub dwa. Jednym z takich problemów jest to, że lasery działają w temperaturach kriogenicznych i wymagają nieporęcznych urządzeń chłodzących; Hu jest rekordzistą pod względem najwyższej temperatury roboczej. Po rozwiązaniu takich problemów siły rynkowe, a nie problemy techniczne, określą, ile czasu zajmie pojawienie się komercyjnego skanera na lotnisku, mówi Zhang.
Hu mówi, że technologia ta jest szczególnie interesująca dla wojska, poza komercyjnymi podróżami lotniczymi. Mówi, że DARPA [Agencja Zaawansowanych Projektów Badawczych Obrony] jest bardzo zainteresowana tym, aby zidentyfikować zamachowców-samobójców. T-rays nie są jedynym sposobem na zrobienie tego; inne systemy wchodzące na rynek wykorzystują oprogramowanie radarowe i wizyjne. (Zobacz Chodzenie jak bombowiec .)
Zhang założył firmę, Zomega Terahertz dzięki temu detektor T-ray wielkości laptopa, który można przymocować do latającego drona w celu zdalnego wykrywania substancji chemicznych i biologicznych. Chociaż bilionowe części wata wytwarzane przez laser podczerwony w urządzeniu wystarczają do analizy spektroskopowej próbek powietrza, nie są wystarczające do obrazowania, a technologia laserowa prawdopodobnie nie poprawi się na tyle, aby można ją było wykorzystać w ochronie lotniska, mówi Zhang. Uważa, że lasery kaskadowe kwantowe są przyszłością systemów detekcji promieniowania T: będą ostatecznym zwycięzcą na rynku.