Terahertz-golven kunnen ondoorzichtige materialen binnendringen en unieke spectrale kenmerken van verschillende chemicaliën verschaffen, maar hun acceptatie voor toepassingen in de echte wereld wordt beperkt door de lage snelheid, het grote formaat, de hoge kosten en de complexiteit van terahertz-beeldvormingssystemen. Het probleem komt voort uit het ontbreken van geschikte focal-plane array-detectoren, componenten die stralingsdetectoren bevatten die door het beeldvormingssysteem worden gebruikt.

Een onderzoeksteam onder leiding van Mona Jarrahi en Aydogan Ozcan, professoren elektrotechniek en computertechniek aan de UCLA Samueli School of Engineering, heeft een nieuwe terahertz-focal-plane array uitgevonden om dit probleem op te lossen.

Door de noodzaak van rasterscannen, waarbij een beeld punt voor punt wordt vastgelegd en weergegeven, te elimineren, kan het onderzoeksteam de beeldvorming ruim duizend keer sneller versnellen dan de huidige systemen. De nieuwe array vormt het eerste bekende terahertz-beeldvormingssysteem dat snel genoeg is om video's vast te leggen en realtime, 3D multispectrale beelden te leveren, terwijl een hoge signaal-ruisverhouding behouden blijft.

Gepubliceerd in Natuurfotonica beschrijft de UCLA-studie de nieuwe focal-plane array, waarbij 283.500 nanoantennes in een ruimte worden geplaatst die kleiner is dan de grootte van een typisch sesamzaadje. De array is in staat om ruimtelijke amplitude- en faseverdelingen, evenals de temporele en spectrale gegevens van een afgebeeld object rechtstreeks te leveren, waardoor de noodzaak van rasterscannen wordt omzeild. Het team maakte ook gebruik van een op machine learning getraind neuraal netwerk om de resolutie van de vastgelegde beelden in realtime te verbeteren.

"Terahertz-beeldvorming kan ons helpen dingen te zien die we niet konden detecteren met andere processen of technologieën", zegt Jarrahi, die de Northrop Grumman-leerstoel in elektrotechniek bekleedt en leiding geeft aan het Terahertz Electronics Laboratory aan de UCLA Samueli. "Met deze focal-plane array hebben we nieuwe mogelijkheden ontsloten om terahertz-beeldvorming te gebruiken voor realtime scannen en detectie met hoge doorvoer op een manier die voorheen niet mogelijk was."

Eerdere pogingen om snellere terahertz-beeldvormingssystemen te creëren hebben geresulteerd in lage signaal-ruisverhoudingen, waardoor het voor onderzoekers moeilijk wordt om zuivere beelden te verkrijgen. De systemen waren ook omvangrijk en duur. Met behulp van de nieuwe focal-plane array en het bijbehorende neurale netwerk demonstreerde het onderzoeksteam het vermogen van het systeem om 3D-patronen af ​​te beelden die in silicium zijn geëtst met meer dan 1.000 pixels.

De relatief lage energie van terahertz-fotonen en hun vermogen om door veel ondoorzichtige en niet-geleidende materialen heen te dringen, maken terahertz-straling veelbelovend voor een verscheidenheid aan toepassingen. Deze omvatten medische beeldvorming, veiligheidsonderzoek en inspectie van farmaceutische of landbouwproducten.

Jarrahi en Ozcan zijn beide lid van het California NanoSystems Institute aan de UCLA, waar Ozcan fungeert als associate director voor ondernemerschap, industrie en academische uitwisseling. Ozcan, die de Volgenau-leerstoel voor Engineering Innovation van UCLA bekleedt en leiding geeft aan de Ozcan Research Group, heeft ook faculteitsbenoemingen bij de afdeling Bioengineering en de David Geffen School of Medicine aan de UCLA.

De technologie wordt gecommercialiseerd door Lookin Inc., een startup die is afgesplitst van Jarrahi's onderzoeksgroep. Het bedrijf werd mede opgericht door Jarrahi en Nezih Tolga Yardimci, een postdoctoraal onderzoeker en lid van haar onderzoeksgroep. Yardimci is auteur van het artikel en fungeert als CEO en Chief Technology Officer van Lookin.

Andere auteurs van het artikel zijn UCLA Samueli postdoctoraal onderzoeker Xurong Li, afgestudeerde student Deniz Mengu, alumnus Deniz Turan en Ali Charkhesht, een hoofdingenieur bij Lookin. Behalve Charkhesht zijn ze allemaal huidige of voormalige leden van de onderzoekslaboratoria van Jarrahi en Ozcan aan de UCLA.

Meer informatie: Xurong Li et al, Plasmonic fotogeleidende terahertz focal-plane array met pixel-superresolutie, Nature Photonics (2024). DOI:10.1038/s41566-023-01346-2

Journaalinformatie: Natuurfotonica

Geleverd door UCLA Engineering Institute for Technology Advancement