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T-Strahlen rücken in Richtung Flughafen-Screening vor
Forscher auf der ganzen Welt versuchen, einen kaum genutzten Teil des elektromagnetischen Spektrums – Terahertz-Strahlung – anzuzapfen, um Fluggäste auf Sprengstoffe und illegale Drogen zu scannen. Die Strahlen sind besonders attraktiv: Sie können durch Kleidung, Papier, Leder, Plastik, Holz und Keramik hindurchsehen. Sie dringen nicht so gut ein wie Röntgenstrahlen, aber sie schädigen auch kein lebendes Gewebe. Und sie können spektroskopische Signaturen lesen und den Unterschied zwischen beispielsweise Haargel und Sprengstoff erkennen.
Dieses winzige graue Rechteck, kleiner als das D in DIME, ist ein Quantenkaskadenlaser, der der Schlüssel zu Terahertz-Bildgebungstechnologien für zukünftige Flughafen-Screening-Geräte sein könnte. Der Laser ist an einer Elektronik befestigt, die ihn steuert.
Während einige kommerzielle Systeme bereits für begrenzte Anwendungen verfügbar sind – ein japanisches Gerät scannt Post nach Schmuggeldrogen – hat sich eine Maschine zum Scannen von Fluggästen nur langsam entwickelt, hauptsächlich aufgrund der Schwierigkeit, Terahertz-Strahlung zu erzeugen. Der ideale Scanner würde einen Strahl von T-Strahlen auf vorbeiziehende Objekte oder auf Personen in wenigen Metern Entfernung aussenden, dann die von den Objekten reflektierten Strahlen messen und sie mit einer Datenbank spektroskopischer Signaturen vergleichen. Aber die meisten existierenden Quellen von t-Strahlen liefern nur schwache Strahlen, was die Erkennung langsamer und schwieriger macht.
Nun könnte ein MIT-Professor kurz davor stehen, dieses Problem mit einem neuartigen Laser zu lösen.
Ein typisches Verfahren zur Erzeugung von t-Strahlen, die im elektromagnetischen Spektrum zwischen Infrarotlicht und Mikrowellen liegen; Frequenzen zwischen etwa 0,5 und 4,0 Terahertz am interessantesten – ist die Verwendung eines Lasers, der Infrarotlicht erzeugt und durch optische Manipulation auf Terahertz-Frequenzen umstimmt. Die resultierende Leistung wird in Millionstel oder sogar Billionstel Watt gemessen. Damit der Detektor solch ein sehr schwaches Signal aufnehmen kann, müsste der Strahl langsam aus kurzer Entfernung über ein Objekt gescannt werden, um ein Bild Pixel für Pixel zu erstellen. Die alternative Quelle ist ein riesiger Gaslaser, der eine ganze Labortischplatte einnimmt. Beides ist nicht praktisch, um Tausende von Flugreisenden schnell abzuwickeln.
Aber Qing Hu, Professor am Research Laboratory of Electronics des MIT, hat stecknadelkopfgroße Laser entwickelt, die 250 Milliwatt bei 4,3 Terahertz und etwas weniger als 100 Milliwatt bei 1,5 Terahertz produzieren können. Das ist genug Leistung, um einen Strahl über eine Distanz von mehreren Metern zu senden, von einem Objekt abzuprallen und das Rücksignal zu verwenden, um ein sofortiges Bild zu erstellen. Anstatt ein Pixel nach dem anderen abzubilden, könnten die t-Strahlen von einem Fokalebenen-Array aufgenommen werden, wie dem Detektor in einer Videokamera. Dies würde es dem Sicherheitspersonal ermöglichen, beim Vorbeigehen unter die Mäntel und in die Koffer zu sehen. Wir sind in der Lage, einen Film in t-rays zu machen, sagt Hu, was bedeutet, dass seine Technologie Echtzeitbilder liefern kann.
Der Schlüssel zu Hus Technologie ist ein Quantenkaskadenlaser, ein winziger Halbleiter mit eingeätzten Vertiefungen im Nanometerbereich, die als Quantentöpfe bezeichnet werden. Bei Standardlasern fällt ein Elektron in einem hochenergetischen Zustand in einen niederenergetischen Zustand und gibt die überschüssige Energie als Lichtphoton ab. Bei Quantenkaskadenlasern fällt das Elektron in einen Quantentopf, emittiert ein Photon und bewegt sich dann durch eine dünne Barriere zum nächsten Brunnen, wo es ein weiteres Photon emittiert usw sagt. Das Ergebnis sind viel mehr Photonen und damit stärkere t-Strahlen.
Die Laser von Hu sind eine Schlüsselkomponente eines Terahertz-Sicherheitsgeräts, das Sandia National Laboratory entwickelt, sagt Sandia-Hauptermittler Mike Wanke. Das dreijährige Projekt des Labors, das jetzt im zweiten Jahr läuft, zielt darauf ab, eine Laserquelle und einen Detektor in ein und dasselbe Gerät zu integrieren. Das eliminiert komplexe optische Setups und verbessert die Detektorempfindlichkeit um Größenordnungen, sagt Wanke. Er stellt sich ein Modul vor, mit dem sich kompakte, kommerziell nutzbare T-Ray-Systeme für den Einsatz in Flughäfen herstellen lassen. Wir versuchen, dies zu einem schlüsselfertigen Drop-in-Place-System zu machen, sagt er. Er fügt hinzu, dass Unternehmen, sobald Sandia über einen erfolgreichen Prototyp verfügt, sich der Herausforderung der Produktentwicklung stellen können.
Die Laser müssen niedrigere Frequenzen erreichen, um Material besser durchdringen zu können – je niedriger, desto besser, sagt Hu. Niedrigere Frequenzen bedeuten jedoch kleinere Quantentöpfe, die schwieriger genau zu bauen sind. Hu wird nicht vorhersagen, wann kommerzielle Systeme verfügbar sein könnten.
Aber Xi-Cheng Zhang, Direktor des Rensselaer Polytechnic Institutes Zentrum für Terahertz-Forschung sagt, Hu bricht immer den Rekord, den er für sich selbst aufgestellt hat. Zhang sagt, dass entweder Verbesserungen in der Technik oder die Verwendung verschiedener Halbleitermaterialien wahrscheinlich zu noch besseren Quantenkaskadenlasern führen werden. Er geht davon aus, dass die meisten Probleme in ein oder zwei Jahren gelöst sein werden. Ein solches Problem besteht darin, dass die Laser bei kryogenen Temperaturen arbeiten und eine sperrige Kühlausrüstung erfordern; Hu hält den Rekord für die höchste Betriebstemperatur. Nachdem solche Probleme gelöst sind, werden eher die Marktkräfte als technische Probleme bestimmen, wie lange es dauert, bis ein kommerzieller Scanner auf einem Flughafen auftaucht, sagt Zhang.
Hu sagt, dass die Technologie neben kommerziellen Flugreisen insbesondere für das Militär interessant ist. DARPA [die Defense Advanced Research Projects Agency] ist sehr daran interessiert, Selbstmordattentäter zu identifizieren, sagt er. T-Strahlen sind nicht die einzige Möglichkeit, dies zu tun; andere Systeme, die auf den Markt kommen, verwenden Radar- und Bildverarbeitungssoftware. (Siehe Gehen wie ein Bomber .)
Zhang gründete eine Firma, Zomega Terahertz das macht einen Laptop-großen Röntgendetektor, der an einer fliegenden Drohne befestigt werden kann, um chemische und biologische Substanzen aus der Ferne zu erkennen. Während die Billionstel Watt, die der Infrarotlaser im Gerät erzeugt, für die spektroskopische Analyse von Luftproben in Ordnung sind, reichen sie für die Bildgebung nicht aus, und die Lasertechnologie wird sich wahrscheinlich nicht genug verbessern, um in der Flughafensicherheit eingesetzt zu werden, sagt Zhang. Er glaubt, dass Quantenkaskadenlaser die Zukunft der Röntgen-Detektionssysteme sind: Sie werden der endgültige Gewinner auf dem Markt sein.