Światło strukturyzowane
Wiązki wektorowe
Popularnonaukowy opis projektu
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.
Układ pomiarowy
Konfiguracja THz TDS do eksperymentów wirowych.
InAs (arsenek galu) – emiter promieniowania THz
BS – rozdzielacz wiązki,
PBS – polaryzacyjna kostka rozdzielająca,
M1-M3 – zwierciadła,
PCD – detektor fotoprzewodzący,
OPM1,2 – zwierciadła paraboliczne,
EM – zwierciadło krawędziowe,
RM – retroleflektor,
c – kolimator światłowodowy,
Laboratorium Technik Femtosekundowych
Jedno z najmłodszych i najnowocześniej wyposażonych laboratoriów na Wydziale Fizyki Politechniki Warszawskiej.
W laboratorium prowadzone są prace badawcze nad metodami emisji i detekcji promieniowania terahercowego oraz własnościami optycznymi wielu materiałów, w szczególności polimerów oraz półprzewodników, o potencjalnych zastosowaniach w budowie urządzeń fotonicznych.
W przypadku materiałów polimerowych prace poświęcone są przede wszystkim zjawiskom: elektrooptycznemu, fotochromowemu oraz absorpcji dwufotonowej. Dla półprzewodników badane są: dynamika rekombinacji nośników w zakresie 100 fs do 1 ns w tym pomiary czasu życia nośników w konfiguracji odbiciowej, pomiary fotoluminescencji czasowo-rozdzielczej za pomocą kamery smugowej. Dokonywane są pomiary rozdzielczości czasowej szybkich fotodetektorów LTG GaAs MSM oraz przełączników fotoprzewodzących. Stosowaną techniką pomiarową jest próbkowanie pola elektrycznego za pomocą kryształu elektrooptycznego (Electro Optics Sampling).
Więcej informacji na stronie Laboratorium.
Promieniowanie terahercowe
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:
- optyczne z wykorzystaniem laserów impulsowych (m.in. femtosekundowych):
- elementy fotoprzewodzące z półprzewodników o ultra krótkim czasie życia nośników (LTG GaAs)
- emisja teraherców z powierzchni półprzewodników (p-InAs)
- prostowanie optyczne w kryształach nieliniowych
- femtosukundowa filamentacja w powietrzu i innych gazach
- elektroniczne:
- powielanie częstotliwości
- kwantowe lasery kaskadowe
- emisja teraherców w tranzystorach polowych (2D plasma resonance)
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).