Les ondes térahertz peuvent pénétrer des matériaux opaques et fournir des signatures spectrales uniques de divers produits chimiques, mais leur adoption pour des applications réelles a été limitée par la lenteur, la grande taille, le coût élevé et la complexité des systèmes d'imagerie térahertz. Le problème vient du manque de détecteurs à réseau de plan focal appropriés, composants contenant des détecteurs de rayonnement utilisés par le système d'imagerie.

Une équipe de recherche dirigée par Mona Jarrahi et Aydogan Ozcan, professeurs de génie électrique et informatique à la Samueli School of Engineering de l'UCLA, a inventé un nouveau réseau à plan focal térahertz pour résoudre ce problème.

En éliminant le besoin de numérisation raster, qui capture et affiche une image point par point, l'équipe de recherche est en mesure d'accélérer l'imagerie plus de 1 000 fois plus rapidement que les systèmes actuels. Le nouveau réseau constitue le premier système d'imagerie térahertz connu suffisamment rapide pour capturer des vidéos et fournir des images multispectrales 3D en temps réel tout en conservant un rapport signal/bruit élevé.

Publié dans Nature Photonics , l'étude de l'UCLA décrit le nouveau réseau à plan focal, qui consiste à installer 283 500 nanoantennes dans un espace plus petit que la taille d'une graine de sésame typique. Le réseau est capable de fournir directement des distributions spatiales d'amplitude et de phase, ainsi que des données temporelles et spectrales d'un objet imagé, évitant ainsi le besoin d'un balayage raster. L'équipe a également utilisé un réseau neuronal entraîné par l'apprentissage automatique pour améliorer la résolution des images capturées en temps réel.

"L'imagerie Terahertz peut nous aider à voir des choses que nous ne pourrions pas détecter en utilisant d'autres processus ou technologies", a déclaré Jarrahi, titulaire de la chaire Northrop Grumman en génie électrique et dirige le laboratoire d'électronique Terahertz à UCLA Samueli. "Grâce à ce réseau à plan focal, nous avons ouvert de nouvelles possibilités d'utilisation de l'imagerie térahertz pour une numérisation et une détection en temps réel à haut débit, d'une manière qui n'était pas possible auparavant."

Des tentatives antérieures visant à créer des systèmes d'imagerie térahertz plus rapides ont abouti à de faibles rapports signal/bruit, ce qui rend difficile pour les chercheurs d'obtenir des images nettes. Les systèmes étaient également encombrants et coûteux. À l'aide du nouveau réseau à plan focal et du réseau neuronal qui l'accompagne, l'équipe de recherche a démontré la capacité du système à imager des motifs 3D gravés dans le silicium avec plus de 1 000 pixels.

L’énergie relativement faible des photons térahertz et leur capacité à pénétrer à travers de nombreux matériaux opaques et non conducteurs rendent le rayonnement térahertz prometteur pour diverses applications. Il s'agit notamment de l'imagerie médicale, du contrôle de sécurité et de l'inspection des produits pharmaceutiques ou agricoles.

Jarrahi et Ozcan sont tous deux membres du California NanoSystems Institute de l'UCLA, où Ozcan est directeur associé de l'entrepreneuriat, de l'industrie et des échanges universitaires. Ozcan, qui est titulaire de la chaire Volgenau pour l'innovation en ingénierie de l'UCLA et dirige le groupe de recherche Ozcan, est également professeur au département de bio-ingénierie et à la faculté de médecine David Geffen de l'UCLA.

La technologie est commercialisée par Lookin Inc., une startup issue du groupe de recherche de Jarrahi. L'entreprise a été cofondée par Jarrahi et Nezih Tolga Yardimci, chercheuse postdoctorale et membre de son groupe de recherche. Yardimci est l'auteur de l'article et est PDG et directeur de la technologie de Lookin.

Les autres auteurs de l'article sont Xurong Li, chercheur postdoctoral à l'UCLA Samueli, l'étudiant diplômé Deniz Mengu, l'ancien élève Deniz Turan et Ali Charkhesht, ingénieur principal chez Lookin. Tous, sauf Charkhesht, sont membres actuels ou anciens des laboratoires de recherche de Jarrahi et Ozcan à l'UCLA.

Plus d'informations : Xurong Li et al, Réseau photoconducteur plasmonique à plan focal térahertz avec super-résolution de pixels, Nature Photonics (2024). DOI :10.1038/s41566-023-01346-2

Informations sur le journal : Photonique naturelle

Fourni par l'UCLA Engineering Institute for Technology Advancement