Opis popularnonaukowy

Układ pomiarowy

Zespół

Podstawy teoretyczne

Laboratorium Technik Femtosekundowych

Nowa generacja skanerów terahercowych o wyższej rozdzielczości

Pasma absorpcji niemal wszystkich materiałów wybuchowych znajdują się w zakresie promieniowania terahercowego, co sprawia, że jest ono bardzo skuteczne w ich wykrywaniu. Obecnie skanery terahercowe pełnią ważną rolę w przeciwdziałaniu zagrożeniom terrorystycznym, umożliwiając wykrywanie niedozwolonych przedmiotów przenoszonych przez podróżnych na lotniskach. Jednak, ze względu na znacznie większą długość fali terahercowej niż promieniowania rentgenowskiego, w dostępnych komercyjnie skanerach terahercowych nie można uzyskać tak wysokiej rozdzielczości, jak w przypadku skanerów rentgenowskich. Z tego powodu, obrazy ze skanerów terahercowych są mocno rozmyte i mało szczegółowe. Dr inż. Krzysztof Świtkowski z Wydziału Fizyki Politechniki Warszawskiej pracuje nad poprawieniem rozdzielczości obrazowania terahercowego.

Promieniowanie terahercowe to zakres promieniowania elektromagnetycznego, który znajduje się między mikrofalami a daleką podczerwienią. Zakres ten przez długi czas nie był atrakcyjny aplikacyjnie, gdyż nie istniały praktyczne źródła ani detektory tego promieniowania. Postęp technologiczny, jaki nastąpił  w ostatnich dziesięciu latach, sprawił, że fale terahercowe są aktualnie z powodzeniem wykorzystywane na skalę przemysłową, przede wszystkim w skanerach służących wykrywaniu niebezpiecznych przedmiotów. Co ważne, promieniowanie terahercowe w przeciwieństwie do promieniowania rentgenowskiego jest nie jonizujące i jest zupełnie bezpieczne dla organizmów żywych. Z tego powodu skanery terahercowe mogą być stosowane do częstego i bezinwazyjnego skanowania ludzi, np. w bramkach na lotniskach, przy wejściach do metra, w ambasadach lub innych jednostkach dyplomatycznych. Mankamentem obrazowania terahercowego jest jednak duże rozmycie konturów skanowanych przedmiotów i brak szczegółowości.

„Celem  mojego projektu jest wygenerowanie promieniowania terahercowego o wyjątkowych własnościach – tzw. wiązek wirowych. Następnie zbadamy potencjał aplikacyjny tych wiązek, pod kątem zastosowania ich do konstrukcji skanerów o zwiększonej rozdzielczości” – mówi dr inż. Krzysztof Świtkowski, laureat programu HOMING 5/2018 Fundacji na rzecz Nauki Polskiej.

Wiązki wirowe, ale w odniesieniu do zakresu optycznego fal elektromagnetycznych czyli światła, są już dobrze znane. Ich odkrycie zaowocowało wieloma spektakularnymi zastosowaniami, np. mikroskopią STED, za którą w 2014 roku przyznano Nagrodę Nobla. W mikroskopii tej kluczowym elementem jest użycie dodatkowej wiązki wirowej w celu selektywnego wygaszania fluorescencji w próbkach. Dzięki zastosowaniu takiej wiązki zwiększono rozdzielczość przestrzenną uzyskiwanych obrazów w porównaniu do tradycyjnej mikroskopii fluorescencyjnej. „Innowacyjność mojego projektu polega na synergii techniki terahercowej z najnowszymi osiągnięciami optyki. Zamierzam wypróbować kilka innowacyjnych metod generacji wiązek wirowych w odniesieniu do promieniowania terahercowego, a następnie wykorzystać je do zbudowania laboratoryjnego skanera terahercowego o zwiększonej rozdzielczości. Powstały skaner laboratoryjny powinien cechować się większą szczegółowością i ostrością detali w uzyskiwanych obrazach. W dalszej perspektywie skanery takie mogą służyć nie tylko do wykrywania zagrożeń, ale także mogą być wykorzystane w mikroskopii terahercowej np. do szybkiej diagnostyki nowotworów” – podkreśla dr inż. Świtkowski.

Dr inż. Krzysztof Świtkowski ukończył studia na kierunku fizyka techniczna na Wydziale Fizyki Politechniki Warszawskiej oraz Electrical and Computer Engineering  na Uniwersytecie Rochester (USA),  obronił doktorat w dziedzinie nauk fizycznych na Wydziale Fizyki Politechniki Warszawskiej oraz odbył trzyletni staż naukowy na Uniwersytecie Texas A&M w Katarze.

Promieniowanie terahercowe to zakres promieniowania elektromagnetycznego pomiędzy mikrofalami i podczerwienią. Jeszcze kilkadziesiąt lat temu, ze względu na brak wydajnych metod jego generowania i wykrywania, nie był on łatwo dostępny – określano go mianem „luki terahercowej” (ang. THz gap) w widmie elektromagnetycznym. Zakres ten dzielił w pewnym sensie widmo ze względu metody generacji promieniowania elektromagnetycznego: na te oparte o elektronikę/radiotechnikę (dla niższych częstotliwości) oraz o fotonikę/optoelektronikę.

Z czasem badacze zaczęli osiągać częstotliwości większe niż 100 GHz drogą elektroniczną. Równocześnie posuwały się prace nad generacją teraherców od strony optycznej – dzięki pojawieniu się dostępnych komercyjnie kompaktowych źródeł femtosekundowych, lasery pulsacyjne i związany z nimi postęp w optyce nieliniowej – powodowały wypełnianie tej „przerwy”, systematycznie ją zwężając. Obecnie termin „przerwy terahercowej” nie ma już takiego znaczenia – na rynku dostępnych jest wiele źródeł promieniowania z tego zakresu.

Metody generacji promieniowania terahercowego:

Zalety promieniowania terahercowego:

• Niska energia fotonu – na poziomie kilku meV (foton o częstotliwości 1 THz ma energię około 4 meV) – promieniowanie w żaden sposób nie jest szkodliwie dla żywych organizmów i próbek biologicznych oraz nie działa destrukcyjne na badane próbki materii
• W jego zakresie znajduje się wiele charakterystycznych pików absorpcji dla związków chemicznych i materiałów biologicznych, m.in. materiałów wybuchowych
• Wiele materiałów jest przezroczystych dla promieniowania THz (np. teflon), dzięki tej przenikliwości możliwe jest „prześwietlanie” obiektów (głównie dielektryków)
• Jest dobrze przystosowane do telekomunikacji o dużej przepływności, ze względu na dużą długość fali, wykazuje niewielkie rozpraszanie podczas rozchodzenia się przez dym, kurz…

Ze względu na swoje wyjątkowe właściwości promieniowanie terahercowe znalazło wiele zastosowań w nauce, nowych technologiach, przemyśle. Do najważniejszych zastosowań należą: skanery THz w przemyśle samochodowym i tworzyw sztucznych, skanery bezpieczeństwa materiałów wybuchowych, spektroskopia THz w farmacji, aplikacjach biomedycznych, w konserwacji dzieł sztuki, spektroskopia w dziedzinie czasu THz, telekomunikacja.

Zwiększone zainteresowanie terahercami, pobudziło ich szybki postęp, dając wiele nowych sposobów generowania i wykrywania promieniowania z tego zakresu. Od kilku lat nauka o THz stała się jednym z bardziej pożądanych tematów w fizyce, elektronice i fotonice (4,6 tys. opublikowanych prac naukowych w 2016 r. według Web of Science z hasłem „teraherc” jako szukany termin).