Увидеть скрытое от глаза

Увидеть можно всё, надо лишь как следует присмотреться. Даже если накрыть предмет плотным покрывалом, это не будет означать, что он станет невидимым. Ведь любое тело будет поглощать и отражать излучение, которое прошло сквозь покрывало. А когда температура предмета превышает температуру окружающей среды, он сам испускает электромагнитные лучи.

Если их зафиксировать и проанализировать, то удастся рассмотреть, что за таинственный предмет скрыт под покрывалом. Больше всего шансов стать эффективным инструментом познания таких скрытых объектов имеется у когерентного излучения терагерцевого диапазона, как следует из комментария ведущего научного сотрудника, доктора физико-математических наук Н.Н.Зиновьева из Физико-технического института им. А.Ф.Иоффе РАН, который сейчас работает в Университете Лидса (Великобритания). Вот что он говорит: «Получение спектрального многомерного изображения в терагерцевом диапазоне с помощью когерентных оптических технологий можно использовать для решения многих задач, как прикладных, так и фундаментальных.

Сегодня это направление привлекает очень большое внимание ученых». Терагерцевый диапазон можно условно ограничить, с одной стороны, «микроволнами» с длиной волны порядка 1 мм, а с другой — инфракрасным диапазоном с длинами волн от нескольких микрон, что соответствует частотам 10^9–10^14 Гц. Именно в этой широкой области спектра сосредоточен огромный массив информации о живой и неживой материи: энергия этих волн сравнима с энергией внутримолекулярных, электронных и иных элементарных возбуждений конденсированных сред. Здесь же расположены спектральные полосы поглощения и излучения различных инородных включений, полосы поглощения воды.

Поэтому вещество демонстрирует многие яркие особенности именно в терагерцевом диапазоне. Поскольку до недавнего времени не было достаточно компактных мощных источников и чувствительных широкодиапазонных фотоприемников терагерцевых волн, которые работали бы при комнатной температуре, этот диапазон электромагнитного спектра был плохо освоен. То, что доступно сегодня — разного рода тепловизоры, приборы ночного видения и им подобные — позволяет обнаруживать лишь излучающие объекты, температура которых выше фона. Если же температура объекта равна окружающей, такой прибор его не увидит. Но самое главное в том, что излучение, которое они анализируют, — это некогерентное излучение самого объекта.



В середине 90-х годов технология наконец-то сделала шаг вперед. Удалось объединить достижения в областях нелинейной, лазерной и квантовой оптики, технологий выращивания и обработки оптических кристаллов, технологий быстродействующих многоэлементных приемников излучения и средств обработки информации. Теперь стало возможным облучать нелинейный оптический элемент, кристалл или микроантенну, очень коротким — фемтосекундным — лазерным импульсом, и формировать короткий терагерцевый импульс, который содержит волны широкого спектра (~10^9 — ~(3–40)•10^12 Гц).

Современные детекторы анализируют распределение таких волн в пространстве с точностью до размеров порядка длины волны (в дальнем поле), а в ближнем поле и того меньше — около микрона. Получается четырехмерный массив данных — распределение интенсивности прошедшего или отраженного излучения по трем пространственным координатам и по длинам волн. Эта совокупность свойств и стимулирует интерес к терагерцевой технологии: ведь помимо сведений о форме объекта она даст возможность разделить объекты по химическому составу. Как, например, с помощью такого устройства прочитать текст, не открывая книгу?

Для этого требуется сфокусировать узкий терагерцевый луч на нужной глубине и просканировать соответствующую страницу. Делать это можно обычной оптической системой линз и зеркал. Текстура бумаги, скрытые символы, типографская краска или чернила различаются по составу. Поэтому интенсивности излучения, отраженного от букв и от пробелов, тоже будут различаться. Детектор разницу обнаружит и сформирует изображение, подобно тому, как это делает электронный луч в телевизоре. Одно из наиболее интересных направлений — разработка новых томографических методов в медицине. Можно получить уникальные методы диагностики, которые, во-первых, безопасны — ведь терагерцы, в отличие от рентгена, не разрушают живое вещество, а во-вторых, способны дать колоссальный объем информации о строении и химическом составе биологического объекта.

Не в последнюю очередь интерес к терагерцевой диагностике стимулирует и объем оборота на мировом рынке медицинской диагностической техники, который сегодня превышает 10 миллиардов долларов в год. «Сейчас имеются уже почти все элементы для создания систем терагерцевого видения, — объясняет Н.Н.Зиновьев. — Однако главное впереди: надо понять сущность и природу механизмов контраста, взаимодействия терагерцевого излучения со средой. Подобные фундаментальные проблемы, а также разнообразные проблемы приложения результатов этих исследований мы и изучаем в рамках проектов, которые финансирует Консорциум исследовательских советов Великобритании и Европейский союз».

Справка

Город Лидс, в котором находится упомянутый в заметке университет, расположен в центре Англии, на склоне Пеннинских гор и на берегу канала, соединяющего Ирландское и Северное моря. Университет Лидса возник в 1904 году, после того как король Эдуард VII отделил его от Университета Виктории, в который входили также колледжи соседних Ливерпуля и Манчестера, а базой для университета послужили Медицинская школа Лидса и Колледж наук Йоркшира. Это один из крупнейших университетов Соединенного Королевства — в нем учится более 28 тысяч студентов, 15% из которых — иностранцы. Основные факультеты университета — искусств, богословия, предпринимательства, биологии, наук о Земле, технологии, математики и физики, а также медицины. В 2001 году конкурс был примерно 7 человек на место.

При этом доход университета от получения платы за обучение вырос из-за увеличения числа студентов на 8% и составил больше 54 миллионов фунтов стерлингов или почти две тысячи фунтов на одного студента. А всевозможные исследовательские гранты и контракты принесли университету более 64 миллионов фунтов. Как нетрудно догадаться, в Интернете университет можно найти по адресу: www.leeds.ac.uk.

Источник: Журнал "Наука и Жизнь"