使用單像素光譜探測(cè)器快速檢測(cè)隱藏物體或缺陷的衍射太赫茲傳感器示意圖。

在工程和材料科學(xué)領(lǐng)域，檢測(cè)材料中隱藏的結(jié)構(gòu)或缺陷至關(guān)重要。傳統(tǒng)的太赫茲成像系統(tǒng)依賴于太赫茲波的獨(dú)特性質(zhì)來穿透可見的不透明材料，已被開發(fā)用于揭示各種感興趣材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

這種能力在工業(yè)質(zhì)量控制、安全篩查、生物醫(yī)學(xué)和國防等眾多應(yīng)用中提供了前所未有的優(yōu)勢(shì)。然而，大多數(shù)現(xiàn)有的太赫茲成像系統(tǒng)的吞吐量有限，設(shè)置龐大，需要光柵掃描來獲取隱藏特征的圖像。

為了改變這種模式，加州大學(xué)洛杉磯分校Samueli工程學(xué)院和加州納米系統(tǒng)研究所的研究人員開發(fā)了一種獨(dú)特的太赫茲傳感器，該傳感器可以使用單像素光譜太赫茲探測(cè)器快速檢測(cè)目標(biāo)樣品體積內(nèi)隱藏的缺陷或物體。

與傳統(tǒng)的逐點(diǎn)掃描和基于數(shù)字圖像形成的方法不同，該傳感器在單次快照中用太赫茲輻射照射測(cè)試樣品的體積，而不需要形成或數(shù)字處理樣品的圖像。

該傳感器由加州大學(xué)洛杉磯分校電氣與計(jì)算機(jī)工程系主任艾多甘·奧茲坎博士和諾斯羅普·格魯曼公司捐贈(zèng)的教授莫娜·賈拉希博士領(lǐng)導(dǎo)，它是一種全光處理器，擅長搜索和分類由隱藏缺陷衍射引起的意外波源。該研究成果以論文形式發(fā)表在《自然·通訊》雜志上。

Ozcan博士說：“隨著我們擺脫傳統(tǒng)方法，轉(zhuǎn)向更高效、人工智能驅(qū)動(dòng)的全光傳感系統(tǒng)，我們對(duì)太赫茲成像和傳感的看法和利用方式發(fā)生了轉(zhuǎn)變?！?/p>

單像素衍射太赫茲傳感器的實(shí)驗(yàn)裝置。

這種新型傳感器由一系列衍射層組成，使用深度學(xué)習(xí)算法自動(dòng)優(yōu)化。經(jīng)過訓(xùn)練后，這些層使用增材制造方法(如3D打印)轉(zhuǎn)化為物理原型。這使得系統(tǒng)能夠進(jìn)行全光處理，而不需要繁瑣的光柵掃描或數(shù)字圖像捕獲/處理。

Ozcan博士說，“就像傳感器有自己的內(nèi)置智能一樣，這與他們之前的人工智能設(shè)計(jì)的光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相似。我們的設(shè)計(jì)包括幾個(gè)衍射層，根據(jù)被測(cè)材料中是否存在隱藏結(jié)構(gòu)或缺陷，修改輸入的太赫茲光譜。可以把它想象成讓我們的傳感器能夠根據(jù)它以光速‘看到’的東西進(jìn)行‘感知和響應(yīng)’。”

為了證明他們的新概念，加州大學(xué)洛杉磯分校團(tuán)隊(duì)使用3D打印制造了一種衍射太赫茲傳感器，并成功檢測(cè)到硅樣品中的隱藏缺陷。這些樣品由堆疊的晶片組成，其中一層包含缺陷，另一層隱藏了缺陷。智能系統(tǒng)準(zhǔn)確地揭示了各種形狀和位置的未知隱藏缺陷的存在。

該團(tuán)隊(duì)相信他們的衍射缺陷傳感器框架也可以在其他波長下工作，如紅外線和X射線。這種多功能性預(yù)示著從制造質(zhì)量控制到安全篩查甚至文化遺產(chǎn)保護(hù)的大量應(yīng)用。

這種非成像方法的簡(jiǎn)單性、高通量和成本效益，有望在速度、效率和精度至關(guān)重要的應(yīng)用中帶來變革性的進(jìn)展。

審核編輯 黃宇