使用單像素光譜探測器快速檢測隱藏物體或缺陷的衍射太赫茲傳感器示意圖。

在工程和材料科學領(lǐng)域，檢測材料中隱藏的結(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)學和國防等眾多應(yīng)用中提供了前所未有的優(yōu)勢。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，加州大學洛杉磯分校Samueli工程學院和加州納米系統(tǒng)研究所的研究人員開發(fā)了一種獨特的太赫茲傳感器，該傳感器可以使用單像素光譜太赫茲探測器快速檢測目標樣品體積內(nèi)隱藏的缺陷或物體。

與傳統(tǒng)的逐點掃描和基于數(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洛杉磯分校電氣與計算機工程系主任艾多甘·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)動的全光傳感系統(tǒng)，我們對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驗裝置。

這種新型傳感器由一系列衍射層組成，使用深度學習算法自動優(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)計的光學神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相似。我們的設(shè)計包括幾個衍射層，根據(jù)被測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?？梢园阉胂蟪勺屛覀兊膫鞲衅髂軌蚋鶕?jù)它以光速‘看到’的東西進行‘感知和響應(yīng)’?！?/p>

為了證明他們的新概念，加州大學洛杉磯分校團隊使用3D打印制造了一種衍射太赫茲傳感器，并成功檢測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)準確地揭示了各種形狀和位置的未知隱藏缺陷的存在。

該團隊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)保護的大量應(yīng)用。

這種非成像方法的簡單性、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展。

審核編輯 黃宇