缩小太赫兹差距：微型激光是迈向新型传感器的重要一步

一项新的成像技术可快速测量固体的化学成分。样品药丸的常规图像显示在左侧。在右侧，以太赫兹频率观察同一表面会发现各种成分具有不同的颜色。这样的图像将有助于药品制造中的质量控制和开发，以及医学诊断和治疗。图片来源：Sterczewski等。

在开发便携式扫描仪的重大步骤中，该扫描仪可以快速测量药物中的分子或对患者皮肤中的组织进行分类，研究人员创建了一种成像系统，该系统使用足够小且效率高的激光安装在微芯片上。

该系统以太赫兹频率发射和检测电磁辐射，该频率高于无线电波，但低于用于热成像的长波红外光。使用太赫兹辐射成像一直是工程师的目标，但是创建在该频率范围内工作的实际系统的困难已阻碍了大多数应用，并导致了工程师所说的“太赫兹间隙”。

普林斯顿大学电气工程副教授，研究团队的负责人之一杰拉德·怀索基（Gerard Wysocki）表示：“在这里，我们拥有一种革命性的技术，它没有任何活动部件，并且直接从半导体芯片发射太赫兹辐射。” 。

太赫兹辐射可以穿透诸如织物和塑料之类的物质，不会电离，因此可安全用于医疗用途，并可用于查看难以在其他频率下成像的材料。该新系统在Optica期刊六月发表的一篇论文中进行了描述，它可以快速探测分子的身份和排列或使材料受到结构破坏。

该设备使用精确频率的稳定辐射束。该设置称为频率梳，因为它包含多个“牙齿”，每个牙齿发出不同的，定义明确的辐射频率。辐射与样品材料中的分子相互作用。双梳状结构使仪器可以有效地测量反射辐射。反射辐射中的独特图案或光谱特征使研究人员能够识别样品的分子组成。

尽管当前的太赫兹成像技术生产成本高且操作麻烦，但新系统基于半导体设计，成本更低，每秒可生成许多图像。这种速度可能使其对生产线和其他快节奏用途的药物片剂的实时质量控制有用。

Wysocki说：“想象一下，平板电脑每经过100微秒，您就可以检查它是否具有一致的结构，以及您期望的每种成分是否足够。”

作为概念的证明，研究人员创建了一种具有三个区域的平板电脑，这些区域包含药品中常见的惰性成分-葡萄糖，乳糖和组氨酸的形式。太赫兹成像系统识别出每种成分，并揭示了它们之间的界限，以及一种化学物质溢出到不同区域的几个斑点。这种类型的“热点”代表了药物生产中的常见问题，当有效成分未正确混合到片剂中时会发生。

该团队还通过对美国四分之一区域成像来演示系统的分辨率。清晰可见的细节，如鹰的翅膀羽毛，小至五分之一毫米宽。

尽管该技术使太赫兹成像的工业和医学用途比以前更可行，但仍需要冷却至低温，这是实际应用的主要障碍。现在，许多研究人员正在研究可能在室温下工作的激光器。普林斯顿大学的研究小组说，其双梳子高光谱成像技术将与这些新的室温激光源一起很好地工作，然后可以打开更多的用途。

太赫兹辐射由于不电离，因此对患者是安全的，并且有可能被用作皮肤癌的诊断工具。此外，该技术对金属成像的能力可用于测试飞机机翼在飞行中被物体撞击后是否受损。

除Wysocki外，普林斯顿大学的作者还曾是访问研究生Lukasz Sterczewski（现为NASA喷气推进实验室的博士后学者）和副研究员Jonas Westberg。其他合著者是麻省理工学院的Yang Yang，David Burghoff和Hu Qing。和桑迪亚国家实验室的John Reno。这项研究的支持部分由国防高级研究计划局和美国能源部提供。

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