Dostrzec niewidzialne, czyli technologia terahercowa
Już w 2004 roku magazyn „MIT Technology Review” wydawany przez jedną z najlepszych uczelni technicznych na świecie, Massachusetts Institute of Technology, uznał technologię terahercową za jedną z 10, które mają szansę zmienić świat. Kluczowa rola promieniowana terahercowego nie jest w tym przypadku wyolbrzymiona, gdyż możliwości jego praktycznego wykorzystania są niezwykle szerokie - od analizy zanieczyszczeń środowiska przez zaawansowane systemy bezpieczeństwa po szybką i sprawną komunikację bezprzewodową.
Dotychczas, głównym problemem w rozpowszechnieniu technik opartych na terahercach były trudności w uzyskaniu źródeł ich promieniowania i skutecznych ich detektorów. Tymczasem,
w Instytucie Wysokich Ciśnień PAN (UNIPRESS) powstaje przy współpracy z Parkiem Innowacyjnym Celestynów i Centrum Zaawansowanych Technologii i Materiałów (CEZAMAT) zespół elementów optycznych, mechanicznych oraz elektronicznych niezbędnych do wytworzenia pierwszego, terahercowego skanera pocztowego usprawniającego kontrolę zawartości podejrzanych przesyłek.
Co to jest promieniowanie terahercowe?
Fale terahercowe (0,1 THz – 10 THz), inaczej nazywane submilimetrowe, obejmują zakres promieniowania elektromagnetycznego pomiędzy promieniowaniem mikrofalowym, a głęboką podczerwienią. Ze względu na brak efektywnych źródeł promieniowana oraz jego niedrogich
i czułych detektorów, obszar ten nazywany był dotychczas terahercową luką (ang. THz gap). Jednak kolejne odkrycia badaczy systematycznie ją zawężają, a szansa na stworzenie tanich, wydajnych
i skutecznych źródeł oraz detektorów wydaje się być na wyciągnięcie ręki. Atrakcyjność tego promieniowania, jego możliwości w zdalnym obrazowaniu i charakteryzacji materiałów powodują dodatkowo, że rozwój technologii terahercowej niesie za sobą ogromny potencjał aplikacyjny.
Skuteczność i bezpieczeństwo
Fale terahercowe przechodzą przez większość suchych, niemetalicznych substancji, takich jak: plastik, tekstylia czy papier. Można je więc z powodzeniem wykorzystywać do wykrywania przedmiotów, związków chemicznych czy biologicznych ukrytych w zapieczętowanych paczkach. Promieniowanie terahercowe może być używane np. na lotniskach do prześwietlania bagaży podróżnych w poszukiwaniu broni i materiałów wybuchowych, czy w instytucjach rządowych do sprawdzenia podejrzanych przesyłek pocztowych. Obszary wykorzystania fal terahercowych nie ograniczają się jedynie do kontroli bezpieczeństwa. Rozwiązanie to mogłoby być szczególnie korzystne przy kontroli jakości produkcji np. przy pakowaniu żywności. Promienie terahercowe pozwolą na wykrycie miniaturowych (submilimetrowych) uszkodzeń na przedmiotach schodzących
z taśmy produkcyjnej. Ogromny potencjał w wykorzystaniu tej technologii widzą również biolodzy
i lekarze. Dla tych pierwszych, możliwość wykrycia obecności wody przez wykorzystanie promieniowania terahercowego może zostać wykorzystana do obrazowania poziomu nawodnienia roślin. Z kolei lekarze będą mogli wykorzystać to rozwiązanie w diagnostyce medycznej. Co więcej, teraherce są bezpieczne dla organizmów żywych. Promieniowanie z tego zakresu nie jonizuje materii, czyli nie niszczy wiązań chemicznych, jak to ma miejsce w przypadku promieni rentgenowskich.
O krok od terahercowej rewolucji
Pomimo tak szerokiego wachlarza możliwości aplikacyjnych, nadal głównym zmartwieniem naukowców i inżynierów jest opracowanie tanich i wydajnych źródeł oraz detektorów tego promieniowania. Wyzwanie to podjęli polscy naukowcy przy współpracy z Instytutem Wysokich Ciśnień PAN (UNIPRESS), Parkiem Innowacyjnym Celestynów oraz Centrum Zaawansowanych Technologii i Materiałów (CEZAMAT). W jednym z warszawskich laboratoriów powstaje właśnie prototyp skanera pocztowego wykorzystujący nowe rozwiązania – źródła i detektory oparte
o technologie półprzewodnikowe (w tym również azotku galu). Skaner pozwoli na stwierdzenie, z dużą dokładnością, obecności podejrzanych przedmiotów w przesyłkach listowych. Zastosowanie to jest możliwe dzięki unikatowej konstrukcji czułego, liniowego źródła i detektora, które mogą zebrać informacje z setek komórek jednocześnie. – Stworzenie tak zaawansowanego urządzenia było możliwe dzięki interdyscyplinarnej współpracy ekspertów z takich dziedzin jak optyka, elektronika czy fizyka. Najlepszym przykładem może być zaangażowanie zespołu prof. Macieja Sypka z Wydziału Fizyki Politechniki Warszawskiej, który opracował optykę terahercową do tego urządzenia – podkreśla prof. Wojciech Knap, obecnie związany z Uniwersytetem w Montpellier i Narodowym Centrum Badań Naukowych we Francji, aktywnie wspierający inicjatywę terahercową Unipressu i CEZAMAT-u. – Technologia terahercowa ma ogromne szanse rozwoju w Polsce szczególnie ze względu na duży potencjał intelektualny i techniczny. Zaawansowane badania w tym zakresie prowadzą m.in.: zespoły na Politechnice Warszawskiej (projekt FOTEH pod kierunkiem prof. Ryszarda Piramidowicza, zespół prof. Eugeniusza Jaszczyszyna), Politechniki Wrocławskiej (grupa
prof. Edwarda Plińskiego), Wojskowej Akademii Technicznej (grupa prof. Mieczysława Szustakowskiego) jak również wiodący w tej tematyce w Polsce od ponad 30 lat zespół
z Uniwersytetu Warszawskiego (grupa prof. Mariana Grynberga i dr Jerzego Lusakowskiego) – dodaje prof. Knap.
Promieniowanie terahercowe – kolejne kierunki rozwoju
Technologia terahercowa jest obecnie rozwijana na takich półprzewodnikach jak krzem i materiały AIII-BV. Niezwykle obiecującym z punktu widzenia nowych źródeł i detektorów jest azotek galu (GaN). Związek ten stosowany jest głównie jako materiał półprzewodnikowy w optoelektronice, m.in. w laserach półprzewodnikowych (np. niebieski laser). Różni się on od innych półprzewodników tym, że w tranzystorach wykonanych z jego użyciem uzyskuje się bardzo dużą koncentrację elektronów swobodnych, co jest istotne do wzbudzenia drgań plazmowych o częstościach terahercowych. Podłoża półprzewodnikowe z azotku galu, materiału nie istniejącego w naturze, nie są jeszcze wystarczająco tanie i łatwe w uzyskaniu jak np. podłoża krzemowe, jednak lepiej sprawdzają się w zastosowaniach wysokomocowych i wysokoczęstotliwościowych. – Polska od wielu lat prowadzi zaawansowane badania związane z technologią azotku galu, ustanawiając kolejne światowe rekordy (firmy Ammono i TopGan). Dlatego jesteśmy świetnie przygotowani do rozwijania technologii opartych na tranzystorach GaN – potwierdza prof. Knap. Nie dziwi więc fakt, że rozwój technologii terahercowej w oparciu o urządzenia (tranzystory i diody) z azotku galu jest jednym z priorytetów Parku Innowacyjnego Unipressu powstającego w Celestynowie. Z kolei
w warszawskim Centrum Zaawansowanych Technologii i Materiałów (CEZAMAT) powstaje infrastruktura badawczo-wdrożeniowa umożliwiająca stworzenie prototypów i demonstratorów dla tego typu innowacyjnych technologii. – W powstającym właśnie przy ul. Poleczki w Warszawie Laboratorium Centralnym CEZAMAT zgromadzona zostanie aparatura umożliwiająca rozwijanie technologii społecznie użytecznych, w tym również prac wdrożeniowych z zakresu promieniowania terahercowego – podkreśla prof. Romuald Beck, wiceprezes ds. naukowych spółki CEZAMAT PW. – Misją CEZAMAT-u jest utworzenie interdyscyplinarnej platformy, która połączy dotychczas zgromadzoną wiedzę m.in. w takich obszarach jak elektronika i fotonika umożliwiając zarówno podmiotom badawczym jak i gospodarczym prowadzenie prac wdrożeniowych na najwyższym światowym poziomie – dodaje prof. Beck.
Biuro Prasowe CEZAMAT