211service.com
T-Rays gaat vooruit naar luchthavenscreening
Onderzoekers over de hele wereld proberen een nauwelijks gebruikt deel van het elektromagnetische spectrum – terahertzstraling – af te tappen om vliegtuigpassagiers te scannen op explosieven en illegale drugs. De stralen zijn bijzonder aantrekkelijk: ze kunnen door kleding, papier, leer, plastic, hout en keramiek heen kijken. Ze dringen niet zo goed door als röntgenstralen, maar ze beschadigen ook geen levend weefsel. En ze kunnen spectroscopische handtekeningen lezen en het verschil detecteren tussen bijvoorbeeld haargel en een explosief.
Deze kleine grijze rechthoek, kleiner dan de D in DIME, is een kwantumcascadelaser die de sleutel zou kunnen zijn tot terahertz-beeldvormingstechnologieën voor toekomstige screeningapparatuur op luchthavens. De laser is bevestigd aan de elektronica die hem aanstuurt.
Hoewel sommige commerciële systemen al beschikbaar zijn voor beperkte toepassingen - een Japans apparaat scant de post op smokkelwaar - is een machine om vliegtuigpassagiers te scannen traag ontwikkeld, voornamelijk vanwege de moeilijkheid om de terahertz-straling te creëren. De ideale scanner zou een bundel t-stralen uitzenden naar passerende objecten of naar mensen op een paar meter afstand, dan de door de onderwerpen weerkaatste stralen meten en ze vergelijken met een database met spectroscopische handtekeningen. Maar de meeste bestaande bronnen van t-stralen leveren slechts zwakke bundels, waardoor detectie langzamer en moeilijker wordt.
Nu staat een MIT-professor op het punt dit probleem op te lossen met een nieuw type laser.
Een typische methode voor het produceren van t-stralen - die tussen infrarood licht en microgolven in het elektromagnetische spectrum liggen; frequenties tussen ongeveer 0,5 en 4,0 terahertz zijn het meest interessant - is om een laser te gebruiken die infrarood licht produceert en, door optische manipulatie, opnieuw af te stemmen op terahertz-frequenties. De resulterende output wordt gemeten in miljoenste of zelfs biljoenste watt. Om de detector dat soort zeer zwak signaal te laten oppikken, zou de straal langzaam over een object van dichtbij moeten worden gescand, waarbij een beeld per pixel wordt opgebouwd. De alternatieve bron is een enorme gaslaser die een hele laboratoriumtafel in beslag neemt. Geen van beide is praktisch om duizenden luchtreizigers snel te verwerken.
Maar Qing Hu, een professor in MIT's Research Laboratory of Electronics, heeft lasers van speldenknopformaat ontworpen die 250 milliwatt kunnen produceren bij 4,3 terahertz en iets minder dan 100 milliwatt bij 1,5 terahertz. Dat is genoeg kracht om een straal over een afstand van enkele meters te verzenden, deze van een object af te kaatsen en het retoursignaal te gebruiken om een onmiddellijk beeld te creëren. In plaats van één pixel tegelijk af te beelden, zouden de t-stralen kunnen worden opgepikt door een focal plane array, zoals de detector in een videocamera. Hierdoor zou beveiligingspersoneel onder jassen en in koffers kunnen kijken als mensen langslopen. We kunnen een film maken in t-stralen, zegt Hu, wat betekent dat zijn technologie real-time beeldvorming kan bieden.
De sleutel tot Hu's technologie is een kwantumcascadelaser, een kleine halfgeleider met inkepingen op nanometerschaal die kwantumbronnen worden genoemd. In standaardlasers valt een elektron in een hoge energietoestand in een lage energietoestand, waarbij de overtollige energie vrijkomt als een foton van licht. In kwantumcascadelasers valt het elektron in een kwantumput, zendt een foton uit en beweegt dan door een dunne barrière naar de volgende put, waar het een ander foton uitstraalt, enzovoort - net als een pingpongbal die naar beneden gaat, Hu zegt. Het resultaat is veel meer fotonen, en dus krachtiger t-stralen.
Hu's lasers zijn een belangrijk onderdeel van een terahertz-beveiligingsapparaat dat: Sandia Nationaal Laboratorium ontwikkelt zich, zegt Sandia-hoofdonderzoeker Mike Wanke. Het driejarige project in het lab, nu in zijn tweede jaar, heeft tot doel een laserbron en een detector in hetzelfde apparaat te integreren. Dat elimineert complexe optische opstellingen en verbetert de gevoeligheid van de detector met ordes van grootte, zegt Wanke. Hij stelt zich een module voor die kan worden gebruikt om compacte, commercieel levensvatbare t-ray-systemen te maken voor gebruik op luchthavens. We proberen dit zo te maken dat het een kant-en-klaar, drop-in-to-place systeem is, zegt hij. Hij voegt eraan toe dat zodra Sandia een succesvol prototype heeft, bedrijven de uitdaging van productontwikkeling kunnen aangaan.
De lasers moeten lagere frequenties bereiken om het materiaal beter te kunnen doordringen - hoe lager, hoe beter, zegt Hu. Maar lagere frequenties betekenen kleinere kwantumbronnen, die moeilijker nauwkeurig te bouwen zijn. Hu zal niet voorspellen wanneer commerciële systemen beschikbaar kunnen komen.
Maar Xi-Cheng Zhang, directeur van Rensselaer Polytechnic Institute's Centrum voor Terahertz Onderzoek zegt dat Hu altijd het record verbreekt dat hij voor zichzelf zet. Zhang zegt dat verbeteringen in de engineering of het gebruik van verschillende halfgeleidermaterialen waarschijnlijk nog betere kwantumcascadelasers zullen opleveren. Hij verwacht dat de meeste problemen binnen een jaar of twee zijn opgelost. Eén zo'n probleem is dat de lasers werken bij cryogene temperaturen en omvangrijke koelapparatuur vereisen; Hu heeft het record voor de hoogste bedrijfstemperatuur. Nadat dergelijke problemen zijn opgelost, zullen marktkrachten in plaats van technische problemen bepalen hoe lang het duurt voordat een commerciële scanner op een luchthaven verschijnt, zegt Zhang.
Hu zegt dat de technologie van bijzonder belang is voor, naast commerciële luchtvaarttoepassingen, het leger. DARPA [het Defense Advanced Research Projects Agency] is hierin erg geïnteresseerd om zelfmoordterroristen te identificeren, zegt hij. T-stralen zijn niet de enige manier om dit te doen; andere systemen die op de markt komen, maken gebruik van radar- en beeldverwerkingssoftware. (Zie Lopen als een bommenwerper .)
Zhang richtte een bedrijf op, Zomega Terahertz dat maakt een T-ray-detector ter grootte van een laptop die kan worden bevestigd aan een vliegende drone voor detectie op afstand van chemische en biologische stoffen. Hoewel de biljoensten van een watt geproduceerd door de infraroodlaser in het apparaat prima is voor spectroscopische analyse van luchtmonsters, is het niet geschikt voor beeldvorming, en het is onwaarschijnlijk dat de lasertechnologie voldoende zal verbeteren om te worden gebruikt bij de beveiliging van luchthavens, zegt Zhang. Hij is van mening dat kwantumcascadelasers de toekomst zijn van T-ray-detectiesystemen: ze zullen de uiteindelijke winnaar op de markt zijn.