Терагерцовый сканер своими руками

Терагерцовые антенны с «наноначинкой»: как создать более дешевый и эффективный источник ТГц излучения

Терагерцовое (ТГц) излучение – мощный инструмент, имеющий перспективы использования во многих сферах – от медицины до беспроводной передачи данных. Главной препоной, стоящей на пути повсеместного использования ТГц излучения, является отсутствие эффективных и малогабаритных источников излучения. Над новыми решениями в этой области бьются исследователи из разных стран. Так, выяснилось, что ТГц антенны могут быть произведены на основе диэлектрических наноантенн. Пионерами в этой области выступают сотрудники кафедры нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО. ITMO.NEWS удалось узнать у Сергея Лепешова, одного из разработчиков диэлектрических наноантенн, о преимуществах своего решения.

p6560

Диэлектрические наноантенны в антенне

На разработку ТГц антенн со встроенными диэлектрическими наноантеннами Сергей Лепешов, инженер кафедры нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО, получил грант от Фонда содействия инновациям в рамках программы «УМНИК». Благодаря полученному финансированию разработчик проведет исследование ТГц антенн и их составных частей – диэлектрических наноантенн, а в случае успеха запатентует свою разработку и в конечном счете выведет ее на рынок.

Что такое диэлектрические наноантенны

Наноантенны – это очень маленькие устройства размером порядка 100 нанометров, которые позволяют управлять электромагнитными волнами с частотой света. Они способны концентрировать свет и перенаправлять его. Из таких наноантенн можно создавать метаповерхности – искусственно созданные двумерные материалы с заданными электромагнитными свойствами. Меняя геометрию наноантенн или период между ними, можно трансформировать свойства метаповерхности: коэффициент прохождения, коэффициент отражения и поглощения в материале. Именно благодаря усилению поглощения становится возможным проект Сергея Лепешова, который направлен на разработку эффективных источников ТГц излучения на основе наноантенн.

656000Университет ИТМО. Сергей Лепешов

Важнейшим составным элементом ТГц антенны является полупроводниковая подложка, в которой происходит генерация излучения. Для этого ее облучают сверхкороткими по времени лазерными импульсами. Чтобы поглощение в подложке было максимальным, на нее помещают наноантенны. Обычно используются металлические наноантенны, сделанные из золота, серебра и других металлов. Инженер решил подойти с другой стороны и использовать кремний, который повсеместно используется в наноэлектронике. На основе кремния создаются транзисторы, полупроводниковые диоды, которые находятся у нас в телефонах, планшетах и компьютерах. Другими словами, технология создания наноструктур из кремния очень хорошо отработана, поэтому создание наноантенны именно из этого материала особенно перспективно, так как это позволит внедрить новые оптические технологии в производство без серьезных модификаций.

Чем отличаются диэлектрические наноантенны от металлических

Во-первых, кремний, из которого сделаны диэлектрические наноантенны, практически не поглощает свет на тех частотах, на которых происходит «накачка» ТГц антенны, в отличие от золота или серебра. Во-вторых, использование кремния удешевляет производство. Еще одно значительное отличие – пропускание света. Массивы наноантенн из золота и серебра имеют большой коэффициент отражения. С помощью кремния же можно создавать в ТГц антенне метаповерхности, которые будут практически полностью пропускать через себя свет. Он будет проходить в полупроводник, на котором находятся ТГц антенны и их составные части – наноантенны, в количестве 98-99% и поглощаться в поверхностном слое.

656002Образец экспериментальной работы

Как диэлектрические наноантенны работают в ТГц антенне

Когда свет падает на диэлектрические наноантенны, они особым образом его рассеивают, в результате чего в поверхностном слое полупроводника, где находятся наноантенны, усиливается оптический сигнал. В местах, где он усиливается, более эффективно генерируются электроны и дырки. Если электрон – элементарная частица, то дырка – это квазичастица, которая есть в полупроводниках. Когда в полупроводниках появляется свободный электрон под действием, например, светового излучения у него появляется пара – дырка. Дырка считается положительно заряженной частицей, а электрон – отрицательно заряженной частицей. За счет этой более эффективной генерации возрастает сила тока в ТГц антенне, вследствие этого увеличивается мощность ТГц излучения. Получается, что диэлектрические наноантенны приводят к усилению света, возрастание светового излучения в полупроводнике – к усилению тока, а ток, в свою очередь, генерирует ТГц излучение.

Для чего вообще используются ТГц антенны

Наноантенны используются для усиления ТГц сигнала от фотопроводящих антенн. Зачем нужны фотопроводящие антенны и в целом ТГц излучение? Для решения ряда задач, с которыми оптика и, например, радиолокаторы сегодня не справляются. Допустим, нужно с достаточно высокой точностью контролировать качество выпускаемой продукции – от медикаментов до колбасы. Для этой задачи подойдут сенсоры на основе источников и приемников ТГц излучения. Для того, чтобы уровень ТГц изучения был достаточным, нужны эффективные источники излучения.

656001Оборудование, задействованное в работе

Кроме того, ТГц излучение может проникать через среды, через которые не проникает свет. Например, сквозь стены. Условный шлем с ТГц датчиками позволит узнать, что происходит по другую сторону непреодолимой для света преграды. Еще ТГц излучение можно использовать в сканерах, которые просвечивают багаж пассажиров. В некоторых аэропортах уже стоят датчики, основанные на низкочастотном ТГц излучении, но пока они не получили широкого распространения. Например, в Санкт-Петербурге, в отличие от Амстердама, мы их не встретим. Такие сканеры также позволяют упростить процедуру досмотра: человека сканируют датчиками, исключая физический контакт. К тому же это абсолютно безвредно. ТГц датчики позволяют в некоторых случаях заменить рентгеновские датчики, излучение которых в большом количестве небезопасно для человека.

ТГц излучение можно использовать в медицине, в военной сфере, в сфере безопасности, контроля качества, и это далеко не полный список. Однако на данный момент ТГц излучение в первую очередь используется, конечно, в научных целях. Для ученых представляет большой интерес взаимодействие ТГц излучения с различными объектами. Для подобных исследований применяются сложные дорогостоящие установки, включающие в себя ТГц источники. Чем выше эффективность источника, тем выше уровень ТГц сигнала, а значит, тем больше вероятность, что лаборатория или компания-производитель исследовательских установок приобретет этот ТГц источник. Таким образом, ТГц фотопроводящая антенна с диэлектрическими наноантеннами будет обладать большей конкурентоспособностью на рынке ТГц источников, чем ее аналоги.

Источник

Россияне помогли создать миниатюрный источник «раздевающего» излучения

8eb9498271047bff913b166dfd7f0445

Credit: ITMO University

Ученые из России, Великобритании и Литвы провели тестовые испытания приемопередатчика терагерцевого излучения размером с булавочную головку. Антенна состоит из нескольких полупроводниковых слоев с квантовыми точками. Описание эксперимента опубликовано в журнале Laser & Photonics Reviews.

Спектр частот терагерцевого излучения лежит между инфракрасным и сверхвысокочастотным диапазонами. Терагерцевое излучение проникает сквозь живые ткани, но практически не рассеивается в них, и поэтому, в отличие от рентгеновских лучей, не представляет опасности для здоровья. Это свойство обеспечивает широкий спектр применения этого диапазона излучения: например, оно используется в системах безопасности для сканирования багажа и людей, с его помощью можно разглядеть спрятанные под одеждой металлические, керамические, пластиковые и другие предметы на расстояниях до десятков метров (поэтому терагерцовое излучение часто называют «раздевающим»). В медицинскую практику начинают внедряться терагерцевые томографы, с помощью которых можно исследовать верхние слои тела — кожу, сосуды, мышцы — до глубины в несколько сантиметров. Это нужно, например, для получения изображения опухолей. Еще одно возможное применение — получение снимков поверхностей, скрытых под слоями штукатурки или краски, что, в свою очередь, делает возможным «бесконтактное» восстановление первоначального вида произведений живописи.

Существующие генераторы терагерцевого излучения используют конверсию инфракрасных лазерных лучей в терагерцевые. Такая конверсия выполняется при помощи сложных систем, включающих фотоантенны, полупроводниковые кристаллы или диоды — как правило, это дорогие массивные энергозатратные системы, которые, к тому же, работают только при низких температурах. Специфика их работы накладывает ограничения на максимальную мощность лазерного излучения и максимальную амплитуду прикладываемого напряжения во избежание перегрева и/или электрического пробоя.

Новое устройство работает на базе квантовых точек — частиц полупроводника размером в несколько нанометров, широко используемых в нанотехнологиях. Под воздействием электричества или света частица испускает свет конкретной частоты в зависимости от своих размеров и формы, и таким образом допускает высокоточное управление своими свойствами — поэтому квантовые точки иногда называют искусственными атомами.

76147a8ab090db59ba907fcd1c0a83af

Credit: ITMO University

Антенна состоит из нескольких активных слоев квантовых точек, размещенных поверх отражателя Брэгга. Импульсный лазерный свет пропускается сквозь активные слои между смещенными электродами антенны, и поглощается полупроводником. Накачка полупроводниковой структуры лазерным светом разных уровней энергии вызывает образование фототоков с параметрами, которые зависят от свойств соответствующего возбужденного активного слоя квантовых точек. Взаимодействие фототоков вызывает рекомбинацию радиационных и нейтральных процессов внутри полупроводника, таким образом, процесс конверсии оптического сигнала в терагерцевый происходит за счет управляемых рекомбинаций пар электрических зарядов в полупроводнике, после чего полученный фототок передается встроенной микро-антенной как терагерцевое излучение в полусферические линзы.

Одним из ключевых моментов эксперимента стало использование единого состава полупроводника как для источника импульсной лазерной накачки, так и для терагерцевого излучателя — в такой конфигурации ученые наблюдали дополнительное излучение и абсорбцию энергии, выполняемых, соответственно, лазером и антенной. Это «возрождение» эффективного терагерцевого сигнала, которое было зафиксировано при достижении энергией уровня возбуждения соответствующего слоя квантовых точек, стало самым важным новшеством проведенного эксперимента.

ad6a973f7bde3fa12688eb4b400ca558

Схема генерации терагерцевого излучения в фотопроводниковой антенне

Credit: ITMO University

Ученые отмечают, что новая антенна не только позволяет генерировать терагерцевое излучение при комнатной температуре, но и значительно сокращает размеры источника излучения, что дает возможность объединить антенну с компактным инфракрасным лазером. Проведенные эксперименты показали, что созданное устройство выдерживает десятикратное увеличение интенсивности входного лазерного импульса по сравнению с традиционными терагерцевыми генераторами.

Исследователи предполагают, что новое устройство может быть использовано в высокоскоростных системах связи, а также в компактных терагерцевых сканерах, которые можно использовать для получения динамических изображений глубоких слоев кожи, сканирования эмбриона, мозга, а также внутренних органов и опухолей.

Свежее

5295f448dd190754281f598726d869b1

Биологи обнаружили орган проприорецепции в спинном мозге данио-рерио

Общение с сородичами повысило выживаемость самок жирафов

Реактивные двигатели помогут сделать сверхзвуковые самолеты тише

Пыльные вихри не смогли очистить солнечные панели марсианской станции InSight

Машинное обучение помогло сгенерировать больше вариантов векторов для генной терапии

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Источник

Терагерцовая технология «ОКБ «Астрон» как основа системы сканирования пассажиров в метро

Территория метрополитена делится на зоны:

Зона транспортной безопасности, в свою очередь, подразделяется на перевозочный и технологический сектор. Основная часть устанавливаемых в метрополитенах инженерно-технических систем обеспечения транспортной безопасности предназначена для оснащения контрольно-пропускных пунктов (зон досмотра). Зоны располагаются в вестибюлях на участке между входом и турникетами. В настоящий момент в метрополитенах России идет активная работа по созданию и оснащению данных зон.

Что такое терагерцовое излучение?

Диапазон частот терагерцового (ТГц) излучения занимает промежуточное положение между инфракрасной (ИК) и микроволновой областями электромагнитного спектра. Условно границами ТГц-диапазона считаются частоты 0,02 ТГц и 10 ТГц. Этот частотный интервал часто также называют дальним ИК- или субмиллиметровым диапазоном.

Терагерцовое излучение является неионизирующим, в отличие от рентгеновского. Различные биологические ткани обладают различным поглощением в данном диапазоне, что позволяет обеспечить контрастность снимков. В терагерцовом диапазоне лежат спектры сложных органических молекул (молекулы белков и ДНК, взрывчатых веществ и др.). По сравнению с видимым и ИК-излучением терагерцовое является длинноволновым, а значит оно менее подвержено рассеянию. В результате в этом диапазоне прозрачны многие сухие диэлектрические материалы, такие как ткани, дерево, бумага, пластмассы. Поэтому терагерцовое излучение можно использовать для неразрушающего контроля материалов, сканирования в аэропортах и т.д. В то же время длина волны излучения достаточно мала, чтобы обеспечить субмикронное пространственное разрешение при использовании свободно распространяющегося излучения. В терагерцовом диапазоне лежат резонансы вращательных и колебательных переходов многих молекул. Это позволяет проводить идентификацию молекул по их спектральным «отпечаткам». В сочетании с получением изображения в терагерцовом диапазоне это дает возможность определить не только форму, но и состав исследуемого объекта.

%D0%A0%D0%B8%D1%81.1%20%D0%94%D0%B8%D0%B0%D0%BF%D0%B0%D0%B7%D0%BE%D0%BD%D1%8B%20%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BC%D0%B0%D0%B3%D0%BD%D0%B8%D1%82%D0%BD%D0%BE%D0%B3%D0%BE%20%D0%B8%D0%B7%D0%BB%D1%83%D1%87%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F.png?width=989&name=%D0%A0%D0%B8%D1%81.1%20%D0%94%D0%B8%D0%B0%D0%BF%D0%B0%D0%B7%D0%BE%D0%BD%D1%8B%20%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BC%D0%B0%D0%B3%D0%BD%D0%B8%D1%82%D0%BD%D0%BE%D0%B3%D0%BE%20%D0%B8%D0%B7%D0%BB%D1%83%D1%87%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8FРис.1 Диапазоны электромагнитного излучения

Преимущества THERZ-7A

Механизм обнаружения обводит рамкой потенциально опасный объект и включает тревогу, которая оповестит охрану о возможной опасности, чтобы сотрудники службы безопасности могли дополнительно проверить подозреваемого или же выключили сигнал тревоги. Система точно определяет изделия из металлов, керамики, пластмасс, композитных материалов, жидкостей и гелей.

Устройство не облучает объекты и не создает опасность для здоровья людей, в том числе имеющих кардиостимуляторы или беременных женщин. Система не вызывает клаустрофобию, так как полностью открыта. THERZ-7A не отображает анатомические подробности, тем самым защищая личную неприкосновенность и соблюдая нормы морали. Система работает в реальном времени, ее установка не создает длинные очереди на входе и выходе.

Установка и эксплуатация малогабаритного комплекса возможна без предварительной подготовки мест досмотра. Подготовка к работе занимает 15 минут и осуществляется одним человеком.

%D0%A0%D0%B8%D1%81.2%20%D0%9F%D1%80%D0%B8%D0%BC%D0%B5%D1%80%20%D0%B8%D0%B7%D0%BE%D0%B1%D1%80%D0%B0%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F%20%D0%B4%D0%BB%D1%8F%20%D0%BE%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%82%D0%BE%D1%80%D0%B0%20THERZ 7A.jpg?width=682&name=%D0%A0%D0%B8%D1%81.2%20%D0%9F%D1%80%D0%B8%D0%BC%D0%B5%D1%80%20%D0%B8%D0%B7%D0%BE%D0%B1%D1%80%D0%B0%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F%20%D0%B4%D0%BB%D1%8F%20%D0%BE%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%82%D0%BE%D1%80%D0%B0%20THERZ 7AРис.2 Пример изображения для оператора THERZ-7A

В состав THERZ-7A входят:

Технические характеристики THERZ-7A

%D0%A0%D0%B8%D1%81.3.%20%20%D0%92%D0%BE%D0%B7%D0%BC%D0%BE%D0%B6%D0%BD%D0%B0%D1%8F%20%D1%81%D1%85%D0%B5%D0%BC%D0%B0%20%D0%BE%D1%80%D0%B3%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%B7%D0%B0%D1%86%D0%B8%D0%B8%20%D0%B4%D0%BE%D1%81%D0%BC%D0%BE%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B9%20%D0%B7%D0%BE%D0%BD%D1%8B%20%D0%B1%D0%B5%D0%B7%D0%BE%D0%BF%D0%B0%D1%81%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B8%20%D1%81%20%D0%B8%D1%81%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D1%8C%D0%B7%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%B5%D0%BC%20THERZ 7A.jpg?width=651&name=%D0%A0%D0%B8%D1%81.3.%20%20%D0%92%D0%BE%D0%B7%D0%BC%D0%BE%D0%B6%D0%BD%D0%B0%D1%8F%20%D1%81%D1%85%D0%B5%D0%BC%D0%B0%20%D0%BE%D1%80%D0%B3%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%B7%D0%B0%D1%86%D0%B8%D0%B8%20%D0%B4%D0%BE%D1%81%D0%BC%D0%BE%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B9%20%D0%B7%D0%BE%D0%BD%D1%8B%20%D0%B1%D0%B5%D0%B7%D0%BE%D0%BF%D0%B0%D1%81%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B8%20%D1%81%20%D0%B8%D1%81%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D1%8C%D0%B7%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%B5%D0%BC%20THERZ 7AРис.3. Возможная схема организации досмотровой зоны безопасности с использованием THERZ-7A

Синергетический эффект

Применение комплекса THERZ-7A на объектах позволит достичь следующих эффектов:

Владимир Войтов
Руководитель проекта «Терагерцовые системы» АО «ОКБ «Астрон»

Вадим Старцев
Главный конструктор АО «ОКБ «Астрон»

Источник

Терагерцевый сканер МТИ читает закрытые книги и запечатанные письма

80c7638ba5ef426293abda01d1263690
Фото: AP Photo / Akira Suemori

Исследователи из Массачусетского технологического института и Технологического института Джорджии разработали терагерцевый сканер, который позволяет читать книги, не открывая их. Это нужная вещь для оцифровки хрупких фолиантов, которые могут повредиться при листании страниц. Кроме того, технологию можно использовать для чтения писем в запечатанных конвертах, например.

Исследователи из лаборатории MIT Media Lab сообщают, что интерес к технологии уже проявило руководство музея Метрополитан в Нью-Йорке. Как и в некоторых других музеях, в их музейном фонде имеется ряд древних книг, которые боязно открывать. «Они не хотят даже прикасаться к ним», — говорит Бармак Хешмат (Barmak Heshmat), научный сотрудник MIT Media Lab и один из авторов научной статьи с описанием инновационного сканера.

Учёный добавил ещё, что прибор полезен не только для сканирования книг или чтения писем в запечатанных конвертах, но и для изучения любых материалов, которые нанесены в несколько тонких слоёв. Это может быть старый рисунок под слоем краски, содержимое таблетки под оболочкой или покрытие автомобиля под внешним слоем краски.

Специалисты из Массачусетского технологического института разработали аппаратную часть сканера, а коллеги из Технологического института Джорджии — программную часть для устранения искажений и улучшения качества отсканированных изображений. Учёные говорят, что программа устранения искажений в буквах работает настолько хорошо, что легко распознаёт многие картинки CAPTCHA, где используются искажённые символы.

Терагерцевое излучение — вид электромагнитного излучения, спектр частот которого расположен между инфракрасным и сверхвысокочастотным диапазонами. Диапазон частот от 0,01 до 10 ТГц. Терагерцевое излучение широко используется в системах безопасности для сканирования багажа и людей. В медицине начинают применять терагерцевые томографы, а в искусствоведении восемь лет назад начали использовать терагерцевые сканеры для изучения рисунков, скрытых под слоями краски. Такие сканеры позволяют обнаружить скрытые структурные дефекты в различных материалах.

Главной проблемой при сканировании многослойных поверхностей книг является быстрое падение уровня отражённого сигнала при «погружении» на несколько слоёв вглубь. Сигнал настолько слабый, что становится очень трудно выделить его из шума. Исследователи изобрели специальную технику для фильтрации сигнала и «фокусировки» на конкретном тонком слое.

В частности, они нашли способ фокусироваться на каждом слое многослойного материала по статистическим данным детектируемого электромагнитного излучения. Затем они выделяют спектральные изображения с наибольшим контрастом для каждого слоя, используя метод усреднённого временнóго стробирования спектрального эксцесса. Такой метод позволяет успешно считывать страницы даже с низким соотношением SNR менее 10 дБ, обеспечивая контрастность в 18 раз выше, чем при обычном сопоставлении амплитуды.

7af2bcc4cb814f0f83516fc4d4f44584
Экспериментальная установка со стопкой из 9 листов, на каждом из которых с одной стороны напечатана одна буква латинского алфавита. Листы из офисной бумаги толще обычного

Различение текста на страницах возможно благодаря тому, что между страниц закрытой книги остаются воздушные полости толщиной примерно 20 микрометров. Такие большие полости связаны с неровностью бумаги, ведь она изготавливается из дерева и не подвергается специальной шлифовке. Из-за разного показателя преломления воздуха и бумаги можно точно определить границы этих полостей по отражённому сигналу, который принимает терагерцевый детектор. Это позволяет распознавать конкретные листы в стопке.

7816f2f0f3994b09ad4818e3ba9bdf23
Результат измерений: 9 латинских букв на листах (A); результат сканирования, время поступления отражённого сигнала соответствует глубине слоя, изменение насыщенности соответствует нормированному значению амплитуды поля в произвольных единицах, значения меньше 0,5 соответствуют отрицательной амплитуде поля (B); срез куба данных записанной амплитуды электрического поля, соответствующий конкретному времени поступления отражённого сигнала, то есть конкретному слою (С)

Пока что алгоритм может корректно определять расстояние до воздушных полостей примерно в 20 верхних листах стопки, но с каждой страницей сигнал становится всё слабее. Во время испытаний сканер успешно распознал 9 страниц в стопке в автоматическом режиме без человеческого участия и настройки.

31b532a9a39b477c8e7e2177be1fb79f
Результат работы сканера в автоматическом режиме, с улучшением контраста в пост-процессинге и OCR

Учёные не теряют надежды улучшить качество сканирования, используя более чувствительные детекторы и более мощные источники терагерцевого излучения.

Терагерцевое излучение — относительно новая область инженерного дела. Работа Массачусетского технологического института и Технологического института Джорджии — одна из первых, в которой сочетаются новые инструменты и продвинутые методы компьютерной обработки изображений. Это только начало.

Технология сейчас активно развивается, так что в ближайшие годы наверняка появятся более чувствительные и точные приборы. Возможно, они смогут читать содержание не одного запечатанного письма, а сразу целого мешка писем.

Научная статья «Terahertz time-gated spectral imaging for content
extraction through layered structures»
опубликована 9 сентября 2016 года в журнале Nature Communications (doi: 10.1038/ncomms12665).

Источник

Поделиться с друзьями
admin
Здоровая спина
Adblock
detector