دستگاه تراهرتز دستی RIKEN برای اشعه ایکس بدون تشعشعات مضر

محققان RIKEN با استفاده از دستگاه‌های جدید به اندازه کف دست، ممکن است در نهایت باند تراهرتز طیف الکترومغناطیسی را برای اشعه ایکس بدون استفاده از تشعشعات یونیزان مضر استفاده کنند.

اما جایی بین امواج مایکروویو رایج و نور مادون قرمز، منطقه ای نادیده گرفته شده به نام باند تراهرتز قرار دارد. امواج تراهرتز کاربردهای بالقوه هیجان انگیز متعددی دارند، به ویژه به این دلیل که می توان از آنها برای دیدن از طریق یا درون مواد به روشی مشابه با اشعه ایکس استفاده کرد. با این حال، برخلاف اشعه ایکس، امواج تراهرتز تشعشعات یونیزان مخرب را ارسال نمی کنند.

اما فناوری‌های تراهرتز تا کنون ضعیف شده‌اند، زیرا تطبیق فناوری‌های مایکروویو یا نور مرئی با محدوده تراهرتز در اندازه‌ها و توان خروجی مفید دشوار بوده است.

یک استراتژی جایگزین، تولید امواج تراهرتز با تبدیل امواج کوتاه تر و فرکانس ب

الاتر نور مادون قرمز، با استفاده از موادی به نام کریستال های غیرخطی است.

در مرکز فوتونیک پیشرفته RIKEN، ما در حال بررسی این استراتژی دوم هستیم – تولید امواج تراهرتز با تبدیل خروجی از یک لیزر مادون قرمز. این روش به طور سنتی به لیزرهای عظیمی برای تولید امواج تراهرتز با قدرت کافی برای بیشتر کاربردهای عملی نیاز دارد. اما این امر استفاده از فناوری تراهرتز را برای کاربردهای دنیای واقعی محدود کرده است – جایی که دستگاه های قابل حمل برای تجزیه و تحلیل درجا بسیار ارزشمندتر هستند.

در تیم تحقیقاتی Tera-Photonics، که من رهبری آن را بر عهده دارم، ما امیدواریم که بتوانیم منابع موج تراهرتز قدرتمند به اندازه کف دست را برای کاربردها در صنعت و تحقیقات بنیادی توسعه دهیم. ما اخیراً گام‌های بزرگی در جهت این هدف برداشته‌ایم و همکاری‌های صنعتی متعددی در دست اجرا داریم.

دستگاه هایی به اندازه کف دست

ما بر روی استفاده از نیوبات لیتیوم تمرکز کرده‌ایم… یک کریستال غیرخطی که با تابش نور لیزر نزدیک به فروسرخ، پرتوی از امواج تراهرتز تولید می‌کند. زمانی که در سال 2010 رهبری تیم را به عهده گرفتم… علیرغم سالها کار، تولید امواج تراهرتز به اندازه کافی با استفاده از این روش غیرممکن بود.

در آن زمان، ما از یک لیزر مادون قرمز نزدیک با مدت زمان پالس در نانوثانیه استفاده کردیم. نتایج نشان داد که وقتی از پالس‌های لیزر کوتاه‌تر و زیر نانوثانیه استفاده می‌شود، تولید موج تراهرتز به عنوان تابعی از پالس لیزر ورودی تغییر می‌کند. تعجب کردم که چرا اینطور است.

سپس مقاله ای در سال 1993[1] کشف کردم که اثرات طول مدت پالس لیزر در کریستال های غیرخطی را گزارش می کرد. این مطالعه – تجزیه و تحلیل نور مرئی – نشان داد که استفاده از پالس های کوتاهتر باعث کاهش اثر پراکندگی نور به نام پراکندگی بریلوین می شود. من تعجب کردم که آیا با کاهش مدت زمان پالس لیزر، می‌توانیم پراکندگی بریلوئین را از کریستال‌های لیتیوم نیوبات خود به حداقل برسانیم. این ممکن است به ما اجازه دهد تا مقدار بیشتری از نور لیزر را به امواج تراهرتز تبدیل کنیم و توان خروجی را افزایش دهیم.

پالس‌های لیزری

هنگامی که به آزمایشگاه برگشتیم و این نظریه را آزمایش کردیم، از نتیجه شگفت زده شدیم. با استفاده از پالس‌های لیزری زیر نانوثانیه، می‌توانیم از پراکندگی بریلوین فرار کنیم تا توان خروجی موج تراهرتز خود را با شش مرتبه بزرگی از 200 میلی‌وات به 100 کیلووات بهبود دهیم[2]. ما در نهایت انتشار قدرتمندی از یک دستگاه تنها یک متر مربع داشتیم، بسیار کوچکتر از دستگاه های تراهرتز قبلی، که کل اتاق ها را پر می کرد. اما وقتی این دستگاه را به صنعت نشان دادیم، آنها به ما گفتند که هنوز برای کاربردهای دنیای واقعی خیلی بزرگ است.

برای کوچک‌سازی بیشتر منبع موج تراهرتز… شمش کریستال نیوبات لیتیوم را که قبلاً استفاده کرده بودیم، با یک کریستال نازک لیتیوم نیوبات با یک ریزساختار مدوله‌شده با قطبش مصنوعی… که کریستال نیوبات لیتیوم قطبی دوره‌ای (PPLN) نامیده می‌شود، جایگزین کردیم. کریستال PPLN که معمولاً در ناحیه نور مرئی به کار می‌رود… ما را قادر می‌سازد تا یک دستگاه دستی را به دلیل راندمان تبدیل نور بالاتر آن توسعه دهیم.

پس از تجزیه و تحلیل دقیق خواص این نور، در نهایت متوجه شدیم که امواج تراهرتز در حال تولید هستند، اما در جهتی غیرمنتظره. وقتی آشکارساز خود را به پشت آن بردیم، موج تراهرتز را پیدا کردیم[3]. ما در نهایت توانستیم یک نمونه اولیه به اندازه کف دست با راندمان تبدیل بالا و قدرت کافی بسازیم.

به طور قابل توجهی، ما همچنین کشف کردیم که به سادگی با چرخش کریستال، می‌توانیم فرکانس امواج تراهرتز تولید شده را تنظیم کنیم. دستگاه های ما می توانند به طور کامل منطقه حساس زیر تراهرتز طیف را پوشش دهند… که به ویژه برای برنامه های تصویربرداری غیر مخرب مهم است.

جهش کوانتومی

تحقیقات ما بر اساس تبدیل فوتون بین امواج نور و امواج تراهرتز توسط اثرات نوری غیرخطی مبتنی بر فناوری‌های فوتونیک و لیزر بالغ است.  تبدیل امواج تراهرتز به امواج نور در یک فرآیند تبدیل کوانتومی نوری به عقب. و موفق به تشخیص امواج فوق ضعیف تراهرتز تقریباً 50 آتوژول شد که 1000 برابر حساستر از یک بولومتر 4 کلوین است. این نتایج تحقیقات کوانتومی جدیدی را بر اساس تبدیل فوتون کوانتومی تراهرتز به نور ارائه می کند. جدیدترین نتایج ما بر پایه گنجاندن نظریه کوانتومی در کارمان است. و کار آینده ما درهم تنیدگی کوانتومی را بررسی خواهد کرد… جایی که یک ذره کوانتومی به طور مرموزی منعکس کننده دیگری دوردست است – تا حساسیت آشکارسازهای تراهرتز را بهبود بخشد.

برای دیدن محصولات بیشتر میتوانید به سایت اینترنتی YASASTORE مراجعه فرمایید.