Forscher ausUCLAhaben eine entwickeltTerahertzModulator, der über einen weiten Bereich des Terahertz-Bandes mit sehr hoher Effizienz und Signalklarheit arbeitet, was letztendlich zu fortschrittlicheren medizinischen und sicherheitstechnischen Bildgebungssystemen führen könnte.
Ein Forschungsteam der UCLA Henry Samueli School of Engineering and Applied Science hat einen bahnbrechenden Breitbandmodulator entwickelt, der schließlich zu fortschrittlicheren Bildgebungssystemen für Medizin und Sicherheit führen könnte.
Modulatoren manipulieren die Intensität elektromagnetischer Wellen. Modulatoren in Mobiltelefonen wandeln beispielsweise Radiowellen in digitale Signale um, die die Geräte nutzen und verstehen können. In Terahertz-basierten Kommunikations- und Bildgebungssystemen verändern sie die Intensität von Terahertz-Wellen.
Heutige Technologien nutzen viele Teile des elektromagnetischen Spektrums – insbesondere Licht- und Radiowellen –, arbeiten jedoch selten im Terahertz-Band, das im Spektrum zwischen Infrarot und Mikrowelle liegt.
Unter der Leitung von Mona Jarrahi, außerordentlicher Professorin für Elektrotechnik an der UCLA, entwickelte die Gruppe einen Terahertz-Modulator, der in einem weiten Bereich des Terahertz-Bandes mit sehr hoher Effizienz und Signalklarheit funktioniert. Zu den Vorteilen des Geräts gehört, dass es problemlos in bestehende Herstellungsprozesse für integrierte Schaltkreise integriert werden kann, bei Raumtemperatur betrieben werden kann und für den Betrieb keine externe Lichtquelle erforderlich ist.
Das Terahertz-Band war Gegenstand umfangreicher Forschung, vor allem wegen seines Potenzials für medizinische Bildgebung und chemische Sensortechnologien. Mithilfe von Terahertz-Wellen könnte beispielsweise menschliches Gewebe auf Krankheitszeichen untersucht werden, ohne dass Zellen geschädigt werden oder andere Gesundheitsrisiken durch Röntgenstrahlen entstehen. Sie könnten auch bei Sicherheitsüberprüfungen eingesetzt werden, um Stoffe oder Kunststoffe zu durchdringen, die Waffen verbergen.
Aktuelle optische Modulatoren, die natürlich vorkommende Materialien wie Silizium oder Flüssigkristalle verwenden, um die Intensität von Lichtwellen zu manipulieren, haben sich bei Terahertz-Frequenzen als sehr ineffizient erwiesen. Und Modulatoren auf Basis künstlicher Materialien, sogenannteMetamaterialienBisher sind sie nur begrenzt einsetzbar, da sie nur in einem schmalen Band des Terahertz-Bereichs arbeiten.
Der neue Modulator basiert auf einer innovativen künstlichen Metaoberfläche – einer Art Oberfläche mit einzigartigen Eigenschaften, die durch die Geometrie ihrer einzelnen Bausteine und deren Anordnung definiert wird. Die von Jarrahis Team entwickelte Metaoberfläche besteht aus einer Reihe mikroelektromechanischer Einheiten, die mithilfe elektrischer Spannung geöffnet und geschlossen werden können. Durch das Öffnen oder Schließen der Metaoberfläche wird die eintreffende Terahertz-Welle in eine entsprechende Reihe von Nullen oder Einsen kodiert, die dann in Bilder umgewandelt werden.
„Unsere neue Metaoberfläche erweitert den Bereich der Metamaterialien zum ersten Mal auf den Breitbandbetrieb und verringert viele der grundlegenden physikalischen Einschränkungen bei der Leitung und Manipulation von Terahertz-Wellen, insbesondere in Terahertz-Bildgebungs- und Spektroskopiesystemen“, sagte Jarrahi. „Die Geometrie unseres Geräts kann von einer Reihe mikroskaliger Metallinseln zu einer Reihe miteinander verbundener Metallschleifen wechseln und so seine elektromagnetischen Eigenschaften von einer transparenten Oberfläche zu einer reflektierenden Oberfläche ändern, die die Intensität der durch sie hindurchtretenden Terahertzwellen über einen breiten Frequenzbereich manipuliert.“
Die Forschung wurde am 16. Juli in der Zeitschrift Nature veröffentlichtWissenschaftliche Berichte.
Die Hauptautoren der Studie sind Mehmet Unlu und Mohammed Reza Hashemi, die Postdoktoranden in Jarrahis Gruppe waren, als sie Mitglied der Fakultät an der University of Michigan war. Weitere Autoren sind Christopher Berry und Shenglin Li, ehemalige Studenten in Jarrahis Gruppe, sowie Shang Hua Yang, ein aktueller Doktorand an der UCLA.
Die Forschung wurde von der Sensor and Sensing Systems Division der National Science Foundation und einem Young Investigator Award des Army Research Office finanziert.
Referenz: „Switchable Scattering Meta-Surfaces for Broadband Terahertz Modulation“ von M. Unlu, M. R. Hashemi, C. W. Berry, S. Li, S.-H. Yang und M. Jarrahi, 16. Juli 2014,Wissenschaftliche Berichte.
DOI: 10.1038/srep05708
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Forscher ausUCLAhaben eine entwickeltTerahertzModulator, der über einen weiten Bereich des Terahertz-Bandes mit sehr hoher Effizienz und Signalklarheit arbeitet, was letztendlich zu fortschrittlicheren medizinischen und sicherheitstechnischen Bildgebungssystemen führen könnte.
Ein Forschungsteam der UCLA Henry Samueli School of Engineering and Applied Science hat einen bahnbrechenden Breitbandmodulator entwickelt, der schließlich zu fortschrittlicheren Bildgebungssystemen für Medizin und Sicherheit führen könnte.
Modulatoren manipulieren die Intensität elektromagnetischer Wellen. Modulatoren in Mobiltelefonen wandeln beispielsweise Radiowellen in digitale Signale um, die die Geräte nutzen und verstehen können. In Terahertz-basierten Kommunikations- und Bildgebungssystemen verändern sie die Intensität von Terahertz-Wellen.
Heutige Technologien nutzen viele Teile des elektromagnetischen Spektrums – insbesondere Licht- und Radiowellen –, arbeiten jedoch selten im Terahertz-Band, das im Spektrum zwischen Infrarot und Mikrowelle liegt.
Unter der Leitung von Mona Jarrahi, außerordentlicher Professorin für Elektrotechnik an der UCLA, entwickelte die Gruppe einen Terahertz-Modulator, der in einem weiten Bereich des Terahertz-Bandes mit sehr hoher Effizienz und Signalklarheit funktioniert. Zu den Vorteilen des Geräts gehört, dass es problemlos in bestehende Herstellungsprozesse für integrierte Schaltkreise integriert werden kann, bei Raumtemperatur betrieben werden kann und für den Betrieb keine externe Lichtquelle erforderlich ist.
Das Terahertz-Band war Gegenstand umfangreicher Forschung, vor allem wegen seines Potenzials für medizinische Bildgebung und chemische Sensortechnologien. Mithilfe von Terahertz-Wellen könnte beispielsweise menschliches Gewebe auf Krankheitszeichen untersucht werden, ohne dass Zellen geschädigt werden oder andere Gesundheitsrisiken durch Röntgenstrahlen entstehen. Sie könnten auch bei Sicherheitsüberprüfungen eingesetzt werden, um Stoffe oder Kunststoffe zu durchdringen, die Waffen verbergen.
Aktuelle optische Modulatoren, die natürlich vorkommende Materialien wie Silizium oder Flüssigkristalle verwenden, um die Intensität von Lichtwellen zu manipulieren, haben sich bei Terahertz-Frequenzen als sehr ineffizient erwiesen. Und Modulatoren auf Basis künstlicher Materialien, sogenannteMetamaterialienBisher sind sie nur begrenzt einsetzbar, da sie nur in einem schmalen Band des Terahertz-Bereichs arbeiten.
Der neue Modulator basiert auf einer innovativen künstlichen Metaoberfläche – einer Art Oberfläche mit einzigartigen Eigenschaften, die durch die Geometrie ihrer einzelnen Bausteine und deren Anordnung definiert wird. Die von Jarrahis Team entwickelte Metaoberfläche besteht aus einer Reihe mikroelektromechanischer Einheiten, die mithilfe elektrischer Spannung geöffnet und geschlossen werden können. Durch das Öffnen oder Schließen der Metaoberfläche wird die eintreffende Terahertz-Welle in eine entsprechende Reihe von Nullen oder Einsen kodiert, die dann in Bilder umgewandelt werden.
„Unsere neue Metaoberfläche erweitert den Bereich der Metamaterialien zum ersten Mal auf den Breitbandbetrieb und verringert viele der grundlegenden physikalischen Einschränkungen bei der Leitung und Manipulation von Terahertz-Wellen, insbesondere in Terahertz-Bildgebungs- und Spektroskopiesystemen“, sagte Jarrahi. „Die Geometrie unseres Geräts kann von einer Reihe mikroskaliger Metallinseln zu einer Reihe miteinander verbundener Metallschleifen wechseln und so seine elektromagnetischen Eigenschaften von einer transparenten Oberfläche zu einer reflektierenden Oberfläche ändern, die die Intensität der durch sie hindurchtretenden Terahertzwellen über einen breiten Frequenzbereich manipuliert.“
Die Forschung wurde am 16. Juli in der Zeitschrift Nature veröffentlichtWissenschaftliche Berichte.
Die Hauptautoren der Studie sind Mehmet Unlu und Mohammed Reza Hashemi, die Postdoktoranden in Jarrahis Gruppe waren, als sie Mitglied der Fakultät an der University of Michigan war. Weitere Autoren sind Christopher Berry und Shenglin Li, ehemalige Studenten in Jarrahis Gruppe, sowie Shang Hua Yang, ein aktueller Doktorand an der UCLA.
Die Forschung wurde von der Sensor and Sensing Systems Division der National Science Foundation und einem Young Investigator Award des Army Research Office finanziert.
Referenz: „Switchable Scattering Meta-Surfaces for Broadband Terahertz Modulation“ von M. Unlu, M. R. Hashemi, C. W. Berry, S. Li, S.-H. Yang und M. Jarrahi, 16. Juli 2014,Wissenschaftliche Berichte.
DOI: 10.1038/srep05708
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