Wissenschaftler der Loughborough University sind die ersten, die zeigen, dass eine Terahertzwellenkamera 3D-Bilder von mikroskopisch kleinen Gegenständen aufnehmen kann, die in kleinen Objekten verborgen sind.
Die leitende Forscherin Dr. Luana Olivieri sagt, obwohl sich die Forschung noch im Anfangsstadium befinde, könnte die neueste Studie des Teams „erhebliche Auswirkungen auf eine Reihe von Bereichen haben, die für Krebsvorsorgeuntersuchungen, Sicherheit und Materialforschung relevant sind“.
Die Forschung, die in Zusammenarbeit mit Professor Marco Peccianti, Dr. Luke Peters, Dr. Juan S. Totero und einem Expertenteam des Emergent Photonics Research Center (EPicX) durchgeführt wird, zeigt, dass Terahertz-Wellen zur Lokalisierung und Erkennung eingebetteter Daten verwendet werden können Objekte und Merkmale wie Risse und Blasen im mikroskopischen dreidimensionalen Raum. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift veröffentlicht ACS Photonik und ist auf der Titelseite der neuesten Ausgabe abgebildet, die heute (21. Juni) veröffentlicht wurde.
Terahertz-Wellen sind ein weitgehend unerforschter Teil des elektromagnetischen Spektrums mit Frequenzen zwischen Mikrowellen- und Infrarotlicht. Sie verfügen über mehrere Eigenschaften, die sie äußerst nützlich machen, beispielsweise ihre Fähigkeit, undurchsichtige Objekte zu durchdringen, ohne Schaden anzurichten.
Eines der Hauptprobleme im Bereich der Terahertz-Bildgebung ist jedoch die eingeschränkte Fähigkeit, mikroskopische Objekte zu betrachten.
Dr. Olivieri und das EPicX-Team haben diese Einschränkung überwunden, indem sie einen einzigartigen Ansatz namens „zeitaufgelöste nichtlineare Geisterbildgebung“ entwickelt haben, der eine Reihe fortschrittlicher Erkennungsmethoden kombiniert und die Manipulation von Licht und die Messung seines zeitlichen Verlaufs durch ein Objekt beinhaltet.
Ihre Methode ermöglicht es, kleinere Objekte klarer zu sehen, obwohl bisher nur nachgewiesen wurde, dass sie bei 2D-Objekten funktioniert.
In ihrer neuesten Studie haben die Forscher bewiesen, dass die Technik 3D-Bilder von mikroskopischen Gegenständen erfassen kann, indem sie 4 mm x 4 mm x 600 µm (Mikrometer) große Würfel mit Terahertz-Strahlung untersuchen.
Die Bildgebungstechnik der Forscher ermöglichte es ihnen, Informationen aus unterschiedlichen Tiefen zu trennen und zu unterscheiden und detaillierte 3D-Bilder der Würfel mit sehr hoher Genauigkeit zu erstellen – wodurch sie die chemische und physikalische Beschaffenheit der darin enthaltenen Gegenstände auf eine Weise beobachten konnten, die zuvor nicht möglich war .
Dr. Olivieri und sein Team konnten in den Würfeln versteckte Merkmale erkennen, die nur 60 Mikrometer groß waren, was ungefähr der Breite eines menschlichen Haares entspricht.
Obwohl es nicht sehr klein erscheint, können Terahertz-Wellen normalerweise nur Objekte identifizieren, die etwa 300 Mikrometer oder größer sind, was der Grund dafür war, dass Terahertz zuvor aus der Mikroskopie ausgeschlossen war.
„Dieser neue Ansatz ist vielversprechend, weil er es uns ermöglicht, Dinge zu sehen, die zu klein oder zu undurchsichtig sind, als dass sie mit herkömmlichen Methoden erreichbar wären“, sagte Dr. Olivieri über die Bedeutung der Studie.
„Die Geschichte darüber zu lesen, wie Licht durch ein Objekt gewandert ist, ist oft eine komplexe Aufgabe, aber mit diesem Prozess können wir die verschlüsselten Informationen abrufen und die mehrdimensionalen Daten entschlüsseln, um verborgene und ‚unsichtbare‘ Objekte auf der Mikroskala zu enthüllen.“
„Vor allem ermöglicht uns Terahertz, mit sichtbarem Licht durch Objekte zu sehen, die nicht transparent sind, und 3D-Bilder zu erzeugen.“
Dr. Peters fügte hinzu: „In der Medizin könnte die Terahertz-Bildgebung zur Erkennung und Diagnose von Hautkrebs eingesetzt werden, der mit bloßem Auge nicht sichtbar ist.“
„Im Sicherheitsbereich könnte es dazu verwendet werden, Menschen auf versteckte Waffen oder Sprengstoffe zu scannen, ohne dass physische Abtastungen oder aufdringliche Durchsuchungen erforderlich sind.“
„Und in der Materialwissenschaft könnte die Terahertz-Bildgebung genutzt werden, um die Eigenschaften neuer Materialien zu untersuchen und Defekte oder Verunreinigungen zu identifizieren, die ihre Leistung beeinträchtigen könnten.“
„Unsere Arbeit ermöglicht es uns, diese Fähigkeiten auf den mikroskopischen Bereich auszudehnen. Ich bin begeistert von dem potenziellen Nutzen für die Gesellschaft.“
Professor Peccianti, Direktor von EPicX, kommentierte: „Diese Arbeit wurde im Rahmen des Emergent Photonics Research Centre an der Loughborough University entwickelt, dessen Aufgabe es ist, einen kritischen Kern von Wissenschaftlern rund um große technologisch-ökonomische und gesellschaftliche Herausforderungen zusammenzustellen und diese durch Photonik und anzugehen.“ Terahertz-Technologien.“
Mehr Informationen:
Luana Olivieri et al., Terahertz Nonlinear Ghost Imaging via Plane Decomposition: Toward Near-Field Micro-Volumetry, ACS Photonik (2023). DOI: 10.1021/acsphotonics.2c01727