Electrically Controlled Ultrawideband THz Spatial Light Modulator for Hyperspectral and Three-Dimensional Single-Pixel Imaging
Cet article présente un modulateur spatial de lumière à réseau de micro-fentes GaAs non résonnant, contrôlé électriquement, qui permet l'imagerie hyperspectrale et tridimensionnelle à pixel unique à très large bande passante (0,2–1,4 THz), surmontant les limitations de bande passante précédentes pour faciliter des applications dynamiques préservant la forme d'onde dans des domaines tels que la sécurité et le diagnostic biomédical.
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Imaginez que vous essayiez de prendre en photo un message secret caché à l'intérieur d'un bloc de glace. Vous ne pouvez pas utiliser un appareil photo ordinaire car la glace est opaque et vous ne pouvez pas voir à travers elle. Mais et si vous pouviez utiliser un type de « lumière » spécial qui agit comme un super rayon X, capable de voir à travers les vêtements, le carton et même les couches de plastique ? C'est le monde du rayonnement térahertz (THz). Il se situe entre les micro-ondes qui chauffent votre nourriture et la lumière infrarouge utilisée par votre télécommande de télévision. Les scientifiques adorent les THz car ils sont sans danger pour l'homme (contrairement aux rayons X) et peuvent révéler des détails cachés, comme la composition chimique d'un comprimé ou les couches à l'intérieur d'une peinture, sans les endommager.
Cependant, prendre des photos avec cette lumière spéciale a toujours été un peu comme essayer de peindre un chef-d'œuvre avec un seul et minuscule pinceau. Les méthodes traditionnelles nécessitent de scanner l'objet point par point, ce qui prend une éternité et rend l'équipement énorme et complexe. Pour y remédier, les chercheurs ont essayé de construire des « fenêtres intelligentes » pour cette lumière — des dispositifs appelés modulateurs spatiaux de lumière (SLM). Considérez-les comme des obturateurs numériques capables d'ouvrir et de fermendre des milliers de minuscules trous à la fois, laissant passer la lumière selon des motifs spécifiques. Le problème est que la plupart des fenêtres intelligentes ne fonctionnent que pour une couleur de lumière spécifique ou une plage très étroite. Si vous voulez voir tout le « arc-en-ciel » d'informations caché dans l'impulsion THz (qui indique à la fois de quoi l'objet est composé et la profondeur de ses couches), les anciennes fenêtres bloquent trop de lumière ou déforment le signal.
C'est ici qu'une équipe de scientifiques de l'Université de Shenzhen et de leurs collaborateurs est intervenue avec une idée nouvelle et ingénieuse. Ils ont construit un nouveau type d'obturateur électronique qui ne fonctionne pas seulement pour une seule couleur, mais pour une plage continue et immense de fréquences THz, de 0,2 à 1,4 THz. Ils l'appellent un « modulateur spatial THz à ultra large bande contrôlé électriquement ». Au lieu d'utiliser la lumière pour contrôler l'obturateur (ce qui est lent et nécessite un équipement supplémentaire), ils utilisent l'électricité pour actionner un interrupteur sur une puce minuscule faite d'arséniure de gallium (GaAs). Cette puce est recouverte de fentes microscopiques qui agissent comme un gardien. Lorsqu'ils appliquent une tension, la porte s'ouvre ou se ferme, laissant passer la lumière THz ou la bloquant, tout en préservant parfaitement l'« impulsion » de la lumière.
L'équipe a testé son invention en prenant des photos de divers objets, notamment des formes métalliques et différents types de comprimés. Ils ont découvert que leur nouvel obturateur pouvait capturer une image 3D complète d'un objet en seulement environ 9 secondes, révélant non seulement l'apparence de l'objet, mais aussi son « empreinte digitale » chimique et sa profondeur. Par exemple, ils pouvaient distinguer un comprimé de sucre inoffensif d'un autre dangereux simplement en observant comment il absorbait la lumière à des fréquences spécifiques. Ils ont également prouvé qu'il pouvait voir à travers les couches, distinguant un morceau de plastique de 1 millimètre d'un morceau de 2 millimètres, même lorsque l'objet était en mouvement.
Les chercheurs n'ont pas seulement inventé le matériel ; ils ont aussi inventé une manière plus intelligente de prendre les photos. Au lieu de scanner selon une ligne prévisible et ennuyeuse, ils ont utilisé une stratégie d'échantillonnage « Diag-ordered ». Imaginez essayer de deviner un mot secret en posant des questions. Une mauvaise stratégie pourrait demander la dernière lettre en premier. Une meilleure stratégie demande d'abord les lettres les plus courantes pour obtenir la forme générale, puis remplit les détails plus complexes plus tard. La méthode de cette équipe fait exactement cela pour les motifs lumineux, saisissant les informations les plus importantes en premier pour construire une image claire, même lorsque le signal est un peu flou.
En résumé, cet article démontre un prototype fonctionnel d'un dispositif compact, contrôlé électriquement, capable de prendre des images multidimensionnelles à haute vitesse en utilisant la lumière THz. Il combine avec succès trois capacités puissantes en un seul petit système : voir la forme d'un objet, identifier ses ingrédients chimiques et mesurer sa profondeur, le tout sans avoir besoin d'une machine de balayage massive et lente. Bien que la version actuelle mette environ 9 secondes pour capturer une image, les auteurs suggèrent qu'avec une électronique plus rapide, cela pourrait devenir un outil portatif rapide pour tout, de la vérification de la qualité des médicaments dans une usine au contrôle des bagages dans un aéroport, tout en préservant l'information délicate contenue dans l'impulsion lumineuse.
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