T-stråler rykker mod lufthavnsscreening

Forskere over hele verden forsøger at udnytte en knap brugt del af det elektromagnetiske spektrum – terahertz-stråling – for at scanne flypassagerer for sprængstoffer og ulovlige stoffer. Strålerne er særligt attraktive: de kan se gennem tøj, papir, læder, plastik, træ og keramik. De trænger ikke så godt ind som røntgenstråler, men de beskadiger heller ikke levende væv. Og de kan læse spektroskopiske signaturer og opdage forskellen mellem f.eks. hårgelé og et sprængstof.

Dette lille grå rektangel, mindre end D i DIME, er en kvantekaskadelaser, der kan være nøglen til terahertz-billedteknologier til fremtidige screeningsenheder i lufthavne. Laseren er fastgjort til elektronik, der styrer den.

Mens nogle kommercielle systemer allerede er tilgængelige til begrænsede applikationer – en japansk enhed scanner post for smugleri – har en maskine til at scanne flypassagerer været langsom med at udvikle sig, hovedsageligt på grund af vanskeligheden ved at skabe terahertz-strålingen. Den ideelle scanner ville udsende en stråle af t-stråler ved forbipasserende objekter eller mod mennesker et par meter væk, og derefter måle strålerne, der reflekteres fra forsøgspersonerne, og kontrollere dem mod en database med spektroskopiske signaturer. Men de fleste eksisterende kilder til t-stråler giver kun svage stråler, som gør detektion langsommere og sværere.

Nu kan en MIT-professor være på nippet til at løse dette problem med en ny type laser.

En typisk metode til at producere t-stråler – som ligger mellem infrarødt lys og mikrobølger på det elektromagnetiske spektrum; frekvenser mellem omkring 0,5 og 4,0 terahertz er af den største interesse - er at bruge en laser, der producerer infrarødt lys, og gennem optisk manipulation genindstille det til terahertz-frekvenser. Det resulterende output måles i milliontedele eller endda trilliontedele watt. For at detektoren kan opfange den slags meget svage signaler, skal strålen langsomt scannes hen over et objekt på kort afstand og bygge et billede en pixel ad gangen. Den alternative kilde er en enorm gaslaser, der optager en hel laboratoriebordplade. Det er heller ikke praktisk til hurtig behandling af tusindvis af flyrejsende.

Men Qing Hu, en professor i MIT's Research Laboratory of Electronics, har designet lasere i størrelse med nålehoved, der kan producere 250 milliwatt ved 4,3 terahertz og lidt mindre end 100 milliwatt ved 1,5 terahertz. Det er nok kraft til at sende en stråle over en afstand på flere meter, kaste den fra et objekt og bruge retursignalet til at skabe et øjeblikkeligt billede. I stedet for at afbilde én pixel ad gangen, kunne t-strålerne opfanges af et focal plane-array, ligesom detektoren i et videokamera. Dette ville gøre det muligt for sikkerhedspersonalet at se under frakker og ind i kufferter, når folk går forbi. Vi er i stand til at lave en film i t-stråler, siger Hu, hvilket betyder, at hans teknologi kan give billeddannelse i realtid.

Nøglen til Hus teknologi er en kvantekaskadelaser, lillebitte halvleder med fordybninger i nanometerskala kaldet kvantebrønde ætset ind i den. I standardlasere falder en elektron i en højenergitilstand ned i en lavenergitilstand og frigiver den overskydende energi som en foton af lys. I kvantekaskadelasere falder elektronen ned i en kvantebrønd, udsender en foton og bevæger sig derefter gennem en tynd barriere til den næste brønd, hvor den udsender en anden foton, og så videre – ligesom en pingpongbold, der går nedenunder, Hu siger. Resultatet er mange flere fotoner og dermed mere kraftfulde t-stråler.

Hu's lasere er en nøglekomponent i en terahertz-sikkerhedsenhed, der Sandia National Laboratory udvikler sig, siger Sandias hovedefterforsker Mike Wanke. Det treårige projekt på laboratoriet, nu på sit andet år, har til formål at integrere en laserkilde og en detektor i den samme enhed. Det eliminerer komplekse optiske opsætninger og forbedrer detektorfølsomheden i størrelsesordener, siger Wanke. Han forestiller sig et modul, der kan bruges til at lave kompakte, kommercielt levedygtige t-ray-systemer til brug i lufthavne. Vi forsøger at lave det her, så det er et nøglefærdigt drop-in-place-system, siger han. Han tilføjer, at når først Sandia har en succesfuld prototype, kan virksomheder tackle udfordringen med produktudvikling.

Laserne skal nå lavere frekvenser for at gøre et bedre stykke arbejde med at penetrere materiale - jo lavere, jo bedre, siger Hu. Men lavere frekvenser betyder mindre kvantebrønde, som er sværere at bygge præcist. Hu vil ikke forudsige, hvornår kommercielle systemer kan være tilgængelige.

Men Xi-Cheng Zhang, direktør for Rensselaer Polytechnic Institute Center for Terahertz-forskning siger, at Hu altid slår den rekord, han sætter for sig selv. Zhang siger, at enten forbedringer i konstruktionen eller brugen af ​​forskellige halvledermaterialer sandsynligvis vil gøre endnu bedre kvantekaskadelasere. Han forventer, at de fleste problemer vil være løst om et år eller to. Et sådant problem er, at laserne fungerer ved kryogene temperaturer og kræver omfangsrigt køleudstyr; Hu har rekorden for højeste driftstemperatur. Efter at sådanne problemer er løst, vil markedskræfterne snarere end tekniske problemer afgøre, hvor lang tid det tager for en kommerciel scanner at dukke op i en lufthavn, siger Zhang.

Hu siger, at teknologien er af særlig interesse for, ud over kommercielle flyrejser, militæret. DARPA [Defense Advanced Research Projects Agency] er meget interesseret i dette for at identificere selvmordsbombere, siger han. T-stråler er ikke den eneste måde at gøre dette på; andre systemer, der når markedet, bruger radar og vision-behandlingssoftware. (Se Gå som en bombeflyver.)

Zhang grundlagde et firma, Zomega Terahertz der laver en T-ray-detektor i bærbar størrelse, der kan sættes på en flyvende drone til fjerndetektion af kemiske og biologiske stoffer. Mens trilliontedelene af en watt produceret af den infrarøde laser i enheden er fint til spektroskopisk analyse af luftprøver, er det ikke tilstrækkeligt til billeddannelse, og laserteknologien vil sandsynligvis ikke forbedre nok til at blive brugt i lufthavnssikkerhed, siger Zhang. Han mener, at kvantekaskadelasere er fremtiden for T-stråledetektionssystemer: De vil være den endelige vinder på markedet.

skjule