Специалисты Института физико-химических исследований (RIKEN) в Японии разработали портативное устройство, которое эффективно использует терагерцовый диапазон электромагнитного спектра в качестве аналога «рентгеновского обследования» объектов, но без применения вредного ионизирующего излучения. Об этом сообщает сайт SciTechDaily. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Терагерцовые волны имеют множество перспективных вариантов потенциальных применений, не в последнюю очередь потому, что их можно использовать для наблюдения сквозь материалы или внутри них, подобно рентгеновским лучам. Однако, в отличие от рентгеновских лучей, терагерцовые волны не вызывают разрушительного ионизирующего излучения.
Но терагерцовые технологии до сих пор отстают в развитии, потому что трудно адаптировать технологии для микроволн или видимого света к терагерцовому диапазону при сопоставимых размерах и выходной мощности. Например, один из подходов к генерации терагерцовых волн заключался в разработке электрических устройств, которые производят высокочастотные сверхкороткие микроволны. Но это натолкнулось на серьезные препятствия, отчасти потому, что таким устройствам нужны высокооптимизированные параметры для обеспечения более высоких электрических характеристик.
Альтернативная стратегия заключается в создании терагерцовых волн путем преобразования более коротких высокочастотных волн инфракрасного света с использованием материалов, известных как нелинейные кристаллы. В Центре передовой фотоники RIKEN сосредоточились на варианте подобной стратегии – создании терагерцовых волн путем преобразования выходного сигнала инфракрасного лазера.
Этот метод традиционно требовал огромных лазеров для генерации терагерцовых волн, достаточно мощных для большинства практических применений. Но это ограничило использование терагерцовой технологии для реальных приложений, где портативные устройства для анализа на месте были бы гораздо более ценными.
В исследовательской группе Центра передовой фотоники RIKEN смогли разработать мощные источники терагерцовых волн размером с ладонь для применения в промышленности и фундаментальных исследованиях. Это удалось за счет использования ниобата лития – нелинейного кристалла, который производит пучок терагерцовых волн при облучении лазерным излучением ближнего инфракрасного диапазона.
Уменьшив длительность импульса лазера до субнаносекундных величин, исследователи смогли свести к минимуму бриллюэновское рассеяние от кристаллов ниобата лития. Это позволило преобразовать больше лазерного излучения в волны терагерцового диапазона и увеличить выходную мощность на шесть порядков – с 200 милливатт до 100 киловатт.
В итоге было получено мощное излучение от устройства площадью всего в один метр – намного меньше, чем предыдущие терагерцовые аппараты, которые заполняли целые комнаты. «Но когда мы представили это устройство промышленным предприятиям, нам сказали, что оно все еще слишком велико для реальных применений», – отметили специалисты RIKEN.
Чтобы миниатюризировать свой источник терагерцовой волны, ученые заменили объемный слиток кристаллов ниобата лития на тонкий кристалл с искусственной микроструктурой и модуляцией поляризации – так называемый PPLN, обычно используемый в области видимого спектра. Причем ранее не было известного способа эффективно генерировать терагерцовые волны с использованием кристаллов PPLN.
Когда японские исследователи приступили к своим экспериментам, они обнаружили, что волны терагерцового диапазона генерируются, но в неожиданном направлении: в задней части кристалла. Тем не менее, полученные компактные устройства-прототипы смогли полностью покрывать критическую субтерагерцовую область спектра, что особенно важно для процесса формирования высоко детализированных изображений.
Сверхминиатюрные мощные терагерцовые волновые системы, созданные RIKEN к настоящему времени, также дополняются последними разработками в области компактных мощных фотонных лазеров. В представленных устройствах используется новый микрочиповый лазер, который производит лазерные импульсы дальнего инфракрасного диапазона с субнаносекундной скоростью и высокой мощностью.
Сильные субтерагерцовые излучения, которые могут генерировать новые устройства-заменители рентгена, отлично подходят для обработки изображений и аналитических работ. RIKEN уже проводит совместные исследования с японскими компаниями, специализирующимися в области электроники, оптики и фотоники, такими как Ricoh, Topcon, Mitsubishi Electric и Hamamatsu Photonics, для разработки средств неразрушающего контроля и оборудования для терагерцовой спектроскопии.
Терагерцовые волны также могут определять химический состав различных веществ, благодаря характерным особенностям их поглощения. Например, с помощью этого метода можно легко идентифицировать различные бесцветные жидкости, такие как керосин и ацетон, которые в видимом спектре выглядят одинаково. Таким образом, возможные сферы применения терагерцовых волн варьируются от сканеров безопасности в аэропортах до анализа исторических произведений искусства.
Промышленные краски и наружные покрытия также можно анализировать, неразрушающие методы, в отличие от существующих. В будущем, по словам специалистов RIKEN, их устройства можно также устанавливать на роботов, обследующих промышленные трубопроводы в поисках коррозии, или на беспилотники, чтобы проверять состояние опор ЛЭП.