使用单像素太赫兹传感器检测材料中隐藏的缺陷
发布时间：2023-11-07 09:46:35 阅读数： 125
单像素衍射太赫兹传感器的示意图，该传感器可利用快照照明检测三维样品中隐藏的缺陷，以及其三维打印原型的照片。图片来源：加州大学洛杉矶分校 Ozcan 实验室。
在工程和材料科学领域，探测材料内部的隐藏结构或缺陷至关重要。传统的太赫兹成像系统依靠太赫兹波穿透不透明材料的独特特性，用于揭示各种相关材料的内部结构。
这种能力为工业质量控制、安全检查、生物医学和国防等众多应用领域提供了前所未有的优势。然而，大多数现有的太赫兹成像系统吞吐量有限，设置笨重，而且需要光栅扫描才能获取隐藏特征的图像。
为了改变这种模式，加州大学洛杉矶分校塞缪利工程学院和加州纳米系统研究所的研究人员开发了一种独特的太赫兹传感器，它能利用单像素光谱太赫兹探测器快速检测目标样品体积内隐藏的缺陷或物体。
与传统的逐点扫描和基于数字图像形成的方法不同，这种传感器只需一张快照就能检测到太赫兹辐射照射下的测试样品体积，而无需形成或数字处理样品图像。
该传感器由加州大学洛杉矶分校电气与计算机工程系校长教授 Aydogan Ozcan 博士和诺斯罗普-格鲁曼公司捐赠讲座教授 Mona Jarrahi 博士领导，是一种全光学处理器，善于搜索和分类由隐藏缺陷衍射引起的意外波源。论文发表在《自然-通讯》杂志上。
"奥兹坎博士同时也是加州大学洛杉矶分校加州纳米系统研究所的副所长，他说："这是我们看待和利用太赫兹成像和传感方式的一次转变，我们将从传统方法转向更高效、人工智能驱动的全光学传感系统。
这种新型传感器由一系列衍射层组成，利用深度学习算法进行自动优化。训练完成后，这些衍射层将通过 3D 打印等增材制造方法转化为物理原型。这样，系统就能进行全光学处理，而无需进行繁琐的光栅扫描或数字图像捕捉/处理。
奥兹坎博士说："这就好比传感器拥有了自己的内置智能，"他将其与之前人工智能设计的光学神经网络相提并论。"我们的设计包括几个衍射层，可根据被测材料中是否存在隐藏结构或缺陷来修改输入太赫兹频谱。可以认为，这赋予了我们的传感器以光速'感知'和'响应'的能力。
为了展示他们的新概念，加州大学洛杉矶分校的研究小组利用3D打印技术制造了一个衍射太赫兹传感器，并成功检测到了硅样品中的隐藏缺陷。这些样品由堆叠的硅片组成，其中一层含有缺陷，而另一层则掩盖了缺陷。该智能系统准确地揭示了各种形状和位置的未知隐藏缺陷的存在。
研究小组认为，他们的衍射缺陷传感器框架还可以在红外线和 X 射线等其他波长上工作。这种多功能性预示着从制造质量控制到安全检查，甚至文化遗产保护等众多应用领域。
这种非成像方法的简便性、高通量和成本效益有望在速度、效率和精度要求极高的应用领域取得变革性进展。
参考资料
Jingxi Li et al, Rapid sensing of hidden objects and defects using a single-pixel diffractive terahertz sensor, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-42554-2
