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赫兹波的独特性质来穿透可见的不透明材料，已被开发用于揭示各种感兴趣材料的内部结构。

这种能力在工业质量控制、安全筛查、生物医学和国防等众多应用中提供了前所未有的优势。然而，大多数现有的太赫兹成像系统的吞吐量有限，设置庞大，需要光栅扫描来获取隐藏特征的图像。

为了改变这种模式，加州大学洛杉矶分校Samueli工程学院和加州纳米系统研究所的研究人员开发了一种独特的太赫兹传感器，该传感器可以使用单像素光谱太赫兹探测器快速检测目标样品体积内隐藏的缺陷或物体。

与传统的逐点扫描和基于数字图像形成的方法不同，该传感器在单次快照中用太赫兹辐射照射测试样品的体积，而不需要形成或数字处理样品的图像。

该传感器由加州大学洛杉矶分校电气与计算机工程系主任艾多甘·奥兹坎博士和诺斯罗普·格鲁曼公司捐赠的教授莫娜·贾拉希博士领导，它是一种全光处理器，擅长搜索和分类由隐藏缺陷衍射引起的意外波源。该研究成果以论文形式发表在《自然·通讯》杂志上。

Ozcan博士说：“随着我们摆脱传统方法，转向更高效、人工智能驱动的全光传感系统，我们对太赫兹成像和传感的看法和利用方式发生了转变。”

单像素衍射太赫兹传感器的实验装置。

这种新型传感器由一系列衍射层组成，使用深度学习算法自动优化。经过训练后，这些层使用增材制造方法(如3D打印)转化为物理原型。这使得系统能够进行全光处理，而不需要繁琐的光栅扫描或数字图像捕获/处理。

Ozcan博士说，“就像传感器有自己的内置智能一样，这与他们之前的人工智能设计的光学神经网络相似。我们的设计包括几个衍射层，根据被测材料中是否存在隐藏结构或缺陷，修改输入的太赫兹光谱。可以把它想象成让我们的传感器能够根据它以光速‘看到’的东西进行‘感知和响应’。”

为了证明他们的新概念，加州大学洛杉矶分校团队使用3D打印制造了一种衍射太赫兹传感器，并成功检测到硅样品中的隐藏缺陷。这些样品由堆叠的晶片组成，其中一层包含缺陷，另一层隐藏了缺陷。智能系统准确地揭示了各种形状和位置的未知隐藏缺陷的存在。

该团队相信他们的衍射缺陷传感器框架也可以在其他波长下工作，如红外线和X射线。这种多功能性预示着从制造质量控制到安全筛查甚至文化遗产保护的大量应用。

这种非成像方法的简单性、高通量和成本效益，有望在速度、效率和精度至关重要的应用中带来变革性的进展。

审核编辑 黄宇