Nueva Técnica de Obtención de Imágenes con Radiaciones de Terahercios

Por: Olivier Alirol, Físico e investigador de Resonance Science Foundation 

Recientemente, la radiación electromagnética en el rango de frecuencias de los terahercios (THz) ha surgido como una de las técnicas de imagen más prometedoras para diversas aplicaciones en ciencia e ingeniería. El potencial y la idoneidad de la tecnología THz para aplicaciones prácticas como el campo de los ensayos no destructivos se ha puesto de manifiesto gracias a los recientes avances en la producción de fuentes y detectores eficaces. Gracias al desarrollo de componentes ultrarrápidos tanto en fotónica como en electrónica, la situación está evolucionando rápidamente.

Las ondas THz, que residen en una región relativamente inexplorada entre las microondas y los infrarrojos, aproximadamente entre 0,1 y 10 THz, es una de las últimas fronteras del espectro electromagnético.  A diferencia de los rayos X, el THz es una radiación no ionizante. No causa ningún daño conocido al cuerpo humano ni a los materiales que se examinan. Además, los THz pueden penetrar en muchos gases comunes, líquidos no polares y sólidos no metálicos, como el aire, los plásticos, la gasolina, el papel, el material vegetal, la ropa, el tejido graso y los compuestos. Sin embargo, todas estas prometedoras aplicaciones potenciales dependen de herramientas fiables y especialmente, de la fuente de THz.

"Las ondas de terahercios tienen la capacidad de ver a través de la ropa, por eso existen estos escáneres corporales de sub-terahercios en los aeropuertos [...] Estas ondas pueden ayudar a identificar si un objeto es explosivo, químico o biológico, aunque no puedan decir exactamente de qué objeto se trata".

Construir un generador de THz es todo un reto. La forma más habitual es utilizar un sistema pulsado con un láser. Funciona dividiendo el haz de un láser de femtosegundo en dos: el haz de la sonda y el de la bomba. El haz de la bomba se utiliza para generar el pulso de THz, mientras que el haz de la sonda se utiliza para muestrear y obtener el perfil del pulso. La forma de onda de THz puede obtenerse escaneando el retardo de tiempo entre las dos señales. Para aumentar la sensibilidad, el haz de la bomba se modula mediante un chopper óptico, y la modulación inducida por THz en el haz de la sonda se extrae mediante un amplificador lock-in. En un trabajo reciente, X.-C. Zhang, del Instituto de Óptica de Nueva York (EE.UU.), propuso una nueva forma de generar ondas THz.

Con el desarrollo sucesivo, numerosos grupos de investigación han demostrado la generación de ondas de terahercios a partir de cristales sólidos, metales, plasmas de gas o incluso vapores de agua. Hasta ahora nunca se había utilizado el agua líquida como posible fuente de radiación de THz. Una de las posibles razones que han llevado a este impedimento es que el agua líquida presenta fuertes características de absorción en el régimen de frecuencias de los THz. Y recientemente el equipo de Zhang demostró que las películas de agua que fluyen libremente por gravedad podrían ser eficientes con su diseño simple y su capacidad casi inigualable de generar una película delgada, continua y estable de agua líquida en el espacio libre que nos ofrece la fuente líquida para la radiación THz.

"Siempre intentamos evitar el agua, pero es una fuente de terahercios sorprendentemente eficaz.[...] Aumentamos un poco el grosor del agua, y gradualmente el láser, y seguimos intentándolo hasta que pudimos hacerlo funcionar.[...] El agua es uno de los recursos más ricos de la Tierra, así que era realmente importante para nosotros poder generar estas ondas a partir del agua. Hubo muchas veces en las que quise abandonar, pero la gente del laboratorio no dejaba de animarme".

Zhang, Instituto de Óptica, NY, USA

El equipo ha demostrado experimentalmente la generación de ondas de THz de banda ancha a partir de agua líquida excitada por pulsos de láser de femtosegundo. Sus mediciones revelan la dependencia crítica del campo de THz respecto a la posición relativa entre la película de agua y el punto focal del rayo láser. La radiación THz del agua líquida muestra características distintas cuando se compara con la radiación THz de los plasmas de aire con excitación óptica de un solo color.

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