创新微型激光器在药物质量控制、医学诊断、飞机安全等方面具有潜在的应用前景

美国普林斯顿大学(princeton)领导的一个研究团队开发了一套成像系统，该系统使用激光，体积小、效率高，足以安装在微型芯片上。

该团队通过使用该系统对美国的一个季度进行图像处理，展示了该系统的分辨率。像鹰翅膀上的羽毛一样细小的细节，只有五分之一毫米宽，清晰可见。

该系统发射并探测太赫兹频率的电磁辐射——高于无线电波，但低于用于热成像的长波红外线。使用太赫兹辐射成像长期以来一直是工程师们的目标，但在这个频率范围内创建实用系统的难度阻碍了大多数应用，导致了工程师们所说的“太赫兹间隙”。

一种新的成像技术可以快速测量固体的化学成分。传统的药丸样本图像显示在左边;在右边，用太赫兹频率观察同一个表面，可以看到不同颜色的不同成分。这样的图像将有助于药品生产的质量控制和发展，以及医学诊断。

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“在这里，我们有一项革命性的技术，它没有任何移动部件，而是利用半导体芯片发出的太赫兹辐射，”普林斯顿大学(Princeton University)电气工程副教授、研究团队的领导者之一杰拉德·维索基(Gerard Wysocki)说。

太赫兹辐射可以穿透织物和塑料等物质，它是非电离的，因此对医疗使用是安全的，可以用来观察在其他频率难以成像的材料。例如，它有可能被用作皮肤癌的诊断工具，甚至其成像金属的能力可以用于测试飞机机翼在飞行中被物体击中后的损伤。

发表在《光学》(Optica)杂志6月刊上的一篇论文描述了这种新系统，它可以快速探测分子的身份和排列，或暴露材料的结构损伤。

该装置使用精确频率下稳定的辐射束。这种装置被称为频率梳，因为它包含多个“齿”，每个齿发出不同的、定义明确的辐射频率。辐射与样品材料中的分子相互作用。双梳结构使仪器能够有效地测量反射辐射。反射辐射中独特的模式或光谱特征使研究人员能够识别样品的分子组成。

虽然目前太赫兹成像技术生产成本昂贵，操作不便，但新系统基于半导体设计，成本更低，每秒可以生成许多图像。这一速度可以使其有用的实时质量控制的制药片剂生产线和其他快节奏的用途。

威索基说:“想象一下，每100微秒就有一台平板电脑经过，你可以检查它的结构是否一致，你所期望的每一种成分是否都足够了。”

电气工程副教授Gerard Wysocki(左)和助理研究学者Jonas Westberg帮助创建了一种新的太赫兹成像系统，这是朝着开发便携式扫描仪迈出的重要一步，该扫描仪可以快速测量药物中的分子或对患者皮肤组织进行分类。

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David Kelly Crow

为了证明这一概念，研究人员发明了一种片剂，该片剂含有三种药物中常见的惰性成分——葡萄糖、乳糖和组氨酸。太赫兹成像系统识别了每一种成分，并揭示了它们之间的界限，以及一些化学物质溢出到不同区域的点。这类“热点”代表了制药生产中经常出现的问题，即活性成分没有正确地混合到药片中。

虽然该技术使太赫兹成像技术在工业和医学上的应用比以前更加可行，但它仍然需要冷却到低温，这是实际应用的一个主要障碍。许多研究人员正在研究可能在室温下工作的激光器。普林斯顿大学的研究小组说，他们的双梳高光谱成像技术将能很好地与这些新的室温激光光源配合使用，这可能会开启更多的用途。

除了威索基，论文的普林斯顿作者还包括前访问研究生卢卡斯·斯特彻斯基(Lukasz Sterczewski)(目前是美国宇航局喷气推进实验室的博士后学者)和副研究员乔纳斯·韦斯特伯格(Jonas Westberg)。其他合著者还有麻省理工学院的杨洋、戴维•伯格霍夫和胡庆;以及桑迪亚国家实验室的约翰·雷诺。

由Lukasz A. Sterczewski、Jonas Westberg、Yang Yang、David Burghoff、John Reno、Qing Hu和Gerard Wysocki合著的《用双芯片尺度梳子进行太赫兹高光谱成像》发表在Optica杂志6月刊上(第6卷，第6期，第766-771页，DOI: 10.1364/ Optica .6.000766)。美国国防部高级研究计划局和美国能源部为这项研究提供了部分支持。