'Snuffelen' van stoffen sneller en handzamer

Een klein apparaatje dat met gebruik van terahertzstraling binnen enkele tellen een chemische stof aantoont. Dank zij een verbetering van de technieken voor spectroscopie in dit stralingsgebied, komt dat snel dichterbij. Onderzoekers ontwikkelden een compact systeem om de spectroscopische vingerafdruk van een materiaal binnen 100 μs af te leiden, waarmee het veelbelovend is voor snelle, voordelige en draagbare toepassingen, bijvoorbeeld voor het opsporen van explosieven.

De onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT), die dit nieuw terahertz-spectroscopiesysteem ontwikkelden, publiceren hun werk in het vaktijdschrift Optica. Zij hebben voor de doorontwikkeling van de detectiemethode gebruik gemaakt van de kennis en expertise van SRON als het gaat om supergevoelige detectoren, genaamd hot electron bolometer mixer. Die heeft SRON samen met de TU Delft ontwikkeld voor ruimteonderzoek.

Terahertzstraling is de straling in het golflengtegebied tussen microgolven en infraroodstraling. "De doorontwikkelde technologie uit dit onderzoek kan op zijn beurt weer van nut zijn in toekomstig ruimteonderzoek, bijvoorbeeld bij verkenning van planeetatmosferen", aldus Jian-Rong Gao van SRON.

Verschillende materialen absorberen verschillende frequenties van terahertzstraling in verschillende mate. Daardoor heeft elk materiaal een eigen karakteristiek terahertz-absorptieprofiel, een soort vingerafdruk van een stof. Dat maakt teraherzstraling interessant als 'snuffelaar'.

Maar een praktische onhandigheid bij terahertzspectroscopie was voorheen dat voor elke frequentie die je wilt meten, een aparte meting nodig was. Daarvoor moest het spectroscopie-apparaat steeds bijgesteld worden. Ook was voor conventionele terahertzspectroscopie een grote stralingsbron nodig, met de afmetingen van een koffer.

Doorontwikkelde technieken verhelpen nu deze problemen. Het nieuwe apparaatje zendt met een quantum-cascade-laser (QCL) terahertzstraling uit in een zogeheten 'frequentiekam', waarin de verschillende frequenties (de tanden van de kam) gelijkmatig verdeeld zijn.

Door die gelijkmatige verdeling kan het absorptieprofiel van een materiaal met slechts een paar metingen gereconstrueerd worden, dus zonder tussentijdse aanpassingen.

Die gelijkmatige verdeling was eerder moeilijk te verkrijgen, onder meer doordat elke frequentie anders wordt gebroken in een medium. In de doorontwikkelde QCL's van de onderzoekers is dat gecorrigeerd. Het onderzoeksteam heeft voor de doorontwikkeling van het straling-versterkingsmedium samengewerkt met Darren Hayton en Jian-Rong Gao van SRON.

Hoewel terahertz QCL's het formaat van een chip hebben, moeten ze gekoeld worden tot lage temperaturen. Het formaat van de gekoelde behuizing kan daardoor onhandig groot zijn. Maar in het nieuwe artikel in Optica tonen de onderzoekers aan dat op dit moment al een betrouwbare spectroscopische vingerafdruk al verkrijgbaar is met korte impulsen terahertzstraling. Daardoor kan de koeling natuurlijk compacter.

De onderzoeksgroep werkt overigens gestaag door aan het ontwerpen van kwantum-cascadelasers, zodat ook minder koeling vereist is als de straling langer aanhoudt dan een puls. Het doel is om QCL's en detectoren te ontwikkelen die functioneren bij temperaturen, zo dicht mogelijk bij kamertemperatuur. Daarmee komen meer praktische toepassingen binnen handbereik én meer mogelijkheden voor gebruik van deze spectroscopie in de ruimte.

"Terahertz multiheterodyne spectroscopy using laser frequency Combs", Optica, 3(5), 499(2016) by Yang Yang, David Burghoff, Darren J. Hayton, Jian-Rong Gao, John L. Reno, and Qing Hu'.