211service.com
T-strålar avancerar mot flygplatsscreening
Forskare runt om i världen försöker utnyttja en knappt använd del av det elektromagnetiska spektrumet – terahertzstrålning – för att skanna flygpassagerare efter sprängämnen och illegala droger. Strålarna är särskilt attraktiva: de kan se genom kläder, papper, läder, plast, trä och keramik. De penetrerar inte lika bra som röntgenstrålar, men de skadar inte heller levande vävnad. Och de kan läsa spektroskopiska signaturer, upptäcka skillnaden mellan till exempel hårgelé och ett sprängämne.
Denna lilla grå rektangel, mindre än D i DIME, är en kvantkaskadlaser som kan vara nyckeln till terahertz-avbildningstekniker för framtida utrustning för flygplatsscreening. Lasern är fäst på elektroniken som styr den.
Medan vissa kommersiella system redan finns tillgängliga för begränsade applikationer – en japansk enhet skannar post efter smuggelgods – har en maskin för att skanna flygpassagerare utvecklats långsamt, främst på grund av svårigheten att skapa terahertzstrålning. Den idealiska skannern skulle skicka ut en stråle av t-strålar vid passerande föremål eller mot människor några meter bort, sedan mäta strålarna som reflekteras från försökspersonerna och kontrollera dem mot en databas med spektroskopiska signaturer. Men de flesta befintliga källor till t-strålar ger bara svaga strålar, vilket gör upptäckten långsammare och svårare.
Nu kan en MIT-professor vara på väg att lösa detta problem med en ny typ av laser.
En typisk metod för att producera t-strålar – som ligger mellan infrarött ljus och mikrovågor på det elektromagnetiska spektrumet; frekvenser mellan cirka 0,5 och 4,0 terahertz är av det mest intressanta - är att använda en laser som producerar infrarött ljus och, genom optisk manipulation, återställa det till terahertz-frekvenser. Den resulterande effekten mäts i miljondelar, eller till och med biljondelar, av watt. För att detektorn ska fånga upp den typen av mycket svag signal, måste strålen långsamt skannas över ett objekt på nära avstånd och bygga en bild en pixel i taget. Den alternativa källan är en enorm gaslaser som tar upp en hel labbänkskiva. Det är inte heller praktiskt för att snabbt hantera tusentals flygresenärer.
Men Qing Hu, professor vid MIT:s forskningslaboratorium för elektronik, har designat lasrar i pinheadstorlek som kan producera 250 milliwatt vid 4,3 terahertz och något mindre än 100 milliwatt vid 1,5 terahertz. Det är tillräckligt med kraft för att skicka en stråle över ett avstånd på flera meter, studsa den från ett föremål och använda retursignalen för att skapa en omedelbar bild. Istället för att avbilda en pixel i taget kan t-strålarna fångas upp av en fokalplansmatris, som detektorn i en videokamera. Detta skulle göra det möjligt för säkerhetspersonal att se under rockar och in i resväskor när människor går förbi. Vi kan göra en film i t-strålar, säger Hu, vilket betyder att hans teknik kan ge realtidsbilder.
Nyckeln till Hus teknologi är en kvantkaskadlaser, liten halvledare med fördjupningar i nanometerskala som kallas kvantbrunnar etsade in i den. I standardlasrar faller en elektron i ett högenergitillstånd till ett lågenergitillstånd och frigör överskottsenergin som en foton av ljus. I kvantkaskadlasrar faller elektronen ner i en kvantbrunn, avger en foton och rör sig sedan genom en tunn barriär till nästa brunn, där den avger en annan foton, och så vidare – precis som en pingisboll som går ner, Hu säger. Resultatet är många fler fotoner, och därmed mer kraftfulla t-strålar.
Hus lasrar är en nyckelkomponent i en terahertz-säkerhetsenhet som Sandia National Laboratory håller på att utvecklas, säger Sandias huvudutredare Mike Wanke. Det treåriga projektet på labbet, nu inne på sitt andra år, syftar till att integrera en laserkälla och en detektor i samma enhet. Det eliminerar komplexa optiska inställningar och förbättrar detektorns känslighet i storleksordningar, säger Wanke. Han tänker sig en modul som kan användas för att göra kompakta, kommersiellt gångbara t-raysystem för användning på flygplatser. Vi försöker göra det här så att det är ett nyckelfärdigt, drop-in-place-system, säger han. Han tillägger att när Sandia väl har en framgångsrik prototyp kan företag ta sig an utmaningen med produktutveckling.
Lasrarna måste nå lägre frekvenser för att göra ett bättre jobb med att penetrera material – ju lägre desto bättre, säger Hu. Men lägre frekvenser innebär mindre kvantbrunnar, som är svårare att bygga exakt. Hu kommer inte att förutsäga när kommersiella system kan vara tillgängliga.
Men Xi-Cheng Zhang, chef för Rensselaer Polytechnic Institute Centrum för Terahertzforskning säger att Hu alltid slår rekordet han sätter för sig själv. Zhang säger att antingen förbättringar i konstruktionen eller användningen av olika halvledarmaterial sannolikt kommer att göra ännu bättre kvantkaskadlasrar. Han räknar med att de flesta problemen är lösta inom ett eller två år. Ett sådant problem är att lasrarna arbetar vid kryogena temperaturer och kräver skrymmande kylutrustning; Hu har rekordet för högsta driftstemperatur. Efter att sådana problem är lösta kommer marknadskrafterna snarare än tekniska problem att avgöra hur lång tid det tar för en kommersiell skanner att dyka upp på en flygplats, säger Zhang.
Hu säger att tekniken är av särskilt intresse för, förutom kommersiella flygresor, militären. DARPA [Defense Advanced Research Projects Agency] är mycket intresserad av detta för att identifiera självmordsbombare, säger han. T-strålar är inte det enda sättet att göra detta; andra system som når marknaden använder radar och mjukvara för bildbehandling. (Se Gå som en bombplan.)
Zhang grundade ett företag, Zomega Terahertz som gör en T-ray-detektor i laptopstorlek som kan fästas på en flygande drönare för fjärrdetektering av kemiska och biologiska ämnen. Medan de biljondelar av en watt som produceras av den infraröda lasern i enheten är bra för spektroskopisk analys av luftprover, är den inte tillräcklig för avbildning, och lasertekniken kommer sannolikt inte att förbättras tillräckligt för att användas i flygplatssäkerhet, säger Zhang. Han tror att kvantkaskadlasrar är framtiden för T-ray-detektionssystem: De kommer att bli den slutliga vinnaren på marknaden.