0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看技术视频
  • 写文章/发帖/加入社区
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

探析MIT太赫兹传感和成像应用

MEMS 来源:cg 2018-12-18 16:47 次阅读

据麦姆斯咨询报道,麻省理工学院(MIT)研究人员设计的新一代太赫兹激光器是全球首个同时达到三个关键性能目标的激光器,这三个关键性能分别为:高恒定功率、窄波束模式和宽频率调谐。因此,在化学传感和成像的广泛应用中极具价值。该优化后激光器可用于即将到来的美国国家航空航天局(NASA)任务中的星际元素探测,该任务旨在了解更多关于我们星系的起源。地球上,高功率光子线激光器还可用于改善皮肤和乳腺癌成像,检测药物和爆炸物等。该激光器的新颖设计将多个基于半导体的高效线激光器配对,并迫使它们“锁相”或同步振荡。将阵列对的输出组合在一起,产生发散度最小的单个高功率光束。对单个耦合激光器的调整允许宽频率调谐,以提升测量中的分辨率和保真度。研究人员称,实现三个关键性能指标意味着更低的噪音和更高的分辨率,以实现更可靠、更具成本效益的化学检测和医学成像

“人们已经在激光器中进行了频率调谐,或制造了具有高光束质量或具有高连续波功率的激光器。但每种设计都缺乏其他两个因素,”本论文第一作者、电子工程和计算机科学研究生Ali Khalatpour表示,“这是我们第一次在基于芯片的太赫兹激光器中同时实现这三个指标。”介绍这款激光器的论文已于2018年12月10日发表在Nature Photonics上。“就像‘利用一个戒指来统治所有人’一样,”Khalatpour补充道,他利用“指环王”中的流行语来表现新型激光器的特点。论文的共同作者有MIT电气工程和计算机科学的杰出教授Qing Hu(曾在太赫兹量子级联激光器方面做开创性工作)和桑迪亚国家实验室的John L. Reno。

被NASA选中去年,NASA宣布了 “银河系/银河系外的超长飞行时间气球光谱太赫兹天文台(GUSTO)”任务,计划在2021年发射搭载光子线激光器的高空气球望远镜,用于探测“星际介质(恒星之间的宇宙物质)”中氧、碳及氮的排放。经过几个月后收集的大量数据,将有助于深入了解恒星的诞生和进化,并帮助绘制更多银河系及附近大麦哲伦星系(Large Magellanic Cloud)等星系的地图。NASA选择了一种新型半导体太赫兹激光器作为GUSTO化学探测器的组件,来自MIT研究人员的先前设计。它也是目前性能最佳的太赫兹激光器。这种激光器特别适用于太赫兹辐射中氧浓度的光谱测量。太赫兹辐射是微波与可见光之间的电磁波谱带。太赫兹激光器可向一种材料发射相干辐射,以提取这种材料的光谱“指纹”。不同材料吸收太赫兹辐射的程度不同,这意味着每种材料都有其独特的指纹,显示为谱线。这在1-5太赫兹范围内的探测来说价值尤为突出:对于违禁品检测,海洛因的波谱约为1.42太赫兹和3.94太赫兹,可卡因的波谱约为1.54太赫兹。

MIT研究人员设计的全球首个同时达到三个关键性能目标的微型太赫兹激光器图片来源:MIT

多年来,Hu的实验室长期致力于开发被称为“光子线激光器”的新型量子级联激光器。与许多激光器一样,这些激光器是双向的,即它们向相反方向发射光,这就降低了其功率。在传统激光器中,这个问题可在激光器内精密定位反射镜轻松解决。但这个问题在太赫兹激光器中很难解决,因为太赫兹辐射太长,而激光器又太小,大部分光波都在激光器外传播。在GUSTO选择的激光器中,研究人员为线激光器波导(控制电磁波在激光器中的传播方式)开发了一种新颖设计——单向发射。

该设计实现了高效率并保证了光束质量,但它不能满足NASA的频率调谐要求。从化学领域获取灵感在他们先前设计的基础上,Khalatpour从一个意想不到的来源——有机化学中获得了灵感。在MIT上本科时,Khalatpour注意到了一条两边排列着原子的长聚合物链。它们是“pi-bonded”,意思是其分子轨道重叠使键合更稳定。研究人员将“pi-bonded”的概念应用到他们的激光器上,在阵列上本来独立的线激光器之间建立紧密的连接。这种新型耦合方案实现了两个或多个线激光器的锁相。为了实现频率调谐,研究人员使用微小的“旋钮”来改变每根线激光器的电流,轻微改变光通过激光器的方式(这被称为折射率)。

将这种折射率的变化应用于耦合激光器时,就会产生连续的频移到耦合激光器的中心频率。在实验中,研究人员制造出由10个pi耦合线激光器组成的阵列。该激光器在约10千兆赫范围内进行连续频率调谐,输出功率约为50至90毫瓦,具体功率取决于阵列上有多少对pi耦合激光器。其光束发散度很低,只有10度,这是测量光束偏离焦点的距离。研究人员目前还在构建一款动态范围大于110分贝的高动态范围成像系统,该系统可用于皮肤癌成像等多种应用。皮肤的癌细胞会比健康细胞更强烈地吸收太赫兹波,因此太赫兹激光器有可能探测到它们。以往用于这项任务的激光器体积大、效率低且频率不可调谐。研究人员新开发的芯片尺寸器件不仅在输出功率上匹配或超过了那些激光器,还提供了调谐功能。Khalatpour说:“拥有具有这些性能指标的平台,可显著提升成像能力并扩展其应用。”

加州大学洛杉矶分校(University of California at Los Angeles)物理与波电子学副教授Benjamin Williams表示:“这是一项非常出色的研究成果,在太赫兹波段一般情况下很难从同时具有良好光束模式的激光器中获得高功率。该技术的创新是他们开发出一种将多个线激光器连接在一起的新方法。如果阵列中的所有激光器不以相位辐射,那么光束模式就会被破坏,这本来是很棘手的问题。该研究已证明,通过适当地间隔相邻的线激光器,可诱导它们“想要”在相干的对称超模式运行——这些所有超模式均为同步辐射。另外,还有一个优势是激光频率可调谐到所需波长——这是光谱学和天体物理学研究需要的的重要特性。”

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • MIT
    MIT
    +关注

    关注

    3

    文章

    253

    浏览量

    23239
  • 太赫兹
    +关注

    关注

    10

    文章

    324

    浏览量

    28803

原文标题:MIT新型太赫兹激光器性能飞跃式提升,太赫兹传感和成像应用大有可为!

文章出处:【微信号:MEMSensor,微信公众号:MEMS】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    研究人员开发出一种新型太赫兹成像系统

    赫兹波可以穿透不透明材料,并提供各种化学物质的独特光谱特征,但它们在现实世界中的应用受到太赫兹成像系统速度慢、尺寸大、成本高和复杂性的限制。问题在于缺乏合适的焦平面阵列探测器,这种探测器包含
    的头像 发表于 01-19 10:05 281次阅读
    研究人员开发出一种新型太<b class='flag-5'>赫兹</b><b class='flag-5'>成像</b>系统

    用单像素太赫兹传感器检测材料中的隐藏缺陷

    使用单像素光谱探测器快速检测隐藏物体或缺陷的衍射太赫兹传感器示意图。 在工程和材料科学领域,检测材料中隐藏的结构或缺陷至关重要。传统的太赫兹成像系统依赖于太
    的头像 发表于 01-03 06:33 138次阅读
    用单像素太<b class='flag-5'>赫兹</b><b class='flag-5'>传感</b>器检测材料中的隐藏缺陷

    高通量太赫兹成像的进展与挑战

    基于图像传感器阵列的不同太赫兹成像系统的功能和局限性总结 太赫兹波介于红外波段和毫米波段之间,具有许多独特的性质,因此在无损检测、安全筛查、生物医学诊断、文化遗产保护、化学鉴定、材料表
    的头像 发表于 12-18 06:33 145次阅读
    高通量太<b class='flag-5'>赫兹</b><b class='flag-5'>成像</b>的进展与挑战

    具备“通信+传感”性能,B5G/6G时代,太赫兹波备受期待!

    具备“通信+传感”性能,B5G/6G时代,太赫兹波备受期待!
    的头像 发表于 11-27 17:39 241次阅读
    具备“通信+<b class='flag-5'>传感</b>”性能,B5G/6G时代,太<b class='flag-5'>赫兹</b>波备受期待!

    赫兹成像技术透视分层结构助力文物研究

    对于时间分辨成像方法来说,分层结构的无创检测具有挑战性,其中分辨率和对比度可能会因层间反射和色散的突出信号衰减而受到影响。在一份关于科学进展的新报告中,科学家团队介绍了一种基于太赫兹时域光谱的方法
    的头像 发表于 11-02 08:05 412次阅读
    太<b class='flag-5'>赫兹</b><b class='flag-5'>成像</b>技术透视分层结构助力文物研究

    单像素衍射太赫兹传感器设计的基本原理

    赫兹(THz)波凭借其可以穿透大多数不透光材料的特点,在对材料中隐藏物体和缺陷的无损探测方面具有显著的优势。然而,由于受到成像速度和分辨率的束缚,现有的太赫兹探测系统面临着成像通量和
    发表于 10-31 15:13 223次阅读
    单像素衍射太<b class='flag-5'>赫兹</b><b class='flag-5'>传感</b>器设计的基本原理

    Beyond5G/6G时代备受期待的太赫兹波的通信和传感

    Beyond5G/6G时代备受期待的太赫兹波的通信和传感
    的头像 发表于 10-26 11:30 384次阅读
    Beyond5G/6G时代备受期待的太<b class='flag-5'>赫兹</b>波的通信和<b class='flag-5'>传感</b>

    基于图像传感器阵列的不同太赫兹成像系统的功能和局限性总结

    为了充分发挥太赫兹成像在现实世界中的应用潜力,太赫兹图像传感器阵列和先进计算成像算法的发展,正在逐步解决传统系统冗长的
    发表于 10-13 10:35 186次阅读
    基于图像<b class='flag-5'>传感</b>器阵列的不同太<b class='flag-5'>赫兹</b><b class='flag-5'>成像</b>系统的功能和局限性总结

    SiGe HBT芯片在成像方面的应用简析

    基于计算机断层扫描原理的三维太赫兹成像(太赫兹 CT)是可能探索的新兴应用之一,太赫兹辐射是非电离的,因此不需要专门的安全措施
    的头像 发表于 10-08 11:26 756次阅读
    SiGe HBT芯片在<b class='flag-5'>成像</b>方面的应用简析

    高通量太赫兹成像进展与挑战综述

    无损评估、生物医学诊断和安全筛查等诸多令人兴奋的太赫兹(THz)成像应用,由于成像系统的光栅扫描要求导致其成像速度非常慢,因此在实际应用中一直受到限制。
    的头像 发表于 10-07 15:42 518次阅读
    高通量太<b class='flag-5'>赫兹</b><b class='flag-5'>成像</b>进展与挑战综述

    赫兹成像技术可以捕捉微观世界的3D图像

    筛查、安全和材料研究相关的一系列领域产生重大影响”。分布在整个3D立方体中的微观金属物体金属物体使用太赫兹波相机成像然后与渲染图像相结合这项研究是与MarcoPec
    的头像 发表于 09-28 08:06 1008次阅读
    太<b class='flag-5'>赫兹</b><b class='flag-5'>成像</b>技术可以捕捉微观世界的3D图像

    赫兹频段概述 太赫兹频段是什么 太赫兹频段原理

    赫兹频段概述 太赫兹频段是什么 太赫兹频段原理 太赫兹频段概述 太赫兹频段,也被称为THz频段,指的是在波长为0.1-1毫米,频率为300
    的头像 发表于 09-19 17:50 2644次阅读

    一种可以实现太赫兹波前调控的超构表面

    近年来,太赫兹(THz)技术已经成为第六代(6G)无线通信、雷达探测、光谱成像和生物医学传感等领域的研究热点。
    的头像 发表于 08-29 09:13 561次阅读
    一种可以实现太<b class='flag-5'>赫兹</b>波前调控的超构表面

    单次超快太赫兹(THz)摄影系统的首次实现

    亚皮秒分辨率的超短动力学的空间和时间演变。 换句话说,研究人员现在将能够发现控制动力学的隐藏自然法则,这需要超出电子传感器极限的成像速度。   单次超快太赫兹摄影系统的原理图 与传统光学波长下超快
    的头像 发表于 05-29 09:44 373次阅读

    北理工马建军:CMOS硅基太赫兹成像技术

    迄今为止,太赫兹成像分辨力取得了多项技术突破,但硅集成太赫兹成像器的分辨力一直受到衍射极限的限制,只能达到毫米范围的光斑尺寸。生物医学或材料表征中的许多应用需达到微米级分辨力,这可以通
    的头像 发表于 05-24 10:07 788次阅读
    北理工马建军:CMOS硅基太<b class='flag-5'>赫兹</b><b class='flag-5'>成像</b>技术